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大氣風(fēng)場及污染物擴散的數(shù)學(xué)模型研究.pdf 全文免費在線閱讀

發(fā)布時間:2016-11-20 10:57

  本文關(guān)鍵詞:大氣風(fēng)場及污染物擴散的數(shù)學(xué)模型研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。


網(wǎng)友yuzonghong1近日為您收集整理了關(guān)于大氣風(fēng)場及污染物擴散的數(shù)學(xué)模型研究的文檔,希望對您的工作和學(xué)習(xí)有所幫助。以下是文檔介紹:文章編號: 1004- 9762( 2002) 04- 0376- 04大氣風(fēng)場及污染物擴散的數(shù)學(xué)模型研究劉長威1, 陳義勝2, 胡銀枝2( 1 包頭鋼鐵學(xué)院科研處, 內(nèi)蒙古包頭 014010; 2 包頭鋼鐵學(xué)院冶金工程研究所, 內(nèi)蒙古包頭 014010)關(guān)鍵詞: 大氣風(fēng)場; 污染物擴散; 數(shù)學(xué)模型中圖分類號: X132 文獻標(biāo)識碼: A摘要: 在湍流模型的基礎(chǔ)上建立了大氣風(fēng)場數(shù)學(xué)模型和與之耦合的污染物擴散數(shù)學(xué)模型模擬給出了一個開放空間內(nèi)風(fēng)遇地面建筑物的繞流過程, 以及由建筑物中排放出的污染物在空氣中的擴散過程The mathematical model study of polluting fountaindiffusion concentration in air pollutionLIU Chang wei1, CHEN Yi sheng2,HU Yin zhi2( 1. Department of Scientific Research, UIST Baotou, Baotou 014010, China; 2. Institute of Metallurgical Engineering, UIST Baotou, Baotou014010, China)Key words: flow field; polluting fountain diffusion; mathematical modelAbstract: Based on the turbulent mathematical model, themodels of air flow field and polluting diffusion were built. Processes in the open spacewere simulated which included both the wind flow detour while passing through buildings on the ground and the diffusion of pollutants sent outfrom the buildings into the air.分析和預(yù)報污染物在大氣中的擴散過程必須要考慮大氣自身的運動特點, 只有掌握了大氣的運動規(guī)律才能很好地研究污染物擴散以及污染源對周邊環(huán)境的影響目前, 國內(nèi)外多數(shù)學(xué)者普遍采用傳統(tǒng)的高斯模式來研究污染物在大氣中的擴散問題, 而高斯模式是基于對大氣流動、下墊面條件和污染物擴散等幾點假設(shè)的前提下建立的, 因而, 在應(yīng)用過程中存在一定的局限性[ 1~ 3]隨著計算技術(shù)的飛速發(fā)展, 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型, 通過計算機模擬來分析大氣污染的過程已成為研究大氣污染的最有效手段之一[ 1, 4]1 大氣湍流流動過程的數(shù)學(xué)描述對于近地面局部區(qū)域的大氣運動規(guī)律應(yīng)該具備這樣的特點: ( 1) 地面是風(fēng)場的固體邊界, 具有湍流流動固體邊界的作用[ 5]; ( 2) 地面上的建筑物對風(fēng)場有擾動作用, 擾動作用的大小取決于建筑物高度和迎風(fēng)面積; ( 3) 大氣層結(jié)造成的空氣上下對流作用對近地面風(fēng)場影響相對于主風(fēng)向風(fēng)力影響可以忽略;( 4) 在選取相對建筑物足夠大的范圍研究近地風(fēng)場時, 可以近似認為風(fēng)沿主風(fēng)向平行流動1 1 風(fēng)場數(shù)學(xué)模型1 