| 我国目前仍然处于高速的城市化进程中，城市人口急剧增加，城区规模不断扩大，同时城市建筑的高大化、密集化导致城市人口的高密度化，能源与资源消费集中。随之而来的城市大气环境问题日益突出，严重影响了城市居住环境的舒适性以及城市居民的身心健康。深刻理解和解决城市大气环境问题是一项意义重大的研究课题。本文通过风洞实验与数值模拟相结合的研究方法，解决城市大气环境问题研究中的下垫面热力—阻力源参数化与时变来流风场的数值模拟问题。本文的研究成果主要包括： 1）利用变频直通式风洞实现了阵风时变来流的边界条件，采用恒温热线风速仪系统Streamline CTA测量时变来流驱动的下游风场。通过流向速度的湍流脉动值的能谱分析，发现阵风时变来流下，下游风场边界层存在两种大尺度的湍流结构，即非常大尺度的运动（Very Large-scale motions, VLSMs）和阵风尺度的运动（Gust scale motions, GSMs）。GSMs在稳定来流下不存在，只有来流呈现时变特征时，下游边界层才能检测到GSMs。GSMs的流向尺度和湍动能都远大于VLSMs，且GSMs的流向尺度随阵风时变来流的平均值和周期的增加而线性增大，GSMs的流向湍动能与统计测点距地面的距离以及阵风时变来流的平均值、振幅、周期相关。 2）利用变频直通式风洞实验系统，通过粒子图像测速系统PIV和恒温热线风速仪系统Streamline CTA对时变来流条件下的宏观风场特征进行了定性与定量研究。在水平阵风时变来流条件下，水平来流速度的变化会在下游风场诱发宏观垂向气流，且垂向气流与水平来流呈明显的负相关关系。在平均来流速度为10m s-1的时变来流条件下，垂向气流均方根值大约为来流水平速度平均值的1.7%，对边界层内物质和能量的垂直输运将起到着关键性的作用。对具有不同特征参数（来流风速平均值、振幅、周期）的水平时变来流研究表明，存在垂向气流，且与水平来流呈负相关关系；垂向气流均方根值随来流平均值和振幅的增大而线性增加，与来流周期之间没有确定关系。 3）基于OpenFOAM平台构建了适用于求解时变来流边界条件下非稳态流场的数值计算方法，即TimeVarying-SIMPLE Approach。该方法将时变来流边界条件下的非稳态问题转化为一系列具有稳定来流条件的中间过程，中间过程由外残差控制保证收敛，从而避免了PISO算法、PIMPLE算法计算时变来流问题时存在的误差增殖过程。将TimeVarying-SIMPLE Approach应用于时变来流边界条件下理想街谷和非均匀街谷模型的风场和污染物传输的数值模拟研究表明，水平时变来流会破坏下游街谷建筑物屋顶附近流场的强剪切层，并引起街谷内主涡涡心的上下浮动和主涡尺度的压缩或膨胀；时变来流驱动下街谷内污染物的移除效率明显高于稳定来流。时变来流边界条件和非均匀建筑布局都会在一定程度上增强街谷内的气流宏观湍流强度，并改善街谷内污染物的移除效率，但是二者的综合作用并不是二者单独作用的简单线性叠加。 4）基于城市大气运动驱动下城市冠层内大气运动的多尺度特征，城市下垫面热力-阻力源的参数化模型是解决城市冠层内多尺度大气运动高精度模拟的一种有效途径。本文在Belcher阻力源模型的基础上，通过数值分析回流面积以及有效粗糙密度，构建了建筑（群）的阻力源模型。对于建筑背风面回流面积的数值分析表明，建筑的流向长度对回流面积没有影响，建筑的展向宽度是回流面积的最主要影响因素；当建筑立面法线方向与来流不一致时，可通过等效宽度和衰减系数估算建筑的背风面回流面积；建筑的背风面水平回流面积在建筑高度方向上满足二次函数分布，最大值出现在z/H = 0.45附近；综合以上数值模拟结果，获得了建筑的背风面回流面积的拟合公式，再结合有效建筑容积率（粗糙密度）提出了本文的建筑（群）阻力源模型参数化方案。本文的阻力源模型改进了Belcher阻力源模型，特别考虑了平均阻力系数在建筑（群）垂直方向上的变化；对于单体建筑物、不同布局和建筑间距的等高建筑群、不等高建筑群的数值模拟结果表明，本文的阻力源模型参数化方案的数值模拟比Belcher阻力源模型的数值模拟更接近实体壁面模型的数值模拟结果。 最后，本文针对西安交大兴庆校区的局域尺度风环境，基于现场测量风环境和热环境数据，综合利用TimeVarying-SIMPLE Approach，以及建筑群热力-阻力源模型参数化、植被阻力热力源模型对风环境和热环境进行数值模拟研究，得到了较为合理的数值模拟结果，验证了本文时变来流数值模拟方法及下垫面热力-阻力源参数化的有效性。 |
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