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環境空氣動力學

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環境空氣動力學是空氣動力學的一個新分支,主要研究近地面大氣中風的各種空氣動力學特性和各類粒子在其中的遷移擴散規律。

環境空氣動力學環境監測圖

環境空氣動力學是空氣動力學的一個新分支,主要研究近地面大氣中風的各種空氣動力學特性和各類粒子在其中的遷移擴散規律。它是在解決環境問題的社會需要推動下形成和發展起來的一門空氣動力學分支學科,具有很強的邊緣性和應用性。20世紀初德國的L·普朗特和稍後英國的G·I·泰勒等人為這方面的研究做了奠基性的工作。到70年代後期學術界開始採用這一名詞,1978年起有專著出版。

1 環境空氣動力學 -學科簡介

環境空氣動力學環境空氣動力學研究自然界中大尺寸氣體運動的規律

自然界中的空氣,由於受到地球旋轉作用、地心引力作用和太陽輻射作用等,進行著十分複雜的運動。環境空氣動力學就是運用流體力學的基本理論和研究方法,研究自然界中大尺寸氣體運動的規律,以及運動著的氣體相互之間以及與周圍物體之間的受力、受壓、受熱、相變和擴散機理、變形特性的一門新學科。

環境空氣動力學這一概念是英國的理論力學教授斯科勒在1957年提出來的。隨著工業、航空和航天技術以及計算技術的迅速發展,一方面對環境空氣動力學提出了許多新的研究課題;另一方面為環境空氣動力學的研究提供了有力的觀測手段。1977年斯科勒出版了專著《環境空氣動力學》,標誌著環境空氣動力學的研究有了新的進展。

研究自然界的流體運動,須要求解流場中各點的溫度、壓力、密度、速度、加速度等物理參數,尋找出它們之間的相互關係。對於無旋、無粘性的理想流體,可根據質量守恆定律推導出連續方程。但是自然界的流體是有粘性的、有旋度的,處理這種流體運動時,要用納維-斯托克斯方程。在自然界中,當流體流過圓柱或圓球時,如果雷諾數不太大,會在圓柱表面產生分離並在尾部產生一個渦系,稱為卡門渦街。強風吹過高煙囪、高層建築物時都會產生卡門渦街。如果渦街排列不對稱,就會產生不穩定衝擊,引起建築物的渦振動。

在環境空氣動力學中經常使用渦量這個概念。渦量是個向量,它的大小為微團旋為渦量的方向。渦量的概念在研究漂浮運動和雲街產生的機理時很有用。由於摩擦阻力和地面地形的不同,氣流中出現不同旋轉方向的渦量,而上層的空氣在風的剪切作用下,出現波浪形的流動,結果在凝結線上方出現了雲街。

環境空氣動力學還包括研究在地球的自轉作用、重力作用和太陽輻射作用下引起的大氣相變和對流,以及由此而產生的風、雲、雨霧等自然現象的機理;研究分層氣體的運動規律,以及產生波和波濤的機理;研究大氣的揣流、飄浮對流、沉降動力等,以便弄清自然界中氣體質量和固體質量遷移的機理,這對研究污染物傳輸、擴散的規律和機理,以及防止污染的措施有用;研究生命的空氣動力環境,弄清大氣運動對人類以及鳥類和昆蟲的影響等。

環境空氣動力學常用的研究方法有理論分析、現場觀測和實驗室模擬三種。

2 環境空氣動力學 -研究內容

大致可歸納為兩大類:

環境空氣動力學城市建築的規劃等涉及風環境問題

① 風環境問題 
風是大氣在水平氣壓梯度力、地球自轉科里奧利力(見相對運動)和地面摩擦力的共同作用下發生的流動。這些作用和太陽的輻射作用一樣,都具有隨高度而變化的特點,因此,風是一種在大小、方向和溫度等方面都隨高度變化的特殊的湍流剪切運動。在地形地物(如山丘、森林、湖泊、建築物等)的影響下,近地面大氣的流動情況更為複雜。從空氣動力學的角度看可歸結為特種剪切湍流繞非流線體的流動問題和在不同地表面條件下的壁面湍流流動問題。在環境空氣動力學中,它們統稱為風環境問題。雪、沙遷移堆積的疏導;防風林的布置;城市建築的規劃;運動場、飛機場的建設等都涉及風環境問題。