1 1 基本假設(shè)基于以上對近地風(fēng)場特點的分析, 在模型建立中提出如下幾點假設(shè):( 1) 在研究區(qū)域內(nèi), 上部自由界面沒有物質(zhì)交換;( 2) 在選取的足夠大的研究區(qū)域內(nèi), 沿主風(fēng)向的2 個側(cè)面近似為對稱面1 1 2 數(shù)學(xué)模型連續(xù)性方程:xj( uj ) = 0; (1)動量方程:2002 年 12 月第 21 卷第 04 期包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報Journal of Baotou University of Iron and Steel TechnologyDecember, 2002Vol.21,No.4收稿日期:2002- 10- 03作者簡介:劉長威( 1964- ) , 男, 內(nèi)蒙古呼和浩特人, 包頭鋼鐵學(xué)院副研究員xj( uiuj ) = -pxi+xj[ eff(uixj+ujxi)] + gi ;(2)描述湍流運動的 k 雙方程模型:k 方程:xj( ujk) =xj(effkkxj) + G - ; (3)方程:xj( uj ) =xj(effxj)+ (C1G - C2 2)/ k, (4)其中, G = tuixj(uixj+ujxi)寫成統(tǒng)一的控制方程為:xj( uj ) =xj(effxj) + S . (5)1 1 3 邊界條件(1) 地面邊界用固體邊界來處理, 具體為 u = v= w = 0;(2) 研究區(qū)域 2 個側(cè)面用對稱邊界, 即ux= 0,wz= 0;(3) 主風(fēng)向上的2個邊界, 按入口和出口邊界處理;(4) 頂部按自由界面處理1 2 污染物擴散數(shù)學(xué)模型1 2 1 基本假設(shè)( 1) 從建筑物排放出的污染物可以近似為點源;( 2) 污染源排放出的污染物隨時間沒有變化;( 3) 污染源是孤立源1 2 2 數(shù)學(xué)模型污染物擴散控制方程:uiCxi= Dx2Cx2i+ Rx (6)1 2 3 邊界條件(1) 地面邊界按反射邊界處理, 即Cxi= 0;(2) 研究區(qū)域 2 個側(cè)面用對稱邊界, 即Cxi= 0;(3) 主流出入口邊界, 入口按 C = 0, 出口按出口邊界計算;(4) 頂部按自由界面處理2 模擬研究方法選取長 8 km, 寬4 km, 高800 m 的 1 個包圍孤立污染源的區(qū)域進行模擬研究建筑物高 60 m, 寬400 m, 長500 m, 處于研究區(qū)域的上風(fēng)向平均風(fēng)速2 5 m/ s 建立 1 個直角坐標(biāo)系, 把研究區(qū)域劃分成微元體, 進行數(shù)值模擬對以上微分方程進行差分處理, 轉(zhuǎn)化成微元體上的代數(shù)方程, 然后編制成計算機程序進行迭代求解, 得到數(shù)值解3 模擬結(jié)果與討論3 1 大氣風(fēng)場模擬結(jié)果分析如圖1, 2 所示的模擬結(jié)果可以得出, 建筑物前方氣流均勻穩(wěn)定地進入模擬區(qū)域, 遇到建筑物后, 氣流無論是速度還是方向都發(fā)生了很大變化在建筑物下風(fēng)向后氣流紊亂, 速度減小, 形成 1 個擴散型擾動尾翼, 尾翼呈擴展趨勢, 向水平的 2 個側(cè)面和高空擴展, 但影響強度在不斷地減弱離開建筑物越遠, 氣流擾動逐漸消除, 氣流有逐漸恢復(fù)到進入模擬區(qū)以前的流動狀態(tài)的趨勢圖 1 建筑物上方大氣流場圖Fig. 1 Flow field upper building377劉長威等: 大氣風(fēng)場及污染物擴散的數(shù)學(xué)模型研究圖 2 近地面風(fēng)場Fig. 2 Flow field near ground3 2 污染物在運動大氣中擴散模擬結(jié)果分析如圖 3~ 5 所示的模擬結(jié)果可以得出, 在本模擬條件下, 由于有較強的單向風(fēng)作用, 污染物的污染區(qū)域僅僅在建筑物( 污染源) 的下風(fēng)向形成靠近污染源的地方, 污染物集中, 擴散程度很小; 越遠離污染源, 污染物擴散程度和范圍越大, 且污染區(qū)域沿著風(fēng)的方向遠離污染源在本模擬研究過程中, 假設(shè)將 1 個污

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本文編號:183362

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