城市地区有毒有害气体的迁移扩散是个三维、动态的复杂环境过程，本课题围绕街区建筑群环境中毒气扩散过程的精细化建模、模拟开展理论和技术方法研究。着重分析了建筑物扰动和非稳态气象条件下近地面有毒有害气体的扩散机理和过程；耦合GIS和计算流体力学模型（CFD Model），提出一个街区尺度毒气扩散过程建模、模拟的技术框架模型；利用二维GIS数据、建筑物高程信息和Google SketchUP软件建立街区冠层三维模型，以之为壁面边界，基于Delaunay网格实现近地面空间场的离散剖分，为扩散过程模拟提供必要的空间模型支撑；基于RANS方法建立扩散数学模型，实现模拟结果（流场、浓度场）的动态可视化，结合试验区建筑物和人口分布数据，估算周边人员的毒气暴露水平。研究成果及方法可为环境事故危害评估、应急指挥决策等提供理论依据。 2100433B

有毒有害物质的意外泄漏大多形成低而平的毒气云团，沿地面拓展延伸，对居民生命财产安全和城市生态环境构成严重威胁。本研究以城市街区环境下毒气扩散过程的精细化建模、模拟为目标，综合考虑城市建筑物下垫面和风速、风向等气象环境参数对扩散过程的影响，基于GIS建立城市下垫面几何模型；研究具有下垫面边界约束的三维空间离散方法，自动生成计算网格，构造三维数据场，支持毒气扩散数值模拟；基于大涡模拟的相关理论和方法，研究建立一个适用于城市街区环境的CFD扩散模型；通过GIS和CFD模型的耦合，支持模拟过程中有关参数的自动提取和赋值，实现模拟结果（流场、浓度场）的动态可视化，为事故危害评估、应急指挥决策以及城市防灾规划等提供理论依据。

CFD在暖通空调工程的应用始于1974年，国外在这方面发展较快，目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。就其研究方向而言，主要可分为两方面：基础研究和应用研究。目前，美国、欧洲、日本等发达国家对CFD的基础和应用研究都处于领先水平，我国的清华大学等也有较为独特的研究方向。下面简要介绍。

CFD仿真模拟基础研究

目前CFD在暖通空调工程的应用基础研究方面，主要有如下新动态：

(1)室内空气流动的简化模拟：美国MIT，从描述空调风口入流边界条件的方法、湍流模型等方面进行研究，以对室内空气流动进行简化模拟；中国清华大学，研究空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法，建立室内空气流动数值模拟的简捷体系；

2)室内外空气流动的大涡模拟：美国MIT、日本东京大学，研究大涡模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用，目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等；

(3)室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟：美国MIT，通过将简化的CFD模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计；

CFD仿真模拟应用研究

(1)自然通风的数值模拟：美国MIT、香港大学等，主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题；

(2)置换通风的数值模拟：美国MIT、丹麦Aalborg大学、中国清华大学等，如地板置换通风、座椅送风等；

(3)高大空间的数值模拟：中国清华大学等，以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究；

(4)VOC散发的数值模拟：美国MIT等，借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题；

(5)洁净室的数值模拟：中国清华大学等；对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计；2100433B

随着计算机技术和数值算法的不断发展，通过数值模拟手段研究矿物分选过程逐渐成为矿物加工领域的重要研究方向。本研究应用计算流体力学（CFD）和离散元（DEM）耦合的数值模拟方法，从微观角度对颗粒在螺旋溜槽中的运动行为进行模拟研究，探讨其在螺旋溜槽分选空间的运动规律及其影响因素，建立螺旋溜槽分选数值模型，并通过颗粒分离试验结果对分选数值模型进行验证，在此基础上借助于数值模拟二次开发对模拟过程及分选数值模型进行优化控制，以提高模拟研究的可靠性和精确度。本研究旨在推进矿物分选从以常规条件试验研究为主向以数值试验研究为主甚至虚拟现实转变，改变某些变量对分选过程的影响仅限于定性分析的状况，为对其进行定量描述创造条件。研究将围绕螺旋溜槽流场数值模拟、颗粒运动行为数值模拟及分选数值模型的验证与优化逐步展开，着重探讨不同变量对颗粒运动行为的协同作用，为更好地发挥复合力场分选的独特优势奠定基础。

本项目首先采用k-ε湍流模型和VOF多相流模型对螺旋溜槽流场进行数值模拟，查明了其流场分布特征以及螺距和给矿流量对流场参数的影响，继而在流场模拟的基础上，通过离散相耦合等方法模拟了固体颗粒在螺旋溜槽中的运动行为，并探讨了螺距、给矿条件和颗粒性质对颗粒分选行为的影响规律。为了检验数值模拟结果的可靠性和精确度，借助于流场实测结果和纯矿物分离结果对数值模拟结果进行验证。研究结果表明，螺旋溜槽中的水相流速呈明显的条带状分布，其速度值沿槽深方向逐渐升高；湍动能在径向上以类似于椭圆环状分布，外缘的紊流度从上至下逐渐升高；在相同的流场条件下，颗粒运动速度极值与其密度大小呈负相关；螺距增大后，水层厚度不变，而水相流速和湍动能相应增加，颗粒运动速度也明显增加，有利于加速粒群的分带和分选；给矿流量对水层厚度、流速和湍动能的大小均具有明显影响，但对它们的分布特征影响较小，而颗粒运动的随机性与该因素呈正相关，即流量增大会导致粒群分带延迟，不利于分选；数值模拟不仅可以准确描述参数的定性影响规律，还可以获得定量的产率指标，且预测指标与实际指标吻合良好，因此数值模拟手段具有很高的可靠性和精确性。项目研究结果为深入开展矿物分选数值试验奠定了良好基础，为进一步降低选矿试验成本和研发周期创造了有利条件。另外，结合项目实施所形成的研究策略、流场测速系统等也为相似研究提供了参考。迄今，在学术期刊和国际学术会议上发表学术论文8篇。 2100433B