数值模拟气态污染物传输扩散的方法及系统与流程

本发明涉及大气环境，具体地涉及一种数值模拟气态污染物传输扩散的方法、一种数值模拟气态污染物传输扩散的系统、一种机器可读存储介质及一种电子设备。

背景技术：

1、在现代工业和城市发展中，气态污染物的排放和扩散问题日益引起人们的关注。气态污染物不仅对环境造成严重威胁，还直接影响到人类健康和生活质量。因此，为了更有效地管理和减少气态污染物的影响，评估污染物的扩散过程，提前预测和防范污染事件成为了当今环保领域的重要研究课题。

2、传统的气态污染物扩散评估方法主要依赖于实地监测和数学模型。实地监测通常使用气象监测站点布设在不同地点，通过监测大气中污染物浓度来了解污染物的扩散状况。虽然实地监测提供了直接的观测数据，但受限于监测点分布和监测成本，无法提供全面、高时空分辨率的信息。另一方面，数学模型主要通过数学方程描述大气中污染物的传播规律。这种方法依赖于大气科学、流体力学和化学反应等领域的知识，可以用来预测不同源头的污染物扩散情况。然而，传统的数学模型通常需要解决复杂的偏微分方程，计算过程繁琐，且在模拟复杂地形和气象条件下的扩散过程时存在一定的局限性。

3、为了克服传统方法的局限性，近年来，计算流体动力学(cfd)模拟技术逐渐成为研究气态污染物扩散的重要工具。cfd模拟是一种基于计算机算法的数值模拟方法，可以模拟大气中的流体运动和污染物传播。相较于传统数学模型，cfd模拟能够更准确地描述复杂的地形和建筑物对气流的影响，提供更高时空分辨率的扩散信息。通过cfd模拟，研究人员可以模拟不同气象条件下的气体扩散过程，预测污染物的传播范围和浓度分布，为环境保护、应急响应和城市规划等提供科学依据。

4、cfd在模拟气态污染物扩散过程中也面临着一些挑战和难点，主要包括：(1)复杂地形和建筑物影响：城市环境中的建筑物和地形地貌对气流的流动产生复杂影响。高楼大厦、窄巷道、山脉等地形特征会使气流产生旋涡和湍流，从而影响污染物的传播路径和扩散模式；(2)气象条件变化：大气中的气象条件，如风速、风向、稳定度等，在不同时刻和地点都可能发生变化。准确地捕捉这些气象条件变化对模拟结果的影响是一个难点，尤其是在长时间模拟中；(3)非均匀性和不确定性：大气中的气流通常是非均匀的，同时伴随着很多不确定性因素，如污染源的释放速率、污染物的性质等。这些非均匀性和不确定性使得模拟过程更加复杂，需要考虑多种不确定性因素的影响；(4)化学反应和污染物变化：污染物在大气中可能会发生化学反应，导致其浓度和特性发生变化。考虑这些化学反应和污染物变化对模拟结果的影响需要引入更为复杂的化学反应模型，增加了模拟的难度；(5)计算资源需求：高分辨率的cfd模拟需要大量的计算资源，尤其是在模拟复杂地理区域和长时间尺度内的气体扩散过程。因此，如何提高气态污染物的模拟扩散过程中的精度和效率是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明实施方式的目的是提供一种数值模拟气态污染物传输扩散的方法及系统，以至少解决上述的未能准确模拟气态污染物的传输扩散情况的问题。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种数值模拟气态污染物传输扩散的方法，包括：

3、根据数值模拟需求参数，确定计算域范围，并对计算域范围进行正交网格划分；

4、根据气态污染物的排放位置、排放量和组成成分，以及划分的正交网格，确定预建立的控制方程中的源项数值，得到对应的混合气体流动控制方程；

5、基于划分的正交网格，采用空间离散格式对混合气体流动控制方程开展空间离散，得到半离散控制方程组；

6、基于预先设置的不同流体变量在计算域各边界上的边界条件，采用时间离散格式对半离散控制方程组进行时域求解，同时在时域求解过程中，监测计算域范围内气态污染物各组成成分的浓度，直至各组成成分的浓度稳定不变，得到数值模拟结果。

7、可选的，上述对计算域范围进行正交网格划分，包括：

8、对计算域范围进行正交网格划分，得到网格单元；其中，网格单元包括多个网格节点和多个网格界面；

9、根据计算域范围内地形的高程数据，调整计算各网格节点在高程方向的坐标；其中，调整计算公式为：

10、x3，old(x1，x2)表示平面坐标为(x1，x2)的网格节点在调整前的高程方向的坐标，x3，new(x1，x2)表示平面坐标为(x1，x2)的网格节点在调整后的高程方向的坐标，x3，ground(x1，x2)表示平面坐标为(x1，x2)的网格节点的实际地形高程坐标，h表示计算域顶部高程。

