（载运工具运用工程专业论文）汽车排放co的植物净化研究.pdf

摘要 摘要 近年来我国大城市机动车保有量以每年高于1 7 的速度增长，给我国经济带来繁荣 的同时，也对城市大气环境造成了严重的污染。为了将汽车排放对人类的危害降至最小 程度，如何防止汽车尾气的发生，并对产生的尾气进行净化已成为倍受瞩目的话题。其 中，合理利用植物净化汽车排放污染物，实现大气的植物修复，为很多专家和学者所关 注。 本文以密闭室为平台，以植物纵向排列方向的循环气流场作为数值计算的基本模型， 应用计算流体力学的理论和方法模拟植物的不同排布模式下，以汽车排放c o 为源相的 污染气体浓度分布，运用c f d 软件f l u e n t 进行数值模拟。在对数学模型及物理模型 进行理论分析的基础上，运用m i x t u r e 多相流模型、k s 湍流模型以及s i m p l i c 等算法， 对污染气体浓度分布进行了三维数值模拟，同时对方程离散、方程组的求解以及时间推 进法等数值计算、湍流及其模型等问题进行了探讨。此外，采用合理的实验方案、实验 方法及手段进行了汽车排放污染物在植物的不同排布模式下浓度分布的测试。通过试验 与数值模拟的分析和比较，验证了m i x t u r e 多相流模型、k 一湍流模型在应用于对汽车 排放污染物的扩散进行数值计算的可靠性，论证了本文采用边界条件处理方法的可行性， 提出了运用等高等距的排布模式栽种植物的合理性建议，并通过对三种东北生长植物净 化能力的试验对比，得出对汽车排放c o 气体吸收能力较强的植物品种，提供了利用密 闭室试验筛选净化汽车排放物植物品种的新方法。本文为研究汽车排放污染物的植物防 治技术，合理利用生态系统中植物群落净化汽车排放污染物提供了重要的基础研究，有 利于汽车排放污染物扩散模式及汽车排放污染防治技术的进一步发展。 关键词汽车排放污染物；浓度分布：植物：数值模拟 a b s t r a c t t h e s ey e a r st h en u m b e ro ft h ev e h i c l e so ft h eb i gc i t i e si nc h i n ai si n c r e a s i n g 、i 血t h e l l i g hs p e e do f17 i tb r i n g sp r o s p e r i t yt ot h ee c o n o m y , b u ti ta l s oc o n t r i b u t e sm u c ht ot h ea i r p o l l u t i o ni nb i gc i t i e s i no r d e rt od e c l i n et h eh a r mo fa u t o m o t i v ee m i s s i o nt ot h em i n i m u m d e g r e e , h o wt oa v o i dt h eo c c u r r e n c eo ft h ea i rp o l l u t i o na n dc l e a nt h ea r i s e np o l l u t i o nh a s b e c o m et h ep r o b l e mt h a th a sa t t r a c t e dt h em o s ta t t e n t i o n m a n ye x p e r t sf o c u s0 1 1u s i n gt h e a d s o r p t i v ea b i l i t yo f p l a n t st or e s t o r ea u t o m o b i l ee x h a u s t u s i n gt h eo b t u r a t i n gr o o ma sp l a t f o r m , a n dt h ec i r c u l a t i o na i r f l o wy a r di nt h ed i r e c t i o n t h a tt h ep l a n ta r r a n g e dl e n g t h w i s ea st h eb a s i cm o d e lt ot h en u m e r i c a lc a l e n l a t i o lt h i sp a p e r a p p l i e dt h et h e o r ya n dt h em e t h o do f h y d r o d y n a m i c st os i m u l a t et h ee o n c e n n a t i o nd i s t r i b u t i o n o f t h ec ot h a ta u t o m o b i l ee x h a u s ti su s e da st h er o o ti nt h ed i f f e r e n ta r r a n g i n gp a t t e r n ，a n dt h e c f df l u e n ts o f t w a r ei su s e dt on u m e r i c a ls