山谷城市局地环流作用下混合层高度变化规律的实验研究

论文摘要

由于持续的城市化进程,越来越多的人口暴露于高温和空气污染中。城市通风是消除热量和空气污染的重要基础,近年来受到了人们的广泛关注。我国是一个多山的国家,大量城市由于经济或历史因素坐落于山谷之中,相对封闭的地形地貌使山谷城市内部长期处于静风状态,从而导致城市内部大气污染物难以扩散,此时整个城市区域大气污染物扩散的唯一能量来源就是其内部的局地热力环流。因此,理解并量化静风条件下热压作用所形成的局地环流特性,对山谷城市通风显得格外重要。在地形热力环流的研究中,研究学者多数采用实地测量和计算机数值模拟这两种研究方法,但是实地测量得到的数据较为片面,而计算机数值模拟则会受到网格精度、湍流模型等因素的影响,因此二者都有相当大的局限性。由于室内流体实验具有不受自然天气状况等试验条件的限制,操作方便、可重复性强、试验周期短,并易于再现或设置一定的试验条件等优点,而且通过室内流体实验控制实地测量得到的边界条件并验证数值模拟的结果,可以很好的再现实际地形局地热力环流流场特性。因此建立山谷城市局地热力环流室内流体实验平台有十分重要的意义。本文首先根据相似理论分析得到了缩尺实验模拟局地环流所需的相似性条件,在对实际山谷城市物理模型进行简化的基础上,设计搭建了模拟山谷城市局地环流的室内水槽实验平台。实际山谷城市大气经常处于稳定层结状态,稳定层结是指受扰大气在上升运动时逐渐减速并具有返回其平衡位置趋势,此时大气状态称为稳定层结状态,稳定层结对大气污染物的扩散极为不利。本文通过分析实际稳定大气层结的作用机理,在水槽内利用线性密度层结盐水模拟稳定大气层结,在“Oster双缸法”制备线性密度层结盐水的基础上进行了实验改进,通过数学建模确定了制备不同线性密度层结盐水时,实验系统中蠕动泵的流量控制方程。最后设计了三种不同的线性密度层结盐水,并采用实验验证了上述控制方程的可靠性,实验结果表明借助它能够很好的营造实验所需的线性密度层结盐水。混合层高度在大气污染物扩散问题中是一个重要的参数,它是指大气混合层内物质、能量和动量在一定时间内由于热浮升力或机械力湍流作用而充分混合过程所能达到的近地面高度,其决定了稀释污染物的空气量多少。本文在已搭建的山谷城市局地环流水槽实验平台的基础上,采用流场显示技术,通过注入荧光溶液的方式对山谷城市局地环流流动发展做了可视化研究。利用可视化图像,分析了三种不同稳定层结度下（N0.5s1-=,N0.7s1-=,1N1.0s-=）,山谷城市日间和夜间局地环流作用下城市混合层高度的时空演变。实验结果与相关文献研究成果相比较,证明在水槽内采用荧光可视化方法对混合层高度的预测具有可靠性。同时实验结果表明:稳定层结会抑制对流在垂直方向的发展,而且层结稳定度越大,城市混合层高度越小。夜间局地环流作用下流动达到准稳态时,山谷城市中心和城市边缘混合层高度会达到一致的高度,而日间局地环流作用下流动达到准稳态时,山谷城市边缘混合层高度会高于城市中心混合层高度。在相同大小的热力边界条件下以及稳定层结度下,局地环流作用下日间山谷城市中心混合层高度会低于夜间,而在城市边缘,日间混合层高度会高于夜间。

论文目录

摘要

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1.绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 山谷城市概念

1.3 国内外研究现状

1.3.1 局地环流研究现状

1.3.2 大气层结水槽实验研究现状

1.4 现存研究问题与不足

1.5 本文主要研究内容及技术路线

1.5.1 主要研究内容

1.5.2 技术路线

2.山谷城市局地环流水槽实验的理论基础

2.1 山谷城市局地环流特征

2.1.1 山坡风

2.1.2 城市热岛环流

2.2 相似理论

2.2.1 流动现象相似的条件

2.2.2 层结大气流动相似准则数

2.3 局地环流水槽模拟相似条件的保证

2.3.1 模型的几何相似

2.3.2 运动学相似

2.3.3 动力学相似

2.3.4 边界条件相似

2.4 本章小结

3.山谷城市局地环流水槽实验台设计搭建

3.1 实验台设计简介及注意事项

3.1.1 实验台设计简介

3.1.2 实验台设计注意事项

3.2 水槽实验台组成

3.2.1 水槽主体

3.2.2 水槽供水装置

3.2.3 山谷城市模型

3.3 LabVIEW热流采集控制系统

3.3.1 LabVIEW简介及控制要求

3.3.2 热流传感器

3.3.3 控制系统硬件模块

3.3.4 控制系统软件前面板

3.4 实验重要控制系统介绍

3.4.1 蠕动泵流量控制系统

3.4.2 三维移动坐标架控制系统

3.4.3 铜板加热器控制系统

3.5 本章小结

4.水槽实验中稳定大气层结的模拟及验证

4.1 稳定大气层结概述

4.2 水槽实验中稳定大气层结的模拟方法

4.3 盐水法密度分层

4.3.1 实验原理

4.3.2 实验装置

4.3.3 实验步骤

4.4 稳定层结密度剖面的实验验证

4.4.1 密度剖面的测量

4.4.2 “Oster双缸法”结果验证

4.4.3 “新双缸法”结果验证

4.5 本章小结

5.山谷城市局地环流可视化实验及混合层高度变化分析

5.1 水槽实验流动可视化及注意事项

5.1.1 水槽实验可视化技术

5.1.2 可视化实验注意事项

5.2山谷城市局地环流可视化实验

5.2.1 实验工况

5.2.2 夜间下坡风—城市热岛环流可视化

5.2.3 日间上坡风—城市热岛环流可视化

5.3 局地环流作用下山谷城市混合层高度的发展变化

5.3.1 混合层高度测量方法及误差分析

5.3.2 夜间混合层高度发展变化

5.3.3 日间混合层高度发展变化

5.3.4 日间和夜间混合层高度发展变化的对比分析

5.4 本章小结

6.结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士研究生期间的学术成果

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李佩聪

导师: 王怡

关键词: 山谷城市通风,相似理论,水槽实验,稳定层结,混合层高度

来源: 西安建筑科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,环境科学与资源利用,建筑科学与工程

单位: 西安建筑科技大学

基金: “十三五”国家重点研发计划(NO. 2018YFC0705301),国家杰出青年科学基金(NO. 51425803),陕西省重点科技创新团队(NO. 2017KCT—14)

分类号: TU119;X169

DOI: 10.27393/d.cnki.gxazu.2019.000064

总页数: 90

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