耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法及系统，方法包括：采集模拟区域路段的数据，计算污染物排放源强；建立该区域的中尺度WRF模型，模拟中尺度气象模式数据并通过聚类分析得到典型气象工况；根据建筑物数据建模以生成精细化网格；将中尺度WRF模型的气象信息数据耦合至精细化网格的边界上，以得到典型工况下的网格风场数据，作为OpenFOAM模型的边界条件；将污染物排放源强作为OpenFOAM模型的源项，并求解OpenFOAM模型的污染物扩散方程组，得到当前模拟区域路段的机动车大气污染物的空间扩散分布特征。通过本发明专利技术的技术方案，能够准确模拟道路尺度机动车污染扩散特征，定量评估机动车污染物对空气质量的影响贡献，科学支撑机动车污染领域精细化管理。管理。管理。

【技术实现步骤摘要】
耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法及系统


[0001]本专利技术涉及污染物扩散模拟
，尤其涉及一种耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法以及一种耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟系统。

技术介绍

[0002]目前，随着我国机动车保有量的日益增长，机动车污染问题日益突出，已成为城市和区域空气污染的重要来源。京津冀、汾渭平原、长三角、成渝等重点区域的交通污染物排放影响凸显，部分城市移动源排放已经成为细颗粒物（PM
2.5
）的首要来源。另一方面，机动车排放属于近地排放，对长期暴露在交通环境或居住在交通密集区域的人群健康影响尤为突出。
[0003]目前机动车污染扩散分布研究中大多只单方面侧重于微观尺度流体力学模型的应用或者区域城市宏观尺度污染物扩散模型的研究，缺少耦合中尺度模型和流体动力学仿真模型的研究。微观尺度流体力学模型一般使用经验的边界条件，考虑道路实际情况较少，缺乏观测数据，存在汽车尾气的污染扩散模拟结果不准确的问题。城市尺度污染物扩散一般应用中尺度模型（如WRF、CMAQ），模拟网格分辨率较粗，且未考虑道路周围建筑信息，无法支撑道路尺度机动车污染领域精细化管理。传统模型无法满足准确、精细模拟道路尺度机动车尾气扩散分布特征的要求，未完全考虑道路建筑物导致的汽车尾气扩散特征的复杂性和扩散模型的适用性。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供了一种耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法及系统，在利用交通流数据核算道路精细化机动车排放清单的基础上，引入中尺度WRF气象模型、流体力学仿真OpenFOAM模型、道路地形及建筑数据，定量评估道路尺度机动车污染扩散特征，科学支撑机动车污染领域精细化管理，为机动车污染排放环境影响及公共健康研究提供有力的技术支撑。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法，包括：采集模拟区域路段的道路基本信息和交通流数据；根据所述道路基本信息和所述交通流数据，计算当前模拟区域路段的污染物排放源强；基于当前模拟区域路段建立道路所在区域的中尺度WRF模型，模拟所述中尺度WRF模型的中尺度气象模式数据；对所述中尺度气象模式数据进行聚类分析，得到所述模拟区域路段的典型气象工况；采集所述模拟区域路段的道路周围预设区域的地形及建筑物数据；根据所述建筑物数据进行城市道路环境网格建模，生成非结构化的精细化网格；
提取所述中尺度WRF模型的气象信息数据，并将所述气象信息数据在所述精细化网格的边界上进行数据耦合，以得到所述典型气象工况下的网格风场数据，作为OpenFOAM模型的边界条件；在所述精细化网格中选取污染物排放区域，并添加对应区域的所述污染物排放源强，作为所述OpenFOAM模型的微尺度流场仿真的源项；基于所述典型气象工况、所述地形及建筑物数据、所述精细化网格和所述边界条件，利用定常仿真方法求解所述OpenFOAM模型的流体运动方程与污染物输运方程所组成的污染物扩散方程组；根据所述污染物扩散方程组的结果，得到当前模拟区域路段的机动车大气污染物的空间扩散分布特征。
[0006]在上述技术方案中，优选地，所述道路基本信息包括道路长度、车道数和道路种类，所述交通流数据包括数据采集断面的车辆类型、车速和交通流量。
[0007]在上述技术方案中，优选地，所述计算当前模拟区域路段的污染物排放源强的具体过程包括：根据所述车辆类型和车速，计算不同车辆在所述模拟区域路段的污染物排放总量；根据所述模拟区域路段的道路长度，根据所述污染物排放总量计算得到污染物排放源强。
[0008]在上述技术方案中，优选地，所述中尺度WRF模型的建立方法为：根据所述模拟区域路段所在区域范围，获取该区域范围对应的再分析数据作为气象背景场；为WRF模型设置预设层嵌套网格，并设置WRF模型的模拟参数，构建得到中尺度分辨率的所述中尺度WRF模型。
[0009]在上述技术方案中，优选地，所述根据所述建筑物数据进行城市道路环境网格建模生成非结构化的精细化网格的具体过程包括：基于所述模拟区域路段的道路周围建筑物数据，对所述模拟区域路段利用snappyHexMesh方法生成微尺度的非结构化网格，对建筑物及污染物区域进行局部加密，设置建筑物表面网格分辨率，得到城市道路环境网格模型。
[0010]在上述技术方案中，优选地，所述提取所述中尺度WRF模型的气象信息数据，并将所述气象信息数据在所述精细化网格的边界上进行数据耦合，以得到所述典型气象工况下的网格风场数据，作为OpenFOAM模型的边界条件，具体过程包括：提取所述中尺度WRF模型的气象信息数据，将中尺度的所述气象信息数据耦合至微尺度，将所述中尺度WRF模型和所述OpenFOAM模型在边界上进行数据耦合，得到城市道路OpenFOAM模型的侧边界面和顶面上在典型气象工况下的精细化网格风场数据。