i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i ca n a l y s i st o t h em o d e l so fm a t h e m a t i c sa n dp h y s i c s ，i ts i m u l a t e st h et h r e e - d i m e n s i o n a lc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o no f t h ec o n t a i n i n a t e da i rb yu s i n gt h em e t h o do f m i x t u r em u l t i p h a s em o d e l k s t u r b u l e n tf l o wm o d e la n ds i m p l i ca l g o r i t h me t c t h ep a p e ra l s op r o b e di n t ot h ei s s u e sa s d i s c r e t ee q u a t i o n , t h es e t t l eo f t h ee q u a t i o ng r o u p ，t i m ep u s hm e t h o da n dt u r b u l e n tf l o wm o d e l e t e f u r t h e r m o r e ，i tt e s t e c lt h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fa u t o m o b i l ee x h a u s ti nt h ed i f f e r e n t a r r a n g i n gp a t t e r nb yr a t i o n a le x p e r i m e n tp r o j c c t ，m e t h o da n dm e a s u l e s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t c o m p a r i n gw i t ht h et e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h er e l i a b i l i t yo fm i x t u r em u l t i p h a s em o d e l a n dt 一8t u r b u l e n tf l o wm o d e la p p l i e di nn u m e r i c a lc a l c u l a t i n gf o ra u t o m o t i v ee x h a u s t d i f f u s ei sp r o v e d , a sw e l la st h ef e a s i b i l i t yo f b o r d e r l i n ec o n d i t i o nm e t h o da p p l i e di nt h i sp a p e r t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h er a t i o n a la d v i c et h a tg r o w i n gp l a n t si nt h em o d e lt h a tt h eh e i g h ta n d s p a c eb e t w e e ni st h es a m e ，g o tt h eb e t t e rs p e c i e so fp l a n tt h a th a ss t r o n g e rc l e a na b i l i t y ，a n d o f f e r e dt h en g wm e t h o do f o b t u r a t i n gr o o mf o re l e c t i n gt h ep l a n ts p e c i e st oa b s o r ba u t o m o b i l e e x h a u s t t h i sp a p e rp r o v i d e di m p o r t a n tf o u n d a t i o np l a tf o rs t u d y i n gt h ea d s o r p t i v ea b i l i t yo f p l a n t si ne c o s y s t e ma n dt h em e a s u r e so fp r e v e n t i o na n dc u r ef o ra u t o m o t i v ee m i s s i o nu s i n g p l a n t s ，a sw e l la sp r o m o t e dd e v e l o p m e n to ft h ed i f f u s em o d e la n dt h