11、可选的，上述根据气态污染物的排放位置、排放量和组成成分，以及划分的正交网格，确定预建立的控制方程中的源项数值，包括：

12、根据气态污染物的排放位置，在正交网格中确定处于排放位置的网格单元；

13、根据气态污染物的组成成分和排放量以及处于排放位置的网格单元，计算处于排放位置的网格单元中的源项数值，作为预建立的控制方程中的源项数值；

14、其中，表示处于排放位置的网格单元中的第i种气体成分的源项数值，表示第i种气体成分的排放量，vj表示处于排放位置的网格单元的体积。

15、可选的，在确定处于排放位置的网格单元的情况下，对处于排放位置的网格单元采用分级式的网格加密。

16、可选的，上述半离散控制方程组如下：

17、

18、

19、

20、

21、

22、

23、其中，ncell表示网格单元总数，nface表示网格界面总数，表示离散速度场，表示离散压力场，表示去除流体静压力贡献的离散压力场，表示离散密度场，表示离散比焓场，表示离散质量分数场，表示质量通量场，表示存储在网格单元中心离散速度场在xi(i＝1，2，3)方向上的分量，k表示湍动能，和sk分别表示出现在ui、h、yi和k控制方程中的源项，及分别表示空间离散u、h、yj及k的控制方程过程中产生的常数系数矩阵，及分别表示空间离散u、h、yi及k的控制方程过程中产生的与各流体变量相关的系数矩阵，表示采用矩阵形式表达的关于任一网格单元中心变量在xi方向上的梯度算子，表示采用矩阵形式表达的散度算子，表示采用矩形形式表达的由网格单元中心离散场到网格界面中心离散场的插值算子，表示网格界面的面积矢量，表示采用矩阵形式表达的关于任一流体变量在网格界面的法向梯度通量算子，为矩阵ku+nu的主对角线，为矩阵ku+nu的非对角元素矩阵。

24、可选的，上述气态污染物的各组成成分的特性参数包括不同组成成分的密度、比热容、动力粘性系数和导热系数；其中，

25、

26、

27、

28、

29、ρi(t)表示第i种组成成分在温度t时的密度，cpi(t)表示第i种组成成分在温度t时的比热容，μi(t)表示第i种组成成分在温度t时的动力粘性系数，αi(t)表示第i种组成成分在温度t时的导热系数，不同特性参数对应的多项式系数a为常数；

30、气态污染物的各组成成分与空气形成的混合气体的特性参数为：

31、

32、

33、

34、

35、ρ(t)表示第i种组成成分与空气形成的混合气体在温度t时的密度，cp(t)表示第i种组成成分与空气形成的混合气体在温度t时的比热容，μ(t)表示第i种组成成分与空气形成的混合气体在温度t时的动力粘性系数，α(t)表示第i种组成成分与空气形成的混合气体在温度t时的导热系数，yi表示第i种组成成分的质量分数，yi≥0且

36、可选的，上述预建立的控制方程包括气态污染物的质量守恒方程、动量守恒方程、以比焓为变量的能量守恒方程、不同组成成分质量分数的传输扩散方程、湍动能传输扩散方程及比焓和温度之间的关系方程；

37、控制方程的建立规则包括：

38、基于大涡模拟的方法建立气态污染物的质量守恒方程、动量守恒方程、以比焓为变量的能量守恒方程、不同组成成分质量分数的传输扩散方程、湍动能传输扩散方程；其中，

39、气态污染物的质量守恒方程为：

40、动量守恒方程为：

41、以比焓为变量的能量守恒方程为：

42、不同组成成分质量分数的传输扩散方程为：

43、湍动能传输扩散方程为：

44、t表示时间，u表示速度，prgh＝p-ρ(g·h)表示去除流体静压力贡献的压力，p表示压力，τ表示应力张量，ρ表示气态污染物的密度，i表示单位矩阵，g表示重力加速度，x表示空间坐标，h表示比焓，比焓和温度t之间的关系为t表示温度，tstd表示标准温度，cp(t)表示第i种组成成分与空气形成的混合气体在温度t时的比热容，k＝0.5|u|2表示动能，veff＝v+vt表示有效运动粘性系数，v＝μ/ρ表示层流运动粘性系数，μ表示气态污染物的动力粘性系数，vt表示湍流运动粘性系数，αeff＝α+αt表示比焓的有效导热系数，α＝ρv/pr表示层流导热系数，表示湍流导热系数，pr表示层流普朗特数，表示湍流普朗特数，sct表示湍流施密特数，su、sh、和sk分别表示出现在关于u、h、yi和k控制方程中的源项，yi表示第i种组成成分的质量分数，ce和ck为模型常数，k表示湍动能，g表示湍流对湍动能k的贡献，dk表示湍动能扩散系数，δ表示大涡模拟空间过滤尺度，表示梯度运算符。

