| 亚格子模型是影响应用大涡模拟方法预测建筑风环境的重要因素之一。本文对现有亚格子模型进行了分析，依据湍流场被动标量片状结构的特性及湍流唯象理论推演亚格子模型。研究结果表明推演出的亚格子模型能够用于建筑风环境的分析与预测。主要完成的工作如下： 1）基于湍流场被动标量的片状结构特性，推演得到描述局部湍流耗散的亚格子模型，即被动标量亚格子模型（Passive Scalar，PS亚格子模型）；利用所提出的PS亚格子模型对模型建筑周围的绕流场进行了数值计算，数值计算结果与实验数据的对比表明，本文所推演出的PS亚格子模型能够用于建筑绕流场的分析与预测；对比分析了PS亚格子模型与目前常用的局部动态平衡亚格子模型（Local Dynamic Kinetic Energy，LDKE亚格子模型）和壁面适应性涡粘性亚格子模型（Wall-Adapting Local Eddy-viscosity，WALE亚格子模型），数值计算结果显示，在贴近壁面处，PS亚格子模型和WALE亚格子模型具有同样良好的模拟特性；在建筑物顶部的下风向位置处，PS亚格子模型和LDKE亚格子模型具有一样良好的模拟特性；选取了雷诺时均方法中的重整化群k-ε湍流模型和可实现 k-ε湍流模型，对比研究了PS亚格子模型与雷诺平均数值模拟的结果。结果表明，PS亚格子模型的模拟性能优于重整化群k-ε湍流模型和可实现k-ε湍流模型的模拟性能。雷诺时均方法能够模拟建筑模型周围气体流动平均速度和湍动能分布的趋势，但与大涡模拟方法相比，雷诺平均法的模拟准确度略差，在模拟建筑周围湍动能方面，雷诺平均法低估了建筑周围的湍动能值。 2）基于湍流唯象理论中的同步级串和涡概念，提出了描述建筑周围涡变化的涡演化假说。以涡演化假说为基础，提出了湍流唯象理论亚格子模型（Turbulence Statistic Phenomenological，TSP亚格子模型）。TSP亚格子模型基于涡运动，通过斯特劳哈尔（Strouhal，St）数描述了建筑周围大尺度涡的周期运动，另外TSP亚格子模型通过涡运动描述了多种尺度的湍动能和湍动能耗散率变化。与PS亚格子模型只描述局部湍流运动不同，TSP模型基于涡的观点描述局部与大尺度的湍流变化。TSP亚格子模型对建筑绕流场的数值模拟特性说明，TSP亚格子模型可以用于高雷诺数条件下建筑绕流问题的分析与预测。TSP亚格子模型、PS亚格子模型和WALE亚格子模型模拟特性与实验值的对比研究表明，基于唯象理论的TSP亚格子模型具有可靠的模拟特性。另外，基于TSP亚格子模型的建筑周围流线的分布结果显示，在不同的建筑高度处，气体的流动具有不同的特征。利用TSP亚格子模型模拟研究了建筑群风场特性，模拟结果与实验数据的对比分析说明，TSP亚格子模型适合于模拟城市建筑群绕流问题。基于TSP亚格子模型的数值结果能够呈现建筑群周围风场中存在的涡。 3）利用基于温度标量圆盘提出的TSP亚格子模型研究了城市小区建筑周围的风环境，给出了小区内部气流速度、湍动能及涡在行人高度处的分布。结果表明，气流遇到小区建筑群的阻挡，在小区建筑群内部形成不同的涡，分布在小区内部建筑物的周围。以建筑间的通道为例，分析了气体的流动及涡。模拟结果说明TSP亚格子模型适合被用来模拟小区内部的风环境及涡。 4）基于颗粒物浓度标量圆盘，提出浓度标量亚格子模型。利用该标量亚格子模型研究大尺度街区内部的风环境，给出了气流速度、湍动能、涡及污染物（PM2.5）浓度的分布。以下风侧位置处的街谷剖面为例，给出了街谷内部的气体流动、涡及PM2.5颗粒物浓度的分布。模拟结果说明T浓度标量亚格子模型适合被用来模拟街区内部的风环境，涡以及PM2.5颗粒物的分布。 5）针对核电站厂区可能发生的核元素泄漏事故，推导了放射性核素活度浓度（Radioactive Concentration，RAC）输运方程。基于核素活度浓度标量圆盘，提出与之对应的亚格子模型。利用大涡模拟方法研究了反应堆发生泄漏后核素活度浓度的迁移规律。模拟结果说明该亚格子模型适合被用来模拟钝体反应堆周围的核素活度浓度分布。核素活度浓度除具备被动标量的对流扩散规律外，还具有独特的衰变规律。衰变过程中出现的各种不同的核素，其活度浓度的空间分布是不同的。 6）应用大涡模拟基于标量圆盘的亚格子模型对核电厂区放射性核素活度浓度扩散进行了模拟，给出了一次衰变产物和二次衰变产物在行人高度处的分布。以事故反应堆为例，分析了不同衰变产物活度浓度分布的差异。结果表明：一次衰变产物的活度浓度集中分布在事故反应堆区域附近。二次衰变产物的核素活度浓度的分布与一次衰变产物的核素活度浓度的分布不同，其在下风侧的扩散范围更大。模拟结果说明基于标量圆盘的亚格子模型适合被用来预测实际厂区周围的核素活度浓度分布。 |
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