城镇热环境模拟方法及应用研究

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城镇热环境影响人类的健康、社会的经济发展以及自然气候的变化,为了合理调控城镇热环境,本文采用数值模拟的方式,通过建立一套快速计算的方法,探讨植被覆盖率对城镇热环境的影响。首先,提出了一个适合于城镇热环境数值模拟的快速计算方法,即嵌套计算。通过对两种理想建筑群布局进行模拟计算,比较嵌套计算与传统计算方法的结果,并分析影响嵌套计算精度的因素,即子计算域的大小、大计算域的网格尺寸以及插值方式。结果表明,嵌套计算可有效降低计算量并具有较高的精度;优化的子计算域边界位置,即入流边界距离建筑群一倍的最高建筑高度,顶面、侧面、出流边界距离建筑群两倍的最高建筑高度,可得到较好的结果;大计算域的网格尺寸增大,嵌套计算的精确度会有所下降;反距离加权插值与常数插值得到的结果相差不大。其次,基于嵌套计算方法以及空间平均的思想,建立两种城市中尺度下的植被简化模型,一种是植被体源温度系数模型,另一种是植被面源温度补偿模型。通过与城市微尺度下的植被数值模型对比,分析了两种简化模型的误差。结果显示,两种简化模型均能体现出植被的流动特征以及温度分布特性且植被面源温度补偿模型对地面温度的计算较为准确,经过嵌套计算的两种简化模型在植被区均能得到与基准模型一致的流场参数,在植被区上方以及在左右两侧得到的参数空间分布情况与基准模型有差异,但数值上的偏差可以接受,仍可作为参考。最后,以由农村转为城市的韶山市为例,利用植被的简化模型,采用三种植被覆盖率对韶山市热环境进行模拟,分析不同植被覆盖率下韶山市的风场及温度场,并基于相对热岛强度以及地表平均温度,探讨植被覆盖率与韶山市热环境的关系。结果显示,植被覆盖率平均每升高10%,地表平均温度下降1.74°C,植被覆盖率的增加,会增加近地面的湍流强度,降低近地面的风速。本文的研究结果可为城市中尺度数值模拟的快速计算提供参考,并为城市的植被规划建设提供一定的指导性意见。
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