环境空气动力学

空气动力学的一个新分支

环境空气动力学是空气动力学的一个新分支，主要研究近地面大气中风的各种空气动力学特性和各类粒子在其中的迁移扩散规律。它是在解决环境问题的社会需要推动下形成和发展起来的一门空气动力学分支学科，具有很强的边缘性和应用性。20世纪初德国的L·普朗特和稍后英国的G·I·泰勒等人为这方面的研究做了奠基性的工作。到70年代后期学术界开始采用这一名词，1978年起有专著出版。

学科简介

环境空气动力学研究自然界中大尺度气体运动的规律

自然界中的空气，由于受到地球旋转作用、地心引力作用和太阳辐射作用等，进行着十分复杂的运动。环境空气动力学就是运用流体力学的基本理论和研究方法，研究自然界中大尺度气体运动的规律，以及运动着的气体相互之间以及与周围物体之间的受力、受压、受热、相变和扩散机理、变形特性的一门新学科。

环境空气动力学这一概念是英国的理论力学教授斯科勒在1957年提出来的。随着工业、航空和航天技术以及计算技术的迅速发展，一方面对环境空气动力学提出了许多新的研究课题；另一方面为环境空气动力学的研究提供了有力的观测手段。1977年斯科勒出版了专著《环境空气动力学》，标志着环境空气动力学的研究有了新的进展。

研究内容

大致可归纳为两大类：

风环境问题

风是大气在水平气压梯度力、地球自转科里奥利力(见相对运动)和地面摩擦力的共同作用下发生的流动。这些作用和太阳的辐射作用一样，都具有随高度而变化的特点，因此，风是一种在大小、方向和温度等方面都随高度变化的特殊的湍流剪切运动。在地形地物（如山丘、森林、湖泊、建筑物等）的影响下，近地面大气的流动情况更为复杂。从空气动力学的角度看可归结为特种剪切湍流绕非流线体的流动问题和在不同地表面条件下的壁面湍流流动问题。在环境空气动力学中，它们统称为风环境问题。雪、沙迁移堆积的疏导；防风林的布置；城市建筑的规划；运动场、飞机场的建设等都涉及风环境问题。

风扩散问题

固态、液态、气态粒子在大气中的扩散规律是环境保护工作十分关心的一个重要问题。它与评价大气环境质量，预报大气污染情况，决定厂房、烟囱等污染源的合理位置，以便充分发挥大气的自然净化能力，减少空气污染的问题有十分密切的联系。此外，它还关系到植物种子（如花粉）在大气中的传播和农作物的生长。各类粒子在大气中的扩散规律除了受到粒子本身的物理化学性质影响外，主要还取决于风的温度、速度（大小和方向）分布及其脉动情况的组合。在环境空气动力学中是以扩散能力为标准对这些组合进行分类的。通常用环境大气的稳定性表示，并用理查孙数Ri作判据。在环境空气动力学中，理查孙数是单位时间内大气的热浮力与湍流应力对单位质量粒子所作功之比，表达式为:

式中Γ为大气干绝热递减率；g为重力加速度；z为高度；T为气温；为平均风速。若Ri0，热力作用抑制了湍流作用，大气扩散能力就减弱，成为一种稳定状态。风扩散问题的核心就在于弄清在各种地形地物的条件下和不同的大气稳定度时湍流扩散的过程和机理。

研究方法

可分为理论分析(包括数值计算)、现场观测和实验室模拟三种。现场观测是最基本的方法，既能为实验室模拟和理论研究提供线索，又可检验它们的结果，从现场观测归纳出来的许多经验和半经验模式已在解决实际问题中发挥重大的作用。但这种方法耗费较多的人力、物力和时间，特别是由于现场条件无法进行控制和改变，难以用来从事机理的研究和解决复杂问题。所以，在环境空气动力学的研究和应用中，实验室模拟，特别是环境风洞模拟实验的方法很受重视。至于理论分析方面，还没有令人满意的模型。

发展趋势

由于社会的迫切需要，环境空气动力学进一步发展的总趋势是把近代数学、力学、微气象学和大气化学等多种传统学科，把机理研究和实际应用以及把理论分析、现场观测和实验室模拟三种手段都密切结合起来进行研究。具体表现在：建立能同时体现确定性和随机性的理论模型；增进实验模拟能力和探讨相似律；改善现场测试仪器和提高数据处理水平以及进一步开拓研究内容。特别是在研究内容的开拓方面，将侧重研究风载荷、风资源和风灾害等问题。研究风载荷问题的目的是确定高耸建筑物和构筑物所受到的风压，包括风压平均值的分布情况并探索风压脉动值的变化规律。研究风资源问题是从开发利用新能源的角度，从少量观测点所获得的数据中获得足够的信息以确定大范围的风场特性。研究风灾害问题是为了了解给人类带来严重灾难的局地风的生消规律，作好预测预报，防止风灾造成的损失。