数值模拟

数值模拟：让空气质量报告更精细

像天气预报一样，各种媒体每天都会向公众发布其所在城市的空气质量状况。不过，这种空气质量报告的内容一般都是整个城市或者某个城区的空气质量状况。那么，空气质量报告有没有可能更精细一些，甚至细到自己居住的小区的空气质量情况究竟怎样呢？

清华大学教授崔桂香和澳门大学教授王志石等人的研究工作为实现这样的愿望提供了一个可行途径。崔桂香等通过使用一种被称为大涡模拟的现代湍流数值方法，对居民区的空气质量进行研究，发现通过数值计算得到的风场、污染物浓度等数据与模型小区及居民生活小区的实测数据都较为符合。这项研究得到了国家自然科学基金的资助，相关成果发表在《中国科学G辑：物理学、天文学》2008年第六期上。 良好的空气质量是舒适人居环境的主要条件之一。随着城市化和人民生活水平的提高，城市居民区的空气质量问题愈来愈受到重视。但是传统的经验预测或工程估计方法，已经难以满足公众了解自己生活环境的迫切要求。

崔桂香认为，在计算机性能迅速改善的今天，用计算流体力学的新方法研究大气环境成为了经济有效的手段。

“不过，作为城市大气环境的子系统，城市居民小区的大气环境空间范围较小，属于微尺度气象问题，而居民小区大气环境处在大气边界层内空气的流动是不规则的湍流运动。因此，居民小区大气环境的数值预测属于非定常复杂湍流的数值计算。”崔桂香说：“这就决定了必须选择合适的数值模拟方法。” 这里还涉及到大气边界层和湍流两个概念。大气边界层是指，靠近地球表面、受地面各种粗糙物体，如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等产生的摩擦阻力影响的大气层区域。而湍流是流体的一种流动状态。通俗地说，当流体运动速度很低时，会出现分层流动、互不混合的现象，被称为层流；当流速增加到一定程度时，流体的流线不再清楚可辨，流场中会出现许多小漩涡，这就是湍流。

据崔桂香介绍，目前主要有3种湍流数值模拟方法：第一种被称为直接数值模拟法，它是分辨所有尺度湍涡的数值模拟，但是目前计算机水平不足以分辨复杂湍流中所有尺度的湍流漩涡。第二种被称为雷诺统计平均法，它只能提供平均量，不能提供脉动量,难以准确地提供大气运动的演化过程。崔桂香研究组采用的是第三种方法，它的基本思想是将湍流运动中的小尺度脉动过滤掉，将小尺度脉动对大尺度(大涡)的作用建立模型，被称为湍流大涡模拟方法。

崔桂香指出，要实现大气微环境的准确大涡模拟预测，还需要在空气流动的物理机制和湍流模拟方法两方面进行深入研究。因为城市居民小区的大气环境空间范围较小，还需要较准确地分辨建筑物等几何边界，才能准确预测风场和污染物浓度分布。此外，由于居民小区的大气环境是大气边界层内的流动现象，数值预测与中尺度大气预测有不同的特点，随机扰动与地面几何结构都可能对微环境流动产生较大影响，必须尽可能精细地考察区域内流动与物理量变化。

为了验证所用物理模型和数值方法的准确性。崔桂香研究组在有现场监测和风洞实验数据的简单模型小区进行了微环境风场和浓度场的数值模拟，得到了数值模拟的结果和风洞实验数据符合的满意结果。在此基础上，他们成功地对葡萄牙首都里斯本市一个典型的居民小区的风场和污染物扩散情况进行了数值模拟，计算结果与实际监测数据也具有较好的一致性。

“因此，我们可以得出结论，采用精细的湍流模型和现代计算流体力学方法可以有效地预测居民区的大气微环境流动与污染物扩散。”崔桂香认为，他们的成果不仅可以为新居民小区的规划、建设提供科学依据，还可以为旧小区的改造翻新提出科学建议，从而实现为提高人居环境的舒适性、安全性提供服务。 崔桂香指出，虽然他们的研究已经表明大涡模拟是预测大气微环境方面很有发展前景的数值方法和研究大气环境等复杂湍流的有效途径，但还需要进一步结合实验室和现场测试发展、完善大涡数值模拟方法，以更深入地揭示和更精确地预测大气微环境的物理过程。“我们已经在《中国科学G辑》发表了小区空气污染扩散的数值模拟，并将在《自然科学进展》发表澳门荷兰园小区交通污染的数值模拟结果。还将进一步研究可吸入颗粒物等其他污染物在更加复杂气象环境中的扩散预测。我们希望能够早日将更加完善的大涡数值模拟方法应用于北京的居民小区大气环境数值预测。”崔桂香说。

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