em e a s u r e so fp r e v e n t i o n a n dc u r ef o ra u t o m o t i v ee m i s s i o nf u r t h e r k e y w o r d s a u t o m o b i l ee x h a u s t ；c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n ；p l a n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得查i 盎些苤茎或其他教育 机构的学位或证书两使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：1 目凌承签字吼卿年月舯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解壅韭盎些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘i 垦盐些蕉堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：闺峻霰 翮虢喈暖九 签字日期：弦呵年5 月2 0 日签字曰期：呵年f 月知日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：多】l s 拿盆：a 流膨驻辛幺疫局 通讯地址： 电话：o t f b 豹3 孽翮 f 邮编： 1 绪论 1 1 研究背景及国内外研究状况 1 1 1 研究背景 目前，随着现代工业生产规模的只益扩大，排放出含有各种有毒有害物质的废气、 废水、废渣，加之农业生产上大量农药的使用，汽车尾气的排放等，使有毒有害物质大 量进入大气、水体和土壤，造成环境污染，从而影响人类及其它生物的生存和生产活动。 利用绿色植物的强大净化能力，来净化环境、治理污染是环境保护的有效途径，汽车排 放有害气体的植物净化研究属于大气污染治理的范畴。在环境污染问题的研究中，大气 污染的问题受到了广泛的关注。大气污染是指空气的正常成分之外又增加了新的成分或 者原有的成分骤然增加从而对人类健康和动植物生长产生伤害的现象l l j 。植物与大气污 染关系的研究大体包括三方面的研究，即大气污染的植物监测研究、大气污染的植物抗 性研究和大气污染的植物修复研究。目前，关于植物与大气污染关系的研究很多，国外 研究的比较早，我国起步虽晚，但已开展了许多工作。 在大气污染的植物监测研究方面，德国、荷兰等欧洲国家，己建立了大气污染生物 监测网络。2 0 世纪6 0 、7 0 年代以来，国外h e e k 、s m i t h 、r o b e r t s 等人，国内蒋高明等 人便对在不同的大气污染物作用下的植物叶片的可见伤害特征( 因伤斑的部位、形状、 颜色和受害叶龄等特征的不同而互相区别) 进行了大量研究，在这方面积累了一定的研 究成果1 2 & 4 , 5 1 。其研究方法都是在污染区进行现场采样，对植物叶片进行分析。具有代表 性的是2 0 0 3 年中国科学院华南植物研究所和广东省佛山市林业科学研究所的污染现场盆 栽实验1 6 1 。 据资料【7 】报道，国外很重视抗大气污染植物的选种、育种研究。在2 0 世纪6 0 年代， 联邦德国已开展挪威云杉和欧洲赤松的选育研究，美国宾夕法尼亚州州立大学也在2 0 世 纪7 0 年代开展了抗大气污染植物的筛选研究。我国大规模开展抗大气污染植物筛选研究， 是在2 0 世纪7 0 年代开始的。有关植物对大气污染物抗性方面的研究，国内外主要采用 的方法有人工熏气实验法、现场抽样调查法、植物直观分析观测法。人工熏气实验法优 点是可以明确地判断不同浓度的单一污染物对植物的伤害作用，以此筛选单一污染物下 的抗性植物。缺点是缺乏对现实污染环境的检验。研究得出的结论很难考虑到大气、土 壤、生物及自然灾害等多种自然因素等对植物生长的影响，因此其指导植物规划的作用 具有一定的局限性。现场抽样调查法的调查对象直接生活在混合污染物作用的环境下， 克服了熏气试验仅仅适合单一污染物作用的局限性，可以得到不同污染区域的植物抗污 性选择结论，而且能反映复合污染物对植物伤害的真实状况，在抗性植物的筛选中更具 现实意义。但是不能区分并给出单一污染物对植物伤害的影响。由于距污染源的位置之 差，很难做到在同一条件下对树种的吸污能力进行准确的判定和选择。其中污染区栽培 东北林业人学硕i 学位论卫 试验树种为有意识选择，在其种类和种植结构上可根据试验要求灵活布置，其树种筛选 效率比野外调查方法为高，而在栽培方式上，毓栽试验虽然在苗木准备和管理上较费工， 但其使用地面积少，可以排除土壤污染的干扰，因此近些年来比地栽试验更受国内外研 究者青睐。植物直观分析观测法近年的相关研究逐渐多了起来，但其很多理论性研究还 不够完善，产生的争议也比较多，而且其只使用于对于植物抗性定性的研究，而很难进 行定量研究。 植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是利用植物及共存微生物与环境之间的相互作用对 环境污染物进行清除、分解、吸收或吸附，使污染环境得以恢复的科学与技术i 引。