1 引 言
随着城市化进程的推进，城市面积不断扩张，城市建筑区向着高层且密集的方向发展；同时城市人口的不断增加使得人类活动产生的各种有毒气体以及气溶胶显著改变了大气的组成成分，影响着空气质量，造成严重的城市环境问题。另一方面，全球恐怖事件频发，各种生化和放射性试剂在人口密集区释放所带来的后果令人担忧。研究表明，当高大的建筑物分布在狭长的街道两侧时，会形成峡谷效应，使得污染物很难扩散出去，并且建筑区内建筑物高度的增加会显著降低街区内的扩散能力。因此，了解污染物在实际城区的扩散特征具有十分重要的现实意义，并对城市规划、应急预警等有一定参考价值。
研究城市街区尺度的流场及扩散问题主要有以下几种方法：外场实验、风洞实验、计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模式模拟。
外场实验始于 20 世纪 70 年代，通过这种方法可以得到真实大气条件下，城市街区内流场以及扩散情况。DePaul 等测量了不同宽高比街谷中的风场，发现当风速超过一定值时，街谷内的涡旋才会形成。Stein 等监测了阿根廷某城市部分街区 CO 的排放情况，并与模式模拟的结果进行了对比。Macdonald 等观测了污染物在建筑物阵列迎风面释放时，发现污染物的浓度分布是符合高斯扩散模式的。
相较于外场实验，风洞实验的实验条件易于控制且成本较为低廉，自 20 世纪 80 年代后期，开始利用风洞实验对大气及污染物的扩散进行模拟研究。国内外学者通过风洞实验发现，街谷内污染物的扩散情况取决于街谷的几何结构以及排放源的位置。一些研究比较了风洞与外场实验，指出两者的差异主要来自外场实验中真实大气的风向变化以及大尺度湍流的影响。
2 模式与数据介绍
2.1 BSMPKU
BSMPKU 分为两个子模式：第一个子模式是街区尺度的风场预报模式，该模式是基于稳态 RANS 方程组耦合标准 k 湍流模型的 CFD 模式，该模式在给定适当的边界条件下，用于计算城区的风场与湍流场；第二个子模式是一个欧拉扩散模式，在给定源强数据且 CFD 计算获得风场和湍流场的基础上，通过求解非稳态的雷诺平均输运方程获得浓度场。
RANS 方程组是对 Navier-Stokes 方程做雷诺时间平均分解获得的。一般，大气运动的雷诺数很大，粘性项可以忽略。同时考虑污染物浓度水平较低，不会显著影响空气密度的情况，将流体流动状态假设为不受浓度分布影响。
2.2 OpenFOAM
OpenFOAM（Open Source Field Operation and Manipulation）是在 linux 平台下基于 C++的面向对象计算流体力学软件包，它自带一系列求解器可以对连续介质力学问题进行数值计算。关于 OpenFOAM 的详细信息可以参考以下网站：http://www.openfoam.com。
本研究中使用的 OpenFOAM 版本为 2.1.1，求解器为 simpleFoam，simpleFoam 是OpenFOAM 中稳态不可压缩流动（层流或者 RAS 湍流）求解器，该求解器求解的基本方程与 BSMPKU 模式中的一致，OpenFOAM 使用有限体积法来对控制方程组进行离散，压力速度耦合和 BSMPKU 一样采用 simple 算法。
2.3 风洞实验数据
上个世纪 90 年代，R.S.Thompson 汇集了一系列在美国环境保护署风洞中进行的长方体建筑物扩散实验的数据。这个数据集系统地涵盖了不同建筑物形状，不同排放源高度和位置的风洞实验。2006 年，丹麦国家环境保护研究所的一个研究组利用 Thompson 数据集评估了一些扩散模式在存在建筑物情况下的模拟能力。这些模式包括 OML（OperationelleMeteorologiske Luftkvalitetsmodeller ）、 AERMOD/PRIME （ American MeteorologicalSociety/Environmental Protection Agency Regulatory Model with Plume Rise ModelEnhancement）和 MISKAM（microscale climatic and dispersion model）模式。
