耦合GIS與CFD模型的城市街區(qū)環(huán)境毒氣擴(kuò)散模擬研究結(jié)題摘要

城市地區(qū)有毒有害氣體的遷移擴(kuò)散是個(gè)三維、動(dòng)態(tài)的復(fù)雜環(huán)境過程，本課題圍繞街區(qū)建筑群環(huán)境中毒氣擴(kuò)散過程的精細(xì)化建模、模擬開展理論和技術(shù)方法研究。著重分析了建筑物擾動(dòng)和非穩(wěn)態(tài)氣象條件下近地面有毒有害氣體的擴(kuò)散機(jī)理和過程；耦合GIS和計(jì)算流體力學(xué)模型（CFD Model），提出一個(gè)街區(qū)尺度毒氣擴(kuò)散過程建模、模擬的技術(shù)框架模型；利用二維GIS數(shù)據(jù)、建筑物高程信息和Google SketchUP軟件建立街區(qū)冠層三維模型，以之為壁面邊界，基于Delaunay網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)近地面空間場(chǎng)的離散剖分，為擴(kuò)散過程模擬提供必要的空間模型支撐；基于RANS方法建立擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果（流場(chǎng)、濃度場(chǎng)）的動(dòng)態(tài)可視化，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)建筑物和人口分布數(shù)據(jù)，估算周邊人員的毒氣暴露水平。研究成果及方法可為環(huán)境事故危害評(píng)估、應(yīng)急指揮決策等提供理論依據(jù)。 2100433B

有毒有害物質(zhì)的意外泄漏大多形成低而平的毒氣云團(tuán)，沿地面拓展延伸，對(duì)居民生命財(cái)產(chǎn)安全和城市生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本研究以城市街區(qū)環(huán)境下毒氣擴(kuò)散過程的精細(xì)化建模、模擬為目標(biāo)，綜合考慮城市建筑物下墊面和風(fēng)速、風(fēng)向等氣象環(huán)境參數(shù)對(duì)擴(kuò)散過程的影響，基于GIS建立城市下墊面幾何模型；研究具有下墊面邊界約束的三維空間離散方法，自動(dòng)生成計(jì)算網(wǎng)格，構(gòu)造三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，支持毒氣擴(kuò)散數(shù)值模擬；基于大渦模擬的相關(guān)理論和方法，研究建立一個(gè)適用于城市街區(qū)環(huán)境的CFD擴(kuò)散模型；通過GIS和CFD模型的耦合，支持模擬過程中有關(guān)參數(shù)的自動(dòng)提取和賦值，實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果（流場(chǎng)、濃度場(chǎng)）的動(dòng)態(tài)可視化，為事故危害評(píng)估、應(yīng)急指揮決策以及城市防災(zāi)規(guī)劃等提供理論依據(jù)。

CFD在暖通空調(diào)工程的應(yīng)用始于1974年，國外在這方面發(fā)展較快，目前國內(nèi)也有一些大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)在對(duì)此進(jìn)行研究。就其研究方向而言，主要可分為兩方面：基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。目前，美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家對(duì)CFD的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都處于領(lǐng)先水平，我國的清華大學(xué)等也有較為獨(dú)特的研究方向。下面簡(jiǎn)要介紹。

CFD仿真模擬基礎(chǔ)研究

目前CFD在暖通空調(diào)工程的應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，主要有如下新動(dòng)態(tài)：

(1)室內(nèi)空氣流動(dòng)的簡(jiǎn)化模擬：美國MIT，從描述空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的方法、湍流模型等方面進(jìn)行研究，以對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬；中國清華大學(xué)，研究空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的新方法、湍流模型以及數(shù)值算法，建立室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬的簡(jiǎn)捷體系；

2)室內(nèi)外空氣流動(dòng)的大渦模擬：美國MIT、日本東京大學(xué)，研究大渦模擬這一高級(jí)湍流數(shù)值模擬技術(shù)在室內(nèi)外空氣流動(dòng)模擬中的應(yīng)用，目前已經(jīng)開始嘗試用于建筑小區(qū)和自然通風(fēng)模擬等；

(3)室內(nèi)空氣流動(dòng)模擬和建筑能耗的耦合模擬：美國MIT，通過將簡(jiǎn)化的CFD模擬方法和建筑能耗計(jì)算耦合對(duì)建筑環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)；

CFD仿真模擬應(yīng)用研究

(1)自然通風(fēng)的數(shù)值模擬：美國MIT、香港大學(xué)等，主要借助大渦模擬工具研究自然通風(fēng)問題；

(2)置換通風(fēng)的數(shù)值模擬：美國MIT、丹麥Aalborg大學(xué)、中國清華大學(xué)等，如地板置換通風(fēng)、座椅送風(fēng)等；

(3)高大空間的數(shù)值模擬：中國清華大學(xué)等，以體育場(chǎng)館為主的高大空間的氣流組織設(shè)計(jì)及其與空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的關(guān)系研究；

(4)VOC散發(fā)的數(shù)值模擬：美國MIT等，借助CFD研究室內(nèi)有機(jī)散發(fā)污染物在室內(nèi)的分布，研究室內(nèi)IAQ問題；

(5)潔凈室的數(shù)值模擬：中國清華大學(xué)等；對(duì)型式比較固定的潔凈室空調(diào)氣流組織形式進(jìn)行數(shù)值模擬，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)；2100433B

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值算法的不斷發(fā)展，通過數(shù)值模擬手段研究礦物分選過程逐漸成為礦物加工領(lǐng)域的重要研究方向。本研究應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和離散元（DEM）耦合的數(shù)值模擬方法，從微觀角度對(duì)顆粒在螺旋溜槽中的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行模擬研究，探討其在螺旋溜槽分選空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其影響因素，建立螺旋溜槽分選數(shù)值模型，并通過顆粒分離試驗(yàn)結(jié)果對(duì)分選數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上借助于數(shù)值模擬二次開發(fā)對(duì)模擬過程及分選數(shù)值模型進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高模擬研究的可靠性和精確度。本研究旨在推進(jìn)礦物分選從以常規(guī)條件試驗(yàn)研究為主向以數(shù)值試驗(yàn)研究為主甚至虛擬現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)變，改變某些變量對(duì)分選過程的影響僅限于定性分析的狀況，為對(duì)其進(jìn)行定量描述創(chuàng)造條件。研究將圍繞螺旋溜槽流場(chǎng)數(shù)值模擬、顆粒運(yùn)動(dòng)行為數(shù)值模擬及分選數(shù)值模型的驗(yàn)證與優(yōu)化逐步展開，著重探討不同變量對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)行為的協(xié)同作用，為更好地發(fā)揮復(fù)合力場(chǎng)分選的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)奠定基礎(chǔ)。

全書分九章，重點(diǎn)介紹地理信息系統(tǒng)的組成、功能及其發(fā)展與現(xiàn)狀，實(shí)用地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特征、數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)質(zhì)量，地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和方法，國內(nèi)外常見的GIS軟件及其使用方法，GIS在生態(tài)控制中的應(yīng)用和開發(fā)，基于GIS的水污染控制、管理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，GIS在大氣污染控制中的應(yīng)用，GIS在其他環(huán)境控制中的應(yīng)用，環(huán)境虛擬及模型建立對(duì)各種環(huán)境的主要影響因素。"sup--normal" data-sup="1" data-ctrmap=":1,"> [1]

本書是大學(xué)高年級(jí)本科生和研究生的學(xué)習(xí)用書，也可供從事環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程方面的科技工作者、信息資源開發(fā)等領(lǐng)域的技術(shù)人員參考。