數(shù)值模擬

1、數(shù)值模擬：讓空氣質(zhì)量報(bào)告更精細(xì)像天氣預(yù)報(bào)一樣，各種媒體每天都會(huì)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(bào)告的內(nèi)容一般都是整個(gè)城市或者某個(gè)城區(qū)的空氣質(zhì)量狀況。那么，空氣質(zhì)量報(bào)告有沒有可能更精細(xì)一些，甚至細(xì)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(shí)現(xiàn)這樣的愿望提供了一個(gè)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(duì)居民區(qū)的空氣質(zhì)量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過數(shù)值

2、計(jì)算得到的風(fēng)場(chǎng)、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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都較為符合。這項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，相關(guān)成果發(fā)表在《中國(guó)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(yàn)預(yù)測(cè)或工程估計(jì)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(rèn)為，在計(jì)算機(jī)性能迅速改善的今天，用計(jì)算流體力學(xué)的新方法研

3、究大氣環(huán)境成為了經(jīng)濟(jì)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(dòng)是不規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)。因此，居民小區(qū)大氣環(huán)境的數(shù)值預(yù)測(cè)屬于非定常復(fù)雜湍流的數(shù)值計(jì)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(gè)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(dòng)狀態(tài)。通俗地說，當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)速度很低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)分層流動(dòng)、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(shí)，流體的流線不再清楚可辨，流場(chǎng)中會(huì)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(jì)算機(jī)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(jì)平均法，它只能提供平均量，不能提供脈動(dòng)量難以準(zhǔn)確地提供大

5、氣運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)中的小尺度脈動(dòng)過濾掉，將小尺度脈動(dòng)對(duì)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(shí)現(xiàn)大氣微環(huán)境的準(zhǔn)確大渦模擬預(yù)測(cè)，還需要在空氣流動(dòng)的物理機(jī)制和湍流模擬方法兩方面進(jìn)行深入研究。因?yàn)槌鞘芯用裥^(qū)的大氣環(huán)境空間范圍較小，還需要較準(zhǔn)確地分辨建筑物等幾何邊界，才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)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(dòng)現(xiàn)象，數(shù)值

6、預(yù)測(cè)與中尺度大氣預(yù)測(cè)有不同的特點(diǎn)，隨機(jī)擾動(dòng)與地面幾何結(jié)構(gòu)都可能對(duì)微環(huán)境流動(dòng)產(chǎn)生較大影響，必須盡可能精細(xì)地考察區(qū)域內(nèi)流動(dòng)與物理量變化。為了驗(yàn)證所用物理模型和數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。崔桂香研究組在有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單模型小區(qū)進(jìn)行了微環(huán)境風(fēng)場(chǎng)和濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬，得到了數(shù)值模擬的結(jié)果和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的滿意結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，他們成功地對(duì)葡萄牙首都里斯本市一個(gè)典型的居民小區(qū)的風(fēng)場(chǎng)和污染物擴(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)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(xì)的湍流模型和現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)方法可以有效地預(yù)測(cè)居民區(qū)的大氣微環(huán)境流動(dòng)與污染物擴(kuò)散。”崔桂香認(rèn)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(shí)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(cè)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(jìn)一步結(jié)合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)展