国内外 对植物修复以往的研究大都集中在土壤污染或水污染的植物修复技术上，对大气污染的 植物修复研究仅仅集中在少数植物上。有关城市植物对各种污染物的修复能力的系统性 研究较少。然而近年来，利用植物修复技术治理大气污染尤其是近地表大气的有机污染 物与无机污染物的混合污染也逐渐成为国际上大气污染研究的前沿性课题，有关植物修 复大气污染物的研究正在蓬勃兴起。k u | a , k o n d o ，h o d 9 j o j h 等人于1 9 9 8 、1 9 9 9 年进行了 植物吸污能力的研究，其研究方法主要是通过测量和计算植物在污染区和对照区的某类 污染物含量的差获得不同植物对大气污染物的吸收能力。我国在2 0 世纪7 0 年代末开始 进行这方面的研究，但研究还很有限，其中具有代表性的许皖菁等1 9 9 8 年采用离子选择 电极法实验观察桑叶对氟的吸附能力1 1 2 l ，鲁敏等2 0 0 2 年分析了北方主要的绿化树种对大 气氯化物及氟化物的吸收净化能力，其中利用叶片解剖分析得出叶片覆有蜡质的树种吸 h f 量较少【1 3 1 ，张德强等2 0 0 3 年采用盆栽对比法研究了3 2 种园林绿化植物对大气s 0 2 和氟化物的净化能力1 1 4 】。上述这些借助于叶片的化学分析测得的叶片内大气污染物含量， 既可反映大气污染的水平又可反映植物对大气污染的吸收净化量，即反映植物对污染的 修复能力。然而，植物对大气环境污染物的耐受能力与适应性千差万别，同一种植物对 不同类型的污染物和不同种植物对周一类型污染物的净化能力各异，而且一种污染物吸 收的多少与另一种污染物的吸收多少在不同情况下具有不同的消长关系【l 引，因此这种从 植物本身来研究植物对大气污染物的吸收效果很难到达定量和整体性研究效果的要求。 1 1 2 国内外研究状况 利用植物修复大气污染的研究主要包括物理性污染、化学性污染、生物污染三个方 面的修复。对于化学性污染的植物修复的研究，国内外则主要集中在煤烟型污染的研究 上，如s 0 2 、h f 、c 1 2 、c 0 2 等。但是，针对植物对汽车尾气污染物净化的研究却是少之 甚少，利用植物对汽车排放物的净化效应实施绿化工程更是无人问津。目前对于汽车排 气污染物的研究主要集中在排放物扩散方面的研究。 欧洲、美国和同本等国家自6 0 年代末对机动车排气污染物扩散模式进行了多方面研 究，主要是研究适用于公路扩散和城市街道扩散的模式。并于1 9 7 2 年提出了c a l i n e 模 式，2 0 多年来又不断改进开发出了其他新的模式。模式的开发和校验通常以现场监测、 野外示踪剂试验和风洞模拟试验的结果为基础。具体可分为：高斯模式、经验模式、数 绪论 值模拟模式和箱式模式。在上述模式中，高斯型模式能较好地模拟丌阔平坦公路上机动 车排气污染物的扩散，而不适用于存在密集高层建筑物的街道峡谷；数值模拟模式可处 理结构复杂的街道大气扩一散，但过程十分复杂、不利于普遍推广，且梯度理论用于模 拟小尺度扩散在理论上的可靠性尚需进一步研究。经验模式方法简单，但缺乏正确的理 论基础，限制了模式的普遍应用。目前世界各国环保部门推荐应用于污染浓度预测的模 式大多属于高斯扩散模式。 高斯模式是在大量实测资料分析的基础上，应用湍流扩散的统计理论得到的正态分 布假设下的扩散模式。它包括h i w a y 模式、g m 模式、c a l i n e 模式、高斯分布型的烟 流、烟团方程等。这些模式最初产生于7 0 年代，当时根据己有的在道路附近得到的实验 数据来验证和评价这些模式，结果并不能使人满意。主要原因是不能确定汽车的排放量， 而且现场实验中的被测污染物的背景浓度是不均匀的。1 9 7 5 年，美国通用汽车公司联合 其它一些公司以及环保局经过周密的设想和完善的控制，使用通用汽车的测试设备进行 了一项s f 6 公路扩散示踪实验。这次示踪实验所得的数据首次为模式的评价和发展提供 了可靠的依据和帮助。高斯型模式特别注意车辆行驶引起的初始扩散参数，其值是根据 实测数据估算，因而间接考虑了车辆行驶引起的湍流效应。e s k r i d g e 等1 1 6 j ，旧在1 9 9 1 年 研究了汽车速度对湍流扩散的影响。发现垂直方向湍流扩散与相对汽车风速的平方成正 比，在稳定条件下汽车速度有更多影响，因为在中性和不稳定大气中，汽车尾流湍流易 被大气湍流屏蔽掉。相关研究还表明在沿尾流方向上最佳湍流比例长度是一个车宽，在 竖向上为测点到地面的高度。 国内气体扩散方面的研究尚处于起步阶段。但仍有不少学者就高斯线性模型在国内 平直公路和低矮街道上应用的可靠性做出了论证，并且就国外模型在国内实际应用上做 出了有益的尝试。 金均等【1 8 i 利用3 2 0 国道某段的实测数据，对采用高斯线源模式预测开阔公路尾气扩 散的可靠性迸行了验证。结果证明在有风条件下对源参数( 主要是源的初始扩散宽度和风 速) 进行适当的修正后，可以得到与实际较为符合的结果。凌玲等1 1 9 1 利用武汉市路狮路实 测的n o x 浓度数据在合理确定扩散参数的基础上，对任意风向下的高斯线源扩散模式进 行了验证，确定此模式适合模拟和预测周围建筑低矮的道路尾气浓度扩散。 龚慧明1 2 0 1 利用c a l 3 q b c r 模型对北京市崇文门一个开阔的十字路口进行模拟，发 现能较好的模拟十字路口的机动车尾气排放的c o 浓度时空分布。