② 風擴散問題 
固態、液態、氣態粒子在大氣中的擴散規律是環境保護工作十分關心的一個重要問題。它與評價大氣環境質量,預報大氣污染情況,決定廠房、煙囪等污染源的合理位置,以便充分發揮大氣的自然凈化能力,減少空氣污染的問題有十分密切的聯繫。此外,它還關係到植物種子(如花粉)在大氣中的傳播和農作物的生長。各類粒子在大氣中的擴散規律除了受到粒子本身的物理化學性質影響外,主要還取決於風的溫度、速度(大小和方向)分佈及其脈動情況的組合。在環境空氣動力學中是以擴散能力為標準對這些組合進行分類的。通常用環境大氣的穩定性表示,並用理查孫數Ri作判據。在環境空氣動力學中,理查孫數是單位時間內大氣的熱浮力與湍流應力對單位質量粒子所作功之比,г為大氣干絕熱遞減率;g為重力加速度;z為高度;T為氣溫;尌為平均風速。若Ri<0,熱力作用加強了湍流作用,大氣擴散能力就增強,成為一種不穩定狀態;若Ri=0,湍流作用不會受熱力作用的影響,大氣就處於中性狀態;若Ri>0,熱力作用抑制了湍流作用,大氣擴散能力就減弱,成為一種穩定狀態。風擴散問題的核心就在於弄清在各種地形地物的條件下和不同的大氣穩定度時湍流擴散的過程和機現。

3 環境空氣動力學 -研究方法

可分為理論分析(包括數值計算)、現場觀測和實驗室模擬三種。現場觀測是最基本的方法,既能為實驗室模擬和理論研究提供線索,又可檢驗它們的結果,從現場觀測歸納出來的許多經驗和半經驗模式已在解決實際問題中發揮重大的作用。但這種方法耗費較多的人力、物力和時間,特別是由於現場條件無法進行控制和改變,難以用來從事機理的研究和解決複雜問題。所以,在環境空氣動力學的研究和應用中,實驗室模擬,特別是環境風洞模擬實驗的方法很受重視。至於理論分析方面,還沒有令人滿意的模型。

4 環境空氣動力學 -發展趨勢

環境空氣動力學環境空氣中氡的標準測量方法

由於社會的迫切需要,環境空氣動力學進一步發展的總趨勢是把近代數學、力學、微氣象學和大氣化學等多種傳統學科,把機理研究和實際應用以及把理論分析、現場觀測和實驗室模擬三種手段都密切結合起來進行研究。具體表現在:建立能同時體現確定性和隨機性的理論模型;增進實驗模擬能力和探討相似律;改善現場測試儀器和提高數據處理水平以及進一步開拓研究內容。特別是在研究內容的開拓方面,將側重研究風載荷、風資源和風災害等問題。研究風載荷問題的目的是確定高聳建築物和構築物所受到的風壓,包括風壓平均值的分佈情況並探索風壓脈動值的變化規律。研究風資源問題是從開發利用新能源的角度,從少量觀測點所獲得的數據中獲得足夠的信息以確定大範圍的風場特性。研究風災害問題是為了了解給人類帶來嚴重災難的局地風的生消規律,作好預測預報,防止風災造成的損失。

5 環境空氣動力學 -相關學科

環境地學、環境地質學、環境土壤學、環境海洋學、污染氣象學、環境地球化學、環境化學、環境分析化學、環境污染化學、環境生物學、環境醫學、環境毒理學、環境流行病學、環境物理學、環境光學、環境聲學、環境熱學、環境電磁學、環境經濟學、環境工程學。

6 環境空氣動力學 -參考資料

[1] 大科普網 http://www.ikepu.com/geography/environment/environoment_branch/environoment_aerodynamics_total.htm
[2] 澤澤網 http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-134431

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