接下来的研究，将取自 2006 年丹麦科学家所用的 Thompson 数据和基于高斯扩散理论的 AERMOD 模拟数据，与 BSMPKU 以及 OpenFOAM 的模拟结果进行比较，验证 BSMPKU模式的可靠性。需要注意的是，丹麦科学家所整理的 Thompson 数据和扩散模式模拟数据仅包含无量纲浓度数据。
3 模拟结果及分析
3.1 基于 Thompson 数据集的比较验证
在本试验中，将主要研究当排放源位于迎风面前时，三个不同宽度的建筑物对扩散过程的影响。试验中所用的风洞数据是在一个长 18m、宽 3.7m、高 2.1m，模拟尺度为 1:200 的风洞中获得的。风洞中的三个建筑物长和高均为 0.15m，宽度分别为 H（H =0.15m）、2H 和4H，排放源在距离建筑物迎风面 2H 处，所处高度为 0.5H（ x / H 2,y/H0,z/H0.5），建筑物附近的网格和排放源的位置如图 1 所示。两个模式模拟的区域均为 6m3m1.3m；建筑物所在的模拟区域中心水平格距为 0.015m，水平格距向外逐渐增加，到模拟区域的边界处格距为 0.15m；垂直方向共 45 层，从下往上格距分别为 0.01m、0.03m 和 0.075m；模式模拟的扩散时间积分步长为 10-3s，经过一系列敏感性试验得到浓度场稳定时的积分步数大约为 5000 步，因此在本试验中设置的模式模拟积分步数为 7000 步。
3.2 复杂建筑物群的理想数值模拟试验
在上一节中，通过与 Thompson 风洞实验数据集的比较，已经验证了 BSMPKU 和OpenFOAM 两个模式的可靠性。在本节中，我们将这两个模式应用于高分辨率的实际复杂建筑物网格中，模拟理想边界条件下的复杂建筑物群中的大气运动状态，并进行交通污染源的短时扩散模拟。中关村作为我国科教智力和人才资源最为密集的区域，其重要性不言而喻。因此，我们选择中关村地区作为研究区域，选取假想的交通排放源作为个例进行模拟研究。
4 结果和讨论
本文首先用Thompson数据集对BSMPKU和OpenFOAM两个模式进行验证，结果表明OpenFOAM和BSMPKU两个CFD模式的模拟得到的流场和浓度场都比较接近，都比较真实地再现了建筑体周围的流场和浓度场。然后，我们将BSMPKU和OpenFOAM两个模式应用于高分辨率的实际复杂建筑物网格中，进行理想边界条件下的复杂建筑物群中的大气运动状态模拟以及三种交通污染源的短时扩散模拟。模拟试验结果表明，在建筑物群中，风向和风速随着建筑物排列发生了很大的改变；当建筑物分布较为复杂时，建筑物群中的近地面污染物浓度分布受线源的位置和线源的走向影响很大。当线源经过建筑物密集区时，由于受到建筑物群的遮挡作用，近地面的风速较小，不利于扩散，且在被建筑物群中会形成大量的闭合环流。这些闭合环流会引导污染物在建筑物附近聚集，造成局地的严重污染。BSMPKU和OpenFOAM均能较好的模拟出实际城区流场及浓度场的上述特征，两个模式模拟的主要差别主要体现在建筑区边界处。
最后，需要指出的是在本研究中没有把BSMPKU和OpenFOAM在实际城区的模拟结果与实际的观测数据进行比较，只是得到了一个合理的流场和污染物浓度场的分布。此外，BSMPKU和OpenFOAM在不同地区不同气象条件下的适用性还需要更多的个例来验证，但可以肯定的是，这两个模式均有一定的模拟和预报复杂城区污染物扩散过程的能力。