[0011]在上述技术方案中，优选地，所述利用定常仿真方法求解所述OpenFOAM模型的流体运动方程与污染物输运方程所组成的污染物扩散方程组的过程中，以所述模拟区域路段的污染物排放源强作为源项，在所构建的所述OpenFOAM模型的扩散方式下设置污染物扩散系数，从而根据设置的污染物扩散系数得到当前模拟区域路段的机动车大气污染物的空间扩散分布特征。
[0012]在上述技术方案中，优选地，耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法还包括：将机动车大气污染物的所述空间扩散分布特征数据转化为VTK格式，并使用VTK可视化库进行流场数据可视化处理，得到污染物浓度的空间分布图。
[0013]本专利技术还提出一种耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟系统，应用如上述技术方案中任一项公开的耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法，包括：路段信息采集模块，用于采集模拟区域路段的道路基本信息和交通流数据；污染源强计算模块，用于根据所述道路基本信息和所述交通流数据，计算当前模拟区域路段的污染物排放源强；WRF模型构建模块，用于基于当前模拟区域路段建立道路所在区域的中尺度WRF模型，模拟所述中尺度WRF模型的中尺度气象模式数据；典型气象工况分析模块，用于对所述中尺度气象模式数据进行聚类分析，得到所述模拟区域路段的典型气象工况；建筑数据采集模块，用于采集所述模拟区域路段的道路周围预设区域的地形及建筑物数据；精细网格生成模块，用于根据所述建筑物数据进行城市道路环境网格建模，生成非结构化的精细化网格；风场数据耦合模块，用于提取所述中尺度WRF模型的气象信息数据，并将所述气象信息数据在所述精细化网格的边界上进行数据耦合，以得到所述典型气象工况下的网格风场数据，作为OpenFOAM模型的边界条件；仿真源项添加模块，用于在所述精细化网格中选取污染物排放区域，并添加对应区域的所述污染物排放源强，作为所述OpenFOAM模型的微尺度流场仿真的源项；污染扩散求解模块，用于基于所述典型气象工况、所述地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法，其特征在于，包括：采集模拟区域路段的道路基本信息和交通流数据；根据所述道路基本信息和所述交通流数据，计算当前模拟区域路段的污染物排放源强；基于当前模拟区域路段建立道路所在区域的中尺度WRF模型，模拟所述中尺度WRF模型的中尺度气象模式数据；对所述中尺度气象模式数据进行聚类分析，得到所述模拟区域路段的典型气象工况；采集所述模拟区域路段的道路周围预设区域的地形及建筑物数据；根据所述建筑物数据进行城市道路环境网格建模，生成非结构化的精细化网格；提取所述中尺度WRF模型的气象信息数据，并将所述气象信息数据在所述精细化网格的边界上进行数据耦合，以得到所述典型气象工况下的网格风场数据，作为OpenFOAM模型的边界条件；在所述精细化网格中选取污染物排放区域，并添加对应区域的所述污染物排放源强，作为所述OpenFOAM模型的微尺度流场仿真的源项；基于所述典型气象工况、所述地形及建筑物数据、所述精细化网格和所述边界条件，利用定常仿真方法求解所述OpenFOAM模型的流体运动方程与污染物输运方程所组成的污染物扩散方程组；根据所述污染物扩散方程组的结果，得到当前模拟区域路段的机动车大气污染物的空间扩散分布特征。2.根据权利要求1所述的耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法，其特征在于，所述道路基本信息包括道路长度、车道数和道路种类，所述交通流数据包括数据采集断面的车辆类型、车速和交通流量。3.根据权利要求2所述的耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法，其特征在于，所述计算当前模拟区域路段的污染物排放源强的具体过程包括：根据所述车辆类型和车速，计算不同车辆在所述模拟区域路段的污染物排放总量；根据所述模拟区域路段的道路长度，根据所述污染物排放总量计算得到污染物排放源强。4.根据权利要求1所述的耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法，其特征在于，所述中尺度WRF模型的建立方法为：根据所述模拟区域路段所在区域范围，获取该区域范围对应的再分析数据作为气象背景场；为WRF模型设置预设层嵌套网格，并设置WRF模型的模拟参数，构建得到中尺度分辨率的所述中尺度WRF模型。5.根据权利要求1所述的耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法，其特征在于，所述根据所述建筑物数据进行城市道路环境网格建模生成非结构化的精细化网格的具体过程包括：基于所述模拟区域路段的道路周围建筑物数据，对所述模拟区域路段利用snappyHexMesh方法生成微尺度的非结构化网格，对建筑物及污染物区域进行局部加密，设置建筑物表面网格分辨率，得到城市道路环境网格模型。
6.根据权利要求5所述的耦合WRF与OpenFOAM模型的机动车污染扩散模拟方法，其特征在于，所述提取所述中尺度WRF模型的气象信息数据，并将所述气象信息数据在所述精细化网格的边界上进行数据耦合，以得到所述典型气象工况下的网格风场数据，作为OpenFOAM模型的边界条件，具体过...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永林，杨道源，吴睿，杨孝文，李悦，王人洁，刘洁，徐洪磊，宋媛媛，
申请(专利权)人：交通运输部规划研究院，
类型：发明
国别省市：