大气微环境多尺度耦合模拟界面湍流条件研究

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1、大气微环境多尺度耦合模拟界面湍流条件研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：航天航空学院学科：力学研究生：李海锋指导教师：崔桂香教授二○一七年十月AstudyontheInflowTurbulenceinSimulationofMicroscaleAtmosphericEnvironmentbyMulti-ScaleCouplingMethodDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhiloso

2、phyInMechanicsByLiHaifengDissertationSupervisor:ProfessorCuiGuixiangOctober,2017摘要摘要城市大气微环境的精细研究对于改进城市冠层模式、快速预测模型以及城市环境评估等具有重要意义。多尺度耦合模拟方法采用中尺度大气模式为微尺度精细模拟提供边界条件，是一种颇具潜力的数值模拟方法，其难点之一是多尺度耦合界面的小尺度脉动补充方法。以此为目标，本文的主要研究工作和成果如下：（1）研究了大粗糙元边界层内外区湍流的特性，验证了外区湍流场具有外尺度相似关系，而内区湍流场与建筑物等地面设施的几何形状

3、及分布密切相关；（2）采用理论分析与数值模拟相结合的方法研究了大粗糙元边界层入流湍流对下游湍流场的影响。研究发现大粗糙元边界层中与地表距离越远的空间位置上，入流湍流的流向影响范围越大。进一步分析入流内区、外区湍流对下游湍流场演化的影响发现：内区的湍流生成演化较快，因而入流的内区湍流主导下游近场，外区湍流演化较慢，可在远场区域通过扩散和对流的方式影响内区湍流场；（3）提出了内外区组合湍流脉动生成的新方法。外区入流湍流由预计算的脉动场通过外尺度相似关系变换得到。内区入流预计算的下垫面参数、外流速度与目标问题一致。内外区分别产生的湍流脉动加权平均得到入流界面上的湍

4、流。通过模型建筑群算例对该方法进行了考核验证，发现内外区过渡段的中心高度应取在粗糙子层内。与现有人工合成湍流脉动生成方法比较结果表明，本文方法生成的脉动场可以更快地发展充分；（4）将内外区组合脉动生成新方法用于补充城市大气微环境多尺度耦合界面上的小尺度脉动，以检验其有效性。算例为实际城市小区的大气流动和点源扩散，算例模拟采用中尺度大气模式WRF（WheatherResearch&Forecasting）耦合微尺度大涡模拟方法。数值结果与场地观测数据一致，新方法可提高对冠层内风向、脉动场、污染物羽流形态、污染物浓度最大值和均方根的预测能力。这表明新的耦合方法是

5、模拟城市冠层内（或大粗糙元附近）局部流动和标量扩散的有效方法。关键词：城市大气环境；多尺度耦合；大涡模拟；界面湍流条件IAbstractAbstractThestudyofmicroscaleatmosphericenvironmentinurbanareasissignificantfordevelopingurban-canopymodels,fast-responsemodelsandevaluationofurbanenvironment,etc.Itispromisingtosimulatemicroscaleflowanddispersionby

6、couplingmicroscalemodelswithmesoscalemodels,ofwhichoneofthechallengesistoaddsmall-scaleturbulenceatthecouplinginterface.Tosolvethisproblem,theprincipalworkandmainfindingsinthepresentworkaresummarizedasfollows:(1)Thecharacteristicsofinner-andouter-layerturbulenceinboundarylayerswith

7、largeroughnessareinvestigated.Resultsshowthatturbulenceintheouterlayerfollowstheouter-layer-similaritylawwhileturbulenceintheinnerlayerisstronglyinfluencedbythesizesandconfigurationsoftheroughness.(2)Theoreticalanalysisandnumericalsimulationsareconductedtoinvestigatetheinfluenceofi

8、nflowturbulenceontheturbul