周洪昌等 2 1 i 利用此模 型对上海市的几个周围有高大建筑物的十字路口和街道峡谷地区进行模拟却发现和实际 结果有很大的差异，认为高斯线源模型不适合街道峡谷地区尾气扩散的模拟和预测，只 适合宽阔路段的模拟。另外，北京大学环境科学中心环境模拟与污染控制国家联合重点 实验室在相关方面也展丌了大量工作，但是到目前为止还没有形成真正适合我国实际情 况的比较独特的成型模式。 每个模型都有针对某一方面的优势，通用性不强。虽然模拟结果同实验数据相吻合， 但均通过引入一系列常数来实现。模型相比较c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，计 东北林, l k 人学帧f 学化论义 算流体动力学) 方法而言计算量较小，但由于在实际评价过程中要遇到各种各样的地形 情况，这时候c f d 方法显得格外的重要。 1 2 研究的必要性和意义 随着现代工业的不断发展，机动车已作为一种普通的交通工具深入到我们的生活中， 它为城市带来了繁荣，为人们的生活带来了极大的方便。而在交通只益发达的今天，汽 车排放物污染已经成为城市大气污染的主要污染源之一。 由于城市机动车保有量的迅速增加，以及在固定源排放控制方面的进展，在美国等 一些发达国家的大城市中，机动车排放已经成为最主要的空气污染来源。虽然目前我国 机动车保有量不高，但这些车辆主要集中于大型城市，使得我国一些大城市的空气污染 问题日益突出。由于单车污染物排放因子很高，使得我国大城市机动车污染物排放总量 已经超过发达国家类似规模的城市；同时由于城市交通和人口集中度高，机动车污染物 排放密度和造成的污染浓度则比发达国家高出几倍；机动车在我国城市空气污染中的分 担率j 下在逐步增加；另外，由于机动车排放高度低，在行人、自行车与汽车混行的交通 方式中，这些废气排放直接危害的人数众多，造成局部地区的机动车污染问题相当严重 | 2 2 2 3 2 4 1 。到2 0 0 5 年，全世界汽车保有量达到8 亿辆；到2 0 1 0 年将增至l o 亿辆。对汽车 排放物治理的闯题已经刻不容缓。 在汽车排放物中，含有大量对人体有害的物质，如c o 、碳氢化合物( h c ) 、铅化合物、 氮氧化合物( n o x ) 、硫氧化合物( s 0 2 ) 、碳颗粒和油雾等颗粒物和臭氧( 0 3 ) 等。碳氢化合物 是产生光化学烟雾的重要成分，它包括多种烃类化合物，部分烃类化合物有致癌性，进 入人体后产生慢性中毒。而尾气中的氮氧化合物、硫氧化合物等是形成酸阿的主要因素， 对植物、建筑物、金属制品等引起腐蚀破坏，而本文主要研究的c o 气体对人体有强烈的 毒害作用。全世界c o 每年排放量约为2 ，1 0 x 1 0 s t ，排放量为大气污染物之首，主要来源于 燃料的燃烧和汽车尾气。c o 中毒时，傻红血球的血红蛋白不能与氧结合，妨碍了机体各 组织的输氧功能，造成缺氧症。当c o 浓度为1 2 5 m g m 3 时，无自觉症状，5 0 0 m g m 3 时会出 现头痛，疲倦，恶心，头晕等感觉，7 5 0 m g m 3 时发生心悸亢进，并伴随有虚脱危险， 1 2 5 0 m g m 3 出现昏睡、痉挛而造成死亡( 2 ”。 汽车排放物对自然环境及公众健康构成了直接威胁，因此为了治理汽车排放物造成 的公害，世界各国对汽车排放都制定有严格的法规进行限制。虽然通过现代科学技术和 先进的管理，最大限度的降低了汽车有害物质排放，但对于如数众多的并且仍在飞速增 长的车辆来说，汽车排放污染物仍是一个非常可观的数据，所以仅仅减少单车少量有害 物质的排放是不行的，还要研究如何对汽车排放到大气中的有害物质进行净化。我们要 把汽车排放污染看成一个系统，用系统的观点，按照系统的方法进行汽车排放净化，通 过内外相结合的办法来切实解决汽车排放污染问题，实现汽车排放污染的进一步净化。 由于实验研究尚为探索性阶段，因此在条件、技术和方法上还不够成熟，因此只选 择汽车排放物中最稳定、成分单一的c o 气体进行研究。论文通过深入研究如何利用生 绪论 态系统中植物群落减少和抵御汽车排放c o 对大气的污染，探索汽车排放c o 生态净化 效应、植物群落对汽车排放c o 通过阻散和吸附产生的净化作用，以期对交通环保、交 通绿化建设等方面具有重要指导意义和参考价值。从理论上得出汽车排放c o 的植物阻 散和吸附规律，为大气环境中路边绿林带的种植模式研究和绿化植物在植物生态环境下 的选择应用提供依据，在实践上为交通环境美化、规划、施工、环境影响评价提供工程 依据，对黑龙江省经济建设和社会发展产生良好的社会效益和经济效益，对生态环境的 可持续发展和人类的身心健康产生积极的深远影响。 1 3 论文研究的内容及研究方法 植物对汽车排放污染物的净化问题属于植物与大气污染关系研究的范畴，因此，植 物净化汽车尾气的研究有必要借鉴植物与大气污染的相关研究方法。本论文主要研究植 物对汽车排放污染物中的主要气体成分c o 的阻散和净化作用。大气中8 6 的c o 由汽车排 出，本来c o 较空气稍轻，不会聚集在地面，但由于c o 的主要来源是汽车废气，因此街 道上的c o 浓度较高。它们被植物吸入体内不像s 0 2 那样直接大量附着在植物叶内，而是 进入植物体内后发生化学变化或转移，其吸收量大小很难从植物本身测得，因此用植物 体直接分析法是不可行的。