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《东华大学》 2017年
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降雨和沉积效应对城市气溶胶的清除特性研究

华凤皎  
【摘要】:大气颗粒物排放和霾污染已引起严重的城市环境问题。这不仅导致大气能见度下降、人员暴露水平增加,而且气溶胶沉积在城市建筑物表面会影响墙体的热工结构性能及附近的空气质量。降雨湿清除和干沉积是城市大气中气溶胶粒子自然清除的两种主要途径,由于城市中密集的建筑物和构筑物使得城市边界层中的气流运动与乡村地区不同,城市大气中的湍流运动效应使得已有的用于湿清除和干沉积的理论估计方法在城市气溶胶自然清除中不完全适用。本文采用理论分析和数值模拟的方法,结合城市气流运动特征,研究了降雨湿清除和干沉积过程中城市大气气溶胶的扩散和清除过程,主要针对层流条件下湿清除过程的理论估计和城市大气湍流作用对湿清除过程的影响进行了研究,并以霾污染和机动车交通污染为背景研究了城市气溶胶粒子的干沉积特征。为了研究城市大气湍流对气溶胶湿清除的影响,首先需要对层流条件下以终端速度下落的雨滴对气溶胶粒子的清除进行理论分析。以往关于雨滴对粒子捕集效率的研究中给出的理论捕集效率与实验结果相差较大,为准确得到云下雨洗过程中雨滴对非惯性粒子(即亚微米气溶胶)的捕集效率,本文采用薄浓度边界层假设和速度边界层展开法求解了描写细粒子输送的对流扩散方程。结果表明,以终端速度下落的小雨滴和大雨滴周围的流场可分别用Hadamard-Rybczynski流和势流来近似,并证明了求解捕集效率理论结果时,边界层展开法可用来有效地简化雨滴浓度边界层内的速度廓线。本文通过求解粒子对流扩散方程得到了以终端速度下落的雨滴表面气溶胶的扩散沉积结果,从而证明了以往粘性流结果的缺陷,指出两种流型条件下Sh数均与R_pPe~(1/2)成正比,即大小雨滴对亚微米气溶胶粒子的扩散捕集效率均近似与Pe~(-1/2)成正比。比较本文新关系式与实验数据和以往研究理论结果,认为雨滴对亚微米气溶胶粒子的拦截捕集效应可以忽略,对亚微米气溶胶的捕集效率可以简单地用E=3.34Pe~(-1/2)来估计。城市下垫面表现为有粗糙度,从而导致城市气流流场中湍流强度的变化。因此,自层流模型得到的理论计算方法对城市气溶胶湿清除效果的估计会产生较大误差,而湍流效应对湿清除效果的具体影响无法通过解析求解的方法获得,故本文采用CFD数值模拟的方法分析了背景湍流效应对降雨清洗过程中粒子轨迹的干扰和畸变。研究结果显示,利用数值模拟得到的层流条件下惯性粒子的捕集效率与经典实验数据有很好的一致性。对背景流场附加湍流强度后,气流速度的随机变化将对气溶胶粒子的捕集产生影响。受局地脉动气流的影响,粒子在湍流场中运动的随机性增加,因而增加了被捕集的概率。湍流状态下雨滴对粒子的捕集效果与层流完全不同,原有的层流状态下粒子捕集效率的计算式也不再适用。为此,本文引入了捕集概率的概念,并重新定义了适用于湍流状态下的捕集效率计算式。计算结果表明,所有粒径粒子的捕集概率分布特征都会受到背景湍流的影响,但捕集效率受到湍流强度明显影响的粒径范围限于5.0mm以下的粒子,且随着湍流强度的增大捕集效率不断提高。结果还表明,影响气溶胶粒子湍流捕集效率的因素有雨滴直径、粒子直径和粒子密度,且粒子捕集效率均随着雨滴直径、粒子直径和密度的减小而增大。除了湿清除过程,干沉积也是城市气溶胶的主要清除途径之一。建筑密度和高度的增加使得城市建筑物拥有巨大的总表面积,为气溶胶粒子的干沉积提供了必要条件。本文在霾污染期间气溶胶粒子浓度均匀分布的条件下,分别研究了城市单体建筑和建筑群外表面上气溶胶粒子的沉积分布特征。模拟结果表明,建筑体型对周围流场的影响主要是通过迎风面宽度来体现的,建筑迎风面宽度对流场的影响作用大于建筑高度的影响。随着建筑物迎风面宽度的增大,迎风面上粒子沉积速度和沉积通量均呈下降趋势,而背风面上的沉积速度和沉积通量规律则相反。此外,还考察了参考风速对粒子沉积特征的影响。随着参考风速的增大,粒子沉积速度不断增加,气流对粒子污染物的扩散稀释作用显著增强,粒子浓度和建筑表面上的粒子沉积通量均随之减小。并且,由于参考风速越大,相同粒径的粒子受到的惯性作用越强,故惯性捕集机理与粒子的扩散机理综合作用导致最小沉积通量对应的粒径减小。建筑群布局形式和建筑密度决定了建筑群内的气流流动形态,进而对粒子在建筑表面上的沉积特征产生影响。研究结果表明,无论行列式布局还是错列式布局建筑群,建筑迎风面附近粒子的沉积速度要大于侧面附近的沉积速度,而背风面附近的最小。通过对比不同布局和密度建筑群的粒子沉积情况发现,行列式布局时,建筑密度越小,建筑表面的沉积通量越大,而错列式布局时变化趋势相反。城市机动车尾气中的颗粒物也是城市气溶胶的主要贡献者,为全面了解城市机动车排放源非均匀浓度场中,街谷几何结构对临街建筑表面粒子沉积特性的影响,模拟讨论了5种街谷高宽比和2种布局形式对街谷内流场和污染物浓度场的影响。结果表明,行列式布局中颗粒物的浓度随着街谷高宽比的增加逐渐增大,而错列式布局中浓度在高宽比H/W为2.0时出现最大值,并且当H/W超过1.0时,前者的平均浓度高于后者。故在城市建筑规划中,当街谷H/W不超过1.0时,错列式和行列式建筑布局均可;当H/W1.0时,宜采用错列式布局且应当避开浓度最不利街谷H/W=2.0。两种街谷临街建筑表面沉积通量都呈现下高上低的分布规律,但行列式和错列式街谷建筑背风面上的平均沉积通量均随着街谷高宽比的增加而增大,行列式街谷迎风面上的沉积通量在高宽比为3.0时出现最大值,而错列式街谷迎风面上沉积通量则很小,几乎可以忽略不计。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X513

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