耦合GIS與CFD模型的城市街區(qū)環(huán)境毒氣擴散模擬研究中文摘要

有毒有害物質的意外泄漏大多形成低而平的毒氣云團，沿地面拓展延伸，對居民生命財產安全和城市生態(tài)環(huán)境構成嚴重威脅。本研究以城市街區(qū)環(huán)境下毒氣擴散過程的精細化建模、模擬為目標，綜合考慮城市建筑物下墊面和風速、風向等氣象環(huán)境參數對擴散過程的影響，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，自動生成計算網格，構造三維數據場，支持毒氣擴散數值模擬；基于大渦模擬的相關理論和方法，研究建立一個適用于城市街區(qū)環(huán)境的CFD擴散模型；通過GIS和CFD模型的耦合，支持模擬過程中有關參數的自動提取和賦值，實現模擬結果（流場、濃度場）的動態(tài)可視化，為事故危害評估、應急指揮決策以及城市防災規(guī)劃等提供理論依據。

城市地區(qū)有毒有害氣體的遷移擴散是個三維、動態(tài)的復雜環(huán)境過程，本課題圍繞街區(qū)建筑群環(huán)境中毒氣擴散過程的精細化建模、模擬開展理論和技術方法研究。著重分析了建筑物擾動和非穩(wěn)態(tài)氣象條件下近地面有毒有害氣體的擴散機理和過程；耦合GIS和計算流體力學模型（CFD Model），提出一個街區(qū)尺度毒氣擴散過程建模、模擬的技術框架模型；利用二維GIS數據、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網格實現近地面空間場的離散剖分，為擴散過程模擬提供必要的空間模型支撐；基于RANS方法建立擴散數學模型，實現模擬結果（流場、濃度場）的動態(tài)可視化，結合試驗區(qū)建筑物和人口分布數據，估算周邊人員的毒氣暴露水平。研究成果及方法可為環(huán)境事故危害評估、應急指揮決策等提供理論依據。 2100433B

CFD在暖通空調工程的應用始于1974年，國外在這方面發(fā)展較快，目前國內也有一些大學或科研機構在對此進行研究。就其研究方向而言，主要可分為兩方面：基礎研究和應用研究。目前，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家對CFD的基礎和應用研究都處于領先水平，我國的清華大學等也有較為獨特的研究方向。下面簡要介紹。

CFD仿真模擬基礎研究

目前CFD在暖通空調工程的應用基礎研究方面，主要有如下新動態(tài)：

(1)室內空氣流動的簡化模擬：美國MIT，從描述空調風口入流邊界條件的方法、湍流模型等方面進行研究，以對室內空氣流動進行簡化模擬；中國清華大學，研究空調風口入流邊界條件的新方法、湍流模型以及數值算法，建立室內空氣流動數值模擬的簡捷體系；

2)室內外空氣流動的大渦模擬：美國MIT、日本東京大學，研究大渦模擬這一高級湍流數值模擬技術在室內外空氣流動模擬中的應用，目前已經開始嘗試用于建筑小區(qū)和自然通風模擬等；

(3)室內空氣流動模擬和建筑能耗的耦合模擬：美國MIT，通過將簡化的CFD模擬方法和建筑能耗計算耦合對建筑環(huán)境進行設計；

CFD仿真模擬應用研究

(1)自然通風的數值模擬：美國MIT、香港大學等，主要借助大渦模擬工具研究自然通風問題；

(2)置換通風的數值模擬：美國MIT、丹麥Aalborg大學、中國清華大學等，如地板置換通風、座椅送風等；

(3)高大空間的數值模擬：中國清華大學等，以體育場館為主的高大空間的氣流組織設計及其與空調負荷計算的關系研究；

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

(5)潔凈室的數值模擬：中國清華大學等；對型式比較固定的潔凈室空調氣流組織形式進行數值模擬，指導工程設計；2100433B

隨著計算機技術和數值算法的不斷發(fā)展，通過數值模擬手段研究礦物分選過程逐漸成為礦物加工領域的重要研究方向。本研究應用計算流體力學（CFD）和離散元（DEM）耦合的數值模擬方法，從微觀角度對顆粒在螺旋溜槽中的運動行為進行模擬研究，探討其在螺旋溜槽分選空間的運動規(guī)律及其影響因素，建立螺旋溜槽分選數值模型，并通過顆粒分離試驗結果對分選數值模型進行驗證，在此基礎上借助于數值模擬二次開發(fā)對模擬過程及分選數值模型進行優(yōu)化控制，以提高模擬研究的可靠性和精確度。本研究旨在推進礦物分選從以常規(guī)條件試驗研究為主向以數值試驗研究為主甚至虛擬現實轉變，改變某些變量對分選過程的影響僅限于定性分析的狀況，為對其進行定量描述創(chuàng)造條件。研究將圍繞螺旋溜槽流場數值模擬、顆粒運動行為數值模擬及分選數值模型的驗證與優(yōu)化逐步展開，著重探討不同變量對顆粒運動行為的協同作用，為更好地發(fā)揮復合力場分選的獨特優(yōu)勢奠定基礎。

全書分九章，重點介紹地理信息系統的組成、功能及其發(fā)展與現狀，實用地理信息系統的數據特征、數據來源及數據質量，地理信息系統數據庫設計的主要內容和方法，國內外常見的GIS軟件及其使用方法，GIS在生態(tài)控制中的應用和開發(fā)，基于GIS的水污染控制、管理和監(jiān)測系統，GIS在大氣污染控制中的應用，GIS在其他環(huán)境控制中的應用，環(huán)境虛擬及模型建立對各種環(huán)境的主要影響因素。"sup--normal" data-sup="1" data-ctrmap=":1,"> [1]

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