植物抗性研究中的现场植物抽样调查法1 2 6 1 如果提取的是植物 样本，则与上面所述一样不可适用：但是如果提取的是周围污染气体样本，对其各种成 分进行定量研究还是有一定可行性的，可以利用同一地区栽植指定植物时问差内空气成 分的变化来推测植物吸收某种污染物的多少。可是由于户外环境温度、风力、距污染源 的距离等自然条件很不稳定，如前所述很难做到在稳定条件下对树种的吸污能力进行准 确的判定，因此我们可以从人工熏气实验得到启发，将研究区域与外界隔离，在封闭的 室内施以相对稳定的环境条件，这就是密闭室。 本论文的密闭室采用黑龙江省科技攻关项目- 汽车排放物植物净化研究”的密闭 实验室进行试验。密闭室在保证密闭性的前提下，采用计算机辅助测试系统及先进的电 子装置，使该汽车有害排放物净化密闭实验室的测试系统集机电一体化。在测试的自动 化程度上、测试结果的精确度、操作过程的简便性和可靠性等方面都有了长足的进步。 汽车有害排放物净化密闭实验室的总体设计本着先进性、可靠性、实用性为出发点，使 试验数据能够实时、精确地体现出空间具体位置被测气体的浓度。 我们还可以借鉴现场植物抽样调查法中利用盆栽植物的使用地面积少、可以排除土 壤污染干扰的优越性1 2 ”，将待测植物盆栽于密闭室内。为了研究植物的排布模式对气体 阻散面产生的有害气体浓度分布影响，本文设置了四种植物排布模式，分别对其用商业 c f d 软件f l u e n t 进行室内有害气体浓度分布模拟。c f d 是一种研究流体力学的计算技 术，利用c f d 建立研究对象的计算模型，将流体动力学应用于模型上进行计算，可以分 析研究流体在该模型上的动力学和热力学行为。大气环境问题本质上可看作一种带有物 质( 污染物) 输运的流体力学问题，因而在设置合理的计算模型和边界条件的前提下， 用c f d 技术研究大气环境问题是可行的。 东北林业人学硕卜字：位论文 论文的主要工作可以归纳为以下几个方面： 1 对汽车排放污染现状及国内外相关领域的研究状况作了比较全面的介绍，同时指 出了利用植物净化汽车排放有害物质的现实意义。并在综合相关研究手段的基础上总结 出了利用密闭室进行植物净化研究的新方法。 2 在传统工程研究的基础上，运用c f d 软件f l u e n t 数值模拟及分析，建立绿 色植物密闭室中c o 扩散的三维模型，划分网格，利用计算流体力学理论对给定条件下的 汽车排放污染物的流场和浓度分布进行数值计算，得到汽车排放污染物在设置的四种排 布模式和无树模式中的浓度分布规律，并进行分布特征分析。 3 采用现代自控技术与大气监测技术，对密闭室内汽车排放污染物c o 进行监测， 得出污染物的浓度分布数据。对数值模拟计算结果及试验测试结果进行对比分析，得出 植物四种排布模式下汽车排放污染物c o 植物阻散特征，得出较佳模式，为密闭室植物净 化汽车排放物研究提供依据，并为路边绿林带的建设提供参考性建议。 4 利用密闭室，选取三种东北地区植物品种进行c o 气体净化对比试验，通过控制 室内恒定的温度，待一定时间后对室内剩余气体进行取样分析，污染物减少的量即为植 物吸收的量，将不同植物对c o 气体吸收量的数据进行对比分析，选取净化效果较佳的植 物品种，并依此研究方法建议推广到其他汽车排放物，提供一种新的研究手段，对环境 保护和生态绿化起到积极的影响。 1 4 绿林带对污染气体的阻散及净化原理 “绿林带”这一名次其定义还不十分明确，一般是指道路在市区内的分离带，工厂 周围的绿林带，以及城市周围的大绿林带。本文使用的“绿林带”这个词是指沿着干线 汽车道路设置的所谓“沿路环境绿林带”，不是指城市周围的大绿林带。因此，大气污染 物质的输送距离也是很短的。图卜1 为绿林带对大气的净化过程图，严格来讲扩散、稀 释和沉降不属于树林对大气净化的问题，只对其做简要的介绍。 风。- 圈卜1 绿林带对人气的净化过程 通过 广 l 1 扩散和稀释 扩散是被污染源污染的空气在风的作用下，移向路边树林，并沿树冠向上流动的现 象。稀释是污染空气沿树冠扩散，穿过树林，被树林中相对清洁的空气稀释，污染浓度 绪论 降低的现象。 扩散的效果只是将污染物转移到树林高处，而稀释也只是将污染物的浓度相对降低。 虽然它们都不能减少污染物的绝对量，但是都能够降低下层空气中有害气体的浓度。 2 沉降 沉降是污染空气进入树林中，气流流速减慢，部分污染物沉降，被土壤固定的现象。 比重相对较大的污染物沉降相对较明显。 3 吸附 吸附是一种物理性过程，污染物被附着在植物外表面上，其与植物表面的结构如叶 片形态、粗糙程度、叶片着生角度和表面的分泌物有关。植物可以有效地吸附空气中的 如浮尘、雾滴等悬浮物及其吸附着的污染物。 4 吸收 吸收是植物的一种生理作用一污染物质伴随着同化作用、呼吸作用进入植物体组织 内。对于其它方法难以去除的气态污染物，可以期望用此种办法达到去除效果。植物种 类不同其吸收作用大小不一，其效果受植物生理作用速度的影响，丽且与季节的变化与 气孔的开度也有一定关系。 以上树林净化大气的几个功能中，扩散和稀释不能减少污染物的绝对数量，只能减 少低层空气的污染物浓度。而沉降、吸附和吸收都能够通过各自途径将污染物最终固定 在土壤中，减少大气中污染物的数量。