45、可选的，上述计算域范围的边界包括入口边界、出口边界和地面边界；

46、不同流体变量在计算域各边界上的边界条件的设置规则如下：

47、针对速度场，在入口边界采用时变定值边界条件，在出口边界采用零梯度边界条件，在地面边界采用零值边界条件；

48、针对压力场，在入口边界和地面边界均采用定法向梯度边界条件，在出口边界采用零梯度边界条件；

49、针对温度场，在入口边界采用定值边界条件，在地面边界采用定梯度边界条件；

50、针对湍动能场，在入口边界采用定值边界条件，在地面边界和出口边界均采用零梯度边界条件；

51、针对湍流粘性系数场和湍流导热系数场，在入口边界和地面边界均采用定值边界条件，在出口边界采用零梯度边界条件；

52、其中，在入口边界上，速度场的时变定值为：

53、

54、

55、

56、i＝1，2，3，j＝1，2，3，ui(x，t)表示t时刻空间坐标x＝(x1，x2，x3)处脉动风速u＝(u1，u2，u3)的第i个分量，ui(x)表示x处的平均风速的第i个分量，m表示频率分段数，n表示每个频率分段内的随机频率个数，fn，m表示一个零均值、标准差为fm且满足正态分布的随机数，表示取于一个单位半径的球体表面的随机三维空间坐标，表示脉动风速分量ui的功率谱在频率fm＝mδfm处的数值，表示零均值、单位标准差且满足正态分布的随机数，δfm表示频率分段间隔，为表征合成脉动风速场空间相关性的尺度参数，u(x)表示xj处的平均风速大小，cj表示相干衰减常数，dγ表示根据脉动风相关性确定的尺度参数，lj表示脉动风速分量uj在顺风向上的积分尺度；

57、在地面边界上，湍流粘性系数场和湍流导热系数场的定值为：

58、vt表示湍流粘性系数场，表示无量纲壁面距离，v表示层流运动粘性系数，y表示壁面距离，为方程y+κ＝in(ey+)的解，e和cμ均为经验常数，κ为卡门常数，表示湍流普朗特数，αt表示湍流导热系数，ρ表示气态污染物的密度。

59、可选的，上述计算域范围的形状为长方体；

60、上述根据数值模拟需求参数，确定计算域范围，包括：

61、根据数值模拟需求参数，确定长方体的尺寸数据；其中，长方体的尺寸数据包括长方体的长、宽、高；

62、基于长方体的尺寸数据，确定计算域范围。

63、可选的，上述数值模拟结果包括气态污染物各组成成分的质量分数yi以及不同网格位置质量分数yi的平均值和方差。

64、本发明第二方面提供一种数值模拟气态污染物传输扩散的系统，包括：

65、网格划分模块，用于根据数值模拟需求参数，确定计算域范围，并对计算域范围进行正交网格划分；

66、源项数值确定模块，用于根据气态污染物的排放位置、排放量和组成成分，以及划分的正交网格，确定预建立的控制方程中的源项数值，得到对应的混合气体流动控制方程；

67、空间离散开展模块，用于基于划分的正交网格，采用空间离散格式对混合气体流动控制方程开展空间离散，得到半离散控制方程组；

68、时域求解模块，用于基于预先设置的不同流体变量在计算域各边界上的边界条件，采用时间离散格式对半离散控制方程组进行时域求解，同时在时域求解过程中，监测计算域范围内气态污染物各组成成分的浓度，直至各组成成分的浓度稳定不变，得到数值模拟结果。

69、在本发明第三方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令在被处理器执行时使得上述处理器被配置成执行上述的数值模拟气态污染物传输扩散的方法。

70、在本发明第四方面提供一种电子设备，电子设备包括存储器、处理器以及存储在上述存储器中并可在上述处理器上运行的计算机程序，上述处理器执行上述计算机程序时实现上述的数值模拟气态污染物传输扩散的方法。

71、通过上述技术方案，提供一种数值模拟气态污染物传输扩散的方法及系统根据数值模拟需求参数，确定计算域范围，并对计算域范围进行正交网格划分。根据气态污染物的排放位置、排放量和组成成分，以及划分的正交网格，确定预建立的控制方程中的源项数值，得到对应的混合气体流动控制方程，该预建立的控制方程基于大涡模拟的方法建立。针对划分的正交网格，采用空间离散格式以对混合气体流动控制方程开展基于有限体积法的空间离散，从而获得以存储在网格中心的速度、压力、比焓、温度、不同组成成分质量分数以及湍动能为未知量的半离散控制方程组。基于预先设置的不同流体变量在计算域各边界上的边界条件，采用时间离散格式对半离散控制方程组进行时域求解，同时在时域求解过程中，监测计算域范围内气态污染物各组成成分的浓度，直至各组成成分的浓度稳定不变，得到数值模拟结果。该方法及系统采用大涡模拟和有限体积空间离散技术时域求解气态污染物各组成成分的非定常传输扩散控制方程，从而统计分析气态污染物的扩散过程。充分利用了计算流体力学技术在大气环境领域的应用，可显著改善对复杂地形和不同大气稳定度条件下气态污染物传输扩散情况的预测。同现有基于经验模型或雷诺平均的cfd数值模拟方法相比，本技术的模拟过程更接近真实自然状态，模拟结果更准确、可靠，可更好地为现实中诸如评估气态污染物的情况进行模拟。

72、本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。