數(shù)值模擬

1、數(shù)值模擬：讓空氣質(zhì)量報告更精細像天氣預(yù)報一樣，各種媒體每天都會向公眾發(fā)布其所在城市的空氣質(zhì)量狀況。不過，這種空氣質(zhì)量報告的內(nèi)容一般都是整個城市或者某個城區(qū)的空氣質(zhì)量狀況。那么，空氣質(zhì)量報告有沒有可能更精細一些，甚至細到自己居住的小區(qū)的空氣質(zhì)量情況究竟怎樣呢？清華大學(xué)教授崔桂香和澳門大學(xué)教授王志石等人的研究工作為實現(xiàn)這樣的愿望提供了一個可行途徑。崔桂香等通過使用一種被稱為大渦模擬的現(xiàn)代湍流數(shù)值方法，對居民區(qū)的空氣質(zhì)量進行研究，發(fā)現(xiàn)通過數(shù)值

2、計算得到的風(fēng)場、污染物濃度等數(shù)據(jù)與模型小區(qū)及居民生活小區(qū)的實測數(shù)據(jù)都較為符合。這項研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助，相關(guān)成果發(fā)表在《中國科學(xué)G輯：物理學(xué)、天文學(xué)》2008年第六期上。良好的空氣質(zhì)量是舒適人居環(huán)境的主要條件之一。隨著城市化和人民生活水平的提高，城市居民區(qū)的空氣質(zhì)量問題愈來愈受到重視。但是傳統(tǒng)的經(jīng)驗預(yù)測或工程估計方法，已經(jīng)難以滿足公眾了解自己生活環(huán)境的迫切要求。崔桂香認為，在計算機性能迅速改善的今天，用計算流體力學(xué)的新方法研

3、究大氣環(huán)境成為了經(jīng)濟有效的手段。“不過，作為城市大氣環(huán)境的子系統(tǒng)，城市居民小區(qū)的大氣環(huán)境空間范圍較小，屬于微尺度氣象問題，而居民小區(qū)大氣環(huán)境處在大氣邊界層內(nèi)空氣的流動是不規(guī)則的湍流運動。因此，居民小區(qū)大氣環(huán)境的數(shù)值預(yù)測屬于非定常復(fù)雜湍流的數(shù)值計算?！贝薰鹣阏f：“這就決定了必須選擇合適的數(shù)值模擬方法。”這里還涉及到大氣邊界層和湍流兩個概念。大氣邊界層是指，靠近地球表面、受地面各種粗糙物體，如草、沙粒、莊稼、樹木、房屋等產(chǎn)生的摩擦阻力影響的

4、大氣層區(qū)域。而湍流是流體的一種流動狀態(tài)。通俗地說，當(dāng)流體運動速度很低時，會出現(xiàn)分層流動、互不混合的現(xiàn)象，被稱為層流；當(dāng)流速增加到一定程度時，流體的流線不再清楚可辨，流場中會出現(xiàn)許多小漩渦，這就是湍流。據(jù)崔桂香介紹，目前主要有3種湍流數(shù)值模擬方法：第一種被稱為直接數(shù)值模擬法，它是分辨所有尺度湍渦的數(shù)值模擬，但是目前計算機水平不足以分辨復(fù)雜湍流中所有尺度的湍流漩渦。第二種被稱為雷諾統(tǒng)計平均法，它只能提供平均量，不能提供脈動量難以準確地提供大

5、氣運動的演化過程。崔桂香研究組采用的是第三種方法，它的基本思想是將湍流運動中的小尺度脈動過濾掉，將小尺度脈動對大尺度(大渦)的作用建立模型，被稱為湍流大渦模擬方法。崔桂香指出，要實現(xiàn)大氣微環(huán)境的準確大渦模擬預(yù)測，還需要在空氣流動的物理機制和湍流模擬方法兩方面進行深入研究。因為城市居民小區(qū)的大氣環(huán)境空間范圍較小，還需要較準確地分辨建筑物等幾何邊界，才能準確預(yù)測風(fēng)場和污染物濃度分布。此外，由于居民小區(qū)的大氣環(huán)境是大氣邊界層內(nèi)的流動現(xiàn)象，數(shù)值

6、預(yù)測與中尺度大氣預(yù)測有不同的特點，隨機擾動與地面幾何結(jié)構(gòu)都可能對微環(huán)境流動產(chǎn)生較大影響，必須盡可能精細地考察區(qū)域內(nèi)流動與物理量變化。為了驗證所用物理模型和數(shù)值方法的準確性。崔桂香研究組在有現(xiàn)場監(jiān)測和風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)的簡單模型小區(qū)進行了微環(huán)境風(fēng)場和濃度場的數(shù)值模擬，得到了數(shù)值模擬的結(jié)果和風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)符合的滿意結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，他們成功地對葡萄牙首都里斯本市一個典型的居民小區(qū)的風(fēng)場和污染物擴散情況進行了數(shù)值模擬，計算結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)也具有較好

7、的一致性?！耙虼?，我們可以得出結(jié)論，采用精細的湍流模型和現(xiàn)代計算流體力學(xué)方法可以有效地預(yù)測居民區(qū)的大氣微環(huán)境流動與污染物擴散?！贝薰鹣阏J為，他們的成果不僅可以為新居民小區(qū)的規(guī)劃、建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，還可以為舊小區(qū)的改造翻新提出科學(xué)建議，從而實現(xiàn)為提高人居環(huán)境的舒適性、安全性提供服務(wù)。崔桂香指出，雖然他們的研究已經(jīng)表明大渦模擬是預(yù)測大氣微環(huán)境方面很有發(fā)展前景的數(shù)值方法和研究大氣環(huán)境等復(fù)雜湍流的有效途徑，但還需要進一步結(jié)合實驗室和現(xiàn)場測試發(fā)展