对于本文的研究来说，室内尾气污染物也将经过 如上途径在树群中进行传输。 1 5 本章小结 本章介绍了植物在大气污染的监测、抗性、修复方面的研究背景和汽车排放物扩散 模式的研究状况，综会植物监测、抗性和修复的研究方法的利弊，提出了利用密闭室研 究植物对汽车排放物的净化作用的思想，并指出利用c f d 软件对汽车排放c o 的浓度分 布进行模拟作为研究要点，最后介绍了绿林带对污染气体的阻散及净化原理。 东北林业人学硕i 学位论文 2 汽车排放污染物扩散的理论研究 2 1 计算流体力学发展概况及f l u e n t 软件简介 3 1 1 计算流体力学发展概况 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是现代流体力学中的一个重 要学科分支，是2 0 世纪6 0 年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅 猛发展，这门学科已经相当成熟。随着其应用范围不断扩大，现在c f d 技术的应用早己 超越传统的流体力学和流体工程的范畴，如航空航天、船舶、动力、水利等，而扩展到 化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域中去了l 嚣1 。作为- - 1 1 多学科交叉融合而 形成的新兴学科，它是流体力学、计算数学和计算机科学相结合的产物。随着计算机性 能的飞速提高以及数值计算方法的不断发展，计算流体力学技术正在逐渐走向成熟。 计算流体力学经历了数值求解拉普拉斯方程、小扰动速势方程、全速势方程、e u l e r 方程和n a v i e r - s w k e s 方程等发展阶段。2 0 世纪8 0 年代以前，由于受到计算机技术的限 制，计算流体力学的数值模拟主要以求解拉普拉斯方程、小扰动速势方程、全速势方程 为主，其中有代表性的是基于拉普拉斯方程的面源法以及有限差分法求解小扰动速势方 程和全速势方程1 2 9 , 3 0 j 。计算流体力学在2 0 世纪8 0 年代左右取得了不少重大进展。在高 速可压缩流动方面，基于总变差减d , ( t o t a lv a r i a t i o nd i m i n i s h i n g ，t v d ) 与矢通量分裂( f l u x v e c t o rs p l i t t i n g ) 、通量差分分裂( f l u xd i f f e r e n c es p l i t t i n g ) 等方法的高精致格式叫i g l l r e s o l u t i o ns c h e m e ) 终于较好地解决了流体力学的一大难题跨、超音速计算的激波精 确捕获。而采用传统的人工黏性方法的礓a m e s o n 格式等在这方面也取得很大的成功。多 层网格与残差光顺i j ”( r e s i s u a ls m o o t h i n g ) 等加速收敛技术有效地减少了三维流动模拟的 巨大计算工作量。而在低速不可压流动方面，利用人工可压缩性方法与压力校正法等对 纳维尔一斯托克斯方程组的直接求解取代了局限性很大的流函数一涡量法等传统解法， 从而也促进c f d 技术向流体传热、多相流、燃烧与化学反应流等领域迅速扩展与深入f 3 2 】。 这些进展为通用软件的发展奠定了良好的理论基础。 在随后的二十多年中，在计算机技术发展的推动和广大计算流体力学工作者的努力 下，计算流体力学在求解e u l e r 方程和n a v i e r - s t o k e s 方程以及数值模拟复杂流场方面都 取得了重大突破。在此期间，计算流体力学数值模拟的方法以有限差分法、有限体积法、 有限元法为主p ”。随着诸如t v d 格式、e n 0 格式、n n d 格式等高阶精度、高分辨率差 分格式的提出，计算流体力学对激波、漩涡等复杂问题的模拟能力也有了很大的提高。 目前，计算流体力学工作者正致力于研究和发展更高精度( 二阶以上) 的计算格式和方 法，以适应更精细、更复杂的流动研究和设计的需要【3 引。本章采用计算流体商用软件 f l u e n t 来模拟实验室内污染物c 0 的扩散。 2 汽卞持放污染物扣散的理论研究 2 1 2f l u e n t 软件简介 2 1 2 1f l u e t 软件的功能及应用 f l u e n t 软件是美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的商业c f d 软件，是继p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是目前功能最全面、适 应性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。f l u e n t 具有非常灵活的网格特性，可以 使用非结构网格，包括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复 杂外型的流动，甚至可以用混合型非结构网格，并根据解的具体情况对网格进行细化或 粗化。f l u e n t 可以模拟不可压缩流体及可压缩流体的复杂流动问题，采用多种求解方 法和多重网格加速收敛技术，能达到很好的收敛速度和求解精度。