VirtualFlow | 大气污染物扩散数值模拟

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城市的空气质量与人们生活密切相关，工厂或其它污染源排放的污染物随大气扩散从而对周边的环境产生影响，甚至影响人体健康。

随着计算机技术和性能的不断提高，计算流体力学CFD可应用于空气污染扩散模拟和空气质量评估，是环境管理部门进行大气污染控制和管理的有效手段之一，可以根据污染物扩散过程中的浓度分布，结合环境控制要求，对污染物排放提出具体的指标参数，以确保环境安全。

本案例采用VirtualFlow模拟城市中工业烟囱产生的污染物在当地风向和风速等气象条件下的扩散过程，从而评估污染物排放对环境的影响，优化排放口位置及工厂选址。

工业烟囱位置及周围环境如图1所示。

图1 工业烟囱位置及周围环境

几何建模与网格生成

建筑风场计算模拟通常面临着复杂网格生成，甚至有时候要花费很多时间来划分网格。VirtualFlow采用浸入界面技术结合分块网格优化（IST/BMR），导入几何文件后可自动生成边界层网格，如图2所示。

导入CAD文件

自动网格加密

图2 使用IST/BMR对建筑物进行网格划分

湍流模型采用标准RANSk-ε模型，针对建筑群进行流场模拟。

模拟结果如图3所示，可以看到BMR中各个子块之间的流场预测良好，表明该方法可以很好地处理剪应力。

建筑群模拟结果

局部模拟结果

图3 建筑物数值模拟结果（采用IST/BMR）

数值计算

利用气象数据（包括风速、热流密度等），分时间段求解流场，时间步长为1小时，从而达到瞬态求解的效果。

计算域如下：

Xmin=-505m，Xmax=680m

Ymin=-308m，Ymax=1260m

高度方向Zmax=500m，包含了边界层。

采用IST技术将建筑物映射成笛卡尔网格，网格数量为129×129×49，根据风向自动调整网格，表面粗糙度按照Lakehal修正壁面函数进行处理。采用气象数据创建入流初始边界条件，采用k-ε模型模拟稳态下每小时的风况，存储为稳态流场，最后读取所有这些结果得到瞬态分析的结果。

仿真结果

图4所示结果为三天模拟期内污染物在某时刻的扩散情况。通过模拟得到的概率密度函数图可以得到污染物最主要的流动方向。

图4 科技园周围的空气污染物扩散

图5 科技园周围的空气污染物扩散（3D）

图6 风速

该模拟结果可以作为市政建设（如：学校，医院等）选址参考，还可以利用其分析结果制定事故应急预案。

来源：多相流在线

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首次发布时间：2023-06-23