目前f l u e n t 被广泛 应用于与流体力学相关的航天、水运、汽车制造、工程设计等各个行业，其良好模拟性 能享有盛誉1 3 ”。 2 1 2 2f l u e l f f 软件的结构 f l u e n t 包括：f l u e n t 求解器；p r e p d f ，模拟p d f 燃烧的程序；g a m b i t ，几何 图形模拟以及网格生成的预处理程序；t g r i d ，可以从已有边界网格中生成体网格的附加 前处理程序；f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) 从c a d c a e 软件如：a n s y s ，i d e a s ，n a s t r a n ， p a t r a n 等的文件中输入面网格或者体网格。图2 一l 所示为以上各部分的组织结构。 图2 - 1 基本程序结构 在上述部分中，前置处理器即网格生成软件g a m b i t 和f l u e n t 求解器是f l u e n t 软件的主要组成部分。 g a m b i t i | 前是c f d 分析中最好的前置处理器，它包括先进的几何建模和网格划分 方法及指定边界条件。作为f n j e n t 的前处理器，g a m b i t 具有全面的几何建模能力和 东北林业人学烦i 学位论文 灵活的网格划分能力。在e x c e e d 语葺环境中，借助功能灵活、完全集成的和易于操作 的界面，g a m b i t 可以显著减少f l u e n t 应用中的前置处理时间。复杂的模型可直接采 用g a m b i t 固有几何模块生成，或由c a d c a e 构型系统输入。高度自动化的网格生成工 具保证了最佳的网格生成，如结构化的、非结构化的、多块的、或混合网格。另外，g a m b i t 所建模型可方便地选取合适的边界条件，最终生成包含有边界信息的网格文件。 f l u e n t 求解器的核心是数值求解方案。常用的数值求解方案包括有限差分、有限 元、谱方法和有限体积法等。总体上讲，这些方法的求解过程大致相同，包括以下步骤： 借助简单函数来求近似待求的流动变量。 将该近似关系代入连续型的控制方程中，形成离散方程组。 求解代数方程组。 各种数值求解方案的主要差别在于流动变量被近似的方式及相应的离散化过程闭。 2 1 2 3f l i j f n t 软件的模拟步骤 f l u e n t 软件的模拟一般分为以下几个基本的步骤： 确定几何模型，生成计算网格。本文中运用g a m b i t 生成网格。 输入并检查网格。 选择f l u e n t 求解器。 运行合适的解算器：2 d ( 二维单精度) 、3 d ( 三维单精度) 、2 d d p ( 二维双精度) 、 3 d d p ( 三维双精度) 。 选择求解方程：层流或湍流( 或无粘流) ，化学组分或化学反应，传热模型等。确 定其他需要的模型，如：风扇、热交换器、多孔介质等模型。 确定流体的材料物理性质。 确定边界类型及其边界条件。 条件计算控制参数。 求解计算。 检查结果。 保存结果，进行后处理。 2 2 流体运动数学模型 2 2 1 流体的系统与控制体 在流体力学中，流体的系统是指某一确定的流体团，它可以是微元体积内的流体微 团，也可以是有限体积内的流体团，不管大小如何，在连续介质假设下，它们都是由确 定的连续分布的流体质点所组成。系统以外的环境称为外界，分隔系统与外界的界面则 称为系统的边界。系统通常就是作为直接研究对象的流体本身，边界往往是实在的流体 面，而外界则可以是其他流体或固体。流体的系统有两个重要的特点：第一，系统随流 体运动而运动，其占有的体积和边界形状也可随运动而变化，但系统内的流体质点始终 包含在系统内；第二，系统与外界无流体质量的交换，但可以有力的相互作用，也可以 2 汽午抖放污染物扩散的理论研究 有能量的交换。以系统为着眼点来研究流体运动的优点是可以直接应用物理学的基本定 律及其原始的数学表达式，在物理上直观易懂。缺点为所得到的运动方程是用拉格朗同 变量来描述的，应用起来并不方便。 在流体所在或流过的空间中，即在流场中，取一个相对于某参考( 坐标) 系固定不 动的空日j 体积，这个空问体积称为控制体，其形状可以是规则或任意的，体积大小可以 是无限小或有限大。控制体的封闭表面称为控制面，控制面外的空间也称为外界。显然， 控制面可以是实在的流体面，也可以是任意假想的几何面。换言之，在控制体内并不要 求处处充满要研究的流体。控制体也有两个主要特点：第一，控制体一旦取定，不仅相 对于某坐标系固定，而且其体积和形状都不随流体运动而变化；第二，流体可以穿越控 制体，因此，控制体内流体与外界有质量交换、力的相互作用，也有能量的交换。采用 控制体为着眼点的研究方法是和流体运动的欧拉描述相联系的，其优点是，所研究的空 阃范围确定不变，和大多数实际工程问题的流动条件比较一致。同时，在欧拉描述下， 便于应用数学分析中的场论，数学表达式的通用性好。但这种方法不能直接应用物理学 基本定律，必须把系统物理量随时间的变化率转换成控制体的积分形式。正是这种转换 ( 也就是从拉格朗日描述向欧拉描述的转换) 使得流体力学的运动方程为非线性的偏微 分方程【3 7 1 。 2 2