基于Fluent的城市街區(qū)大氣污染擴散仿真

孫豪宇，鄔群勇*

(1. 福州大學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建 福州 350108；2. 衛(wèi)星空間信息技術(shù)綜合應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建 福州 350108；3. 數(shù)字中國研究院(福建)，福建 福州 350108)

1 引言

近年來，城市空氣污染問題愈演愈烈[1]，直接影響到人們的身體健康[2]。研究城市街區(qū)大氣污染源擴散規(guī)律，進(jìn)而預(yù)防或者減少城市中大氣污染物，對于改善和保護(hù)人類的生存環(huán)境具有重要意義。

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算流體動力學(xué)(Computa-tional Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)得到飛速進(jìn)步與成熟[3]。Fluent是一款國際流行的商用CFD軟件包，在流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。Fluent對污染物傳輸和擴散有較好的模擬能力[4-6]，但是，F(xiàn)luent為適應(yīng)各個領(lǐng)域的需求，設(shè)計了復(fù)雜的面板參數(shù)，計算中需要用戶輸入的操作較多且專業(yè)要求較高，導(dǎo)致操作困難。因此，研究人員基于Fluent軟件擴展衍生了針對于不同領(lǐng)域的易于操作和理解的仿真平臺。如李湘平等[7]實現(xiàn)電磁軌道發(fā)射彈丸內(nèi)部磁場仿真；宋先知等[8]開發(fā)熱力射流調(diào)制與流場計算分析軟件；李慧等[9]研發(fā)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)；鄭朝亮等[10]實現(xiàn)裝甲車輛紅外仿真程序；Mengqi Li等[11]實現(xiàn)油罐車流場分析及仿真；Qiang Liu等12]研發(fā)板坯連鑄機二冷系統(tǒng)的凝固與優(yōu)化研究平臺。這些仿真平臺主要是對Fluent最基本的日志文件或者用戶自定義函數(shù)進(jìn)行簡單修改操作，并未真正實現(xiàn)基于Fluent二次開發(fā)的接口，因此，軟件的功能可擴展和維護(hù)性較差。

本文的創(chuàng)新在于提出GUI命令流參數(shù)化設(shè)計方法及TUI命令流封裝方法，解決了Fluent命令編寫困難，復(fù)雜和可讀性差的問題，為不同領(lǐng)域Fluent定制開發(fā)提供統(tǒng)一接口。城市街區(qū)大氣污染擴散仿真軟件(PSDS)具有參數(shù)設(shè)置少，功能可擴展，操作簡單，良好維護(hù)性等特征，可以簡單快速的實現(xiàn)城市街區(qū)大氣污染擴散仿真。

2 Fluent仿真簡化方法

Fluent仿真首先需要解析以網(wǎng)格劃分文件(.msh)形式存儲的計算幾何模型，獲取邊界條件等計算幾何模型參數(shù)信息，其次根據(jù)Fluent提供的GUI和TUI兩種命令流設(shè)置模擬參數(shù)[7]。本文解析計算幾何模型文件，研究GUI命令流參數(shù)化設(shè)計方法及TUI命令流封裝方法，實現(xiàn)對Fluent二次開發(fā)的仿真簡化方法。

2.1 計算幾何模型文件解析

計算幾何模型文件(.msh)是Fluent進(jìn)行計算的基礎(chǔ)和前提，也是獲取計算幾何模型信息的必要途徑。計算幾何模型文件實質(zhì)上是以.msh為后綴的文本文件，按照lisp語句的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。表1是計算幾何模型文件的數(shù)據(jù)類型和組織格式。

計算幾何模型文件主要是由維度、節(jié)點、面、單元和區(qū)域構(gòu)成，節(jié)點組成面，面圍成單元，單元組成區(qū)域。通過表1數(shù)據(jù)類型及組織格式對文件進(jìn)行讀取，可以獲取計算幾何模型的邊界條件等信息，為Fluent計算模型的封裝提供必要輸入。

作為設(shè)置邊界條件的輸入?yún)?shù)，需要自動獲取計算幾何模型中各種邊界類型的邊界名，基于以上對于.msh文件的解析，邊界在.msh文件中的組織類似(45 (7 pres-sure-outlet outlet1)())，其中45為標(biāo)識數(shù)、7為邊界id、pressure-outlet為邊界類型、outlet1為邊界名。因此，本文提出逐行讀取文件流，對文件中以(45開頭的行字符串進(jìn)行截取，得到計算幾何模型的邊界類型及邊界名。偽代碼如下：

streamReader獲取逐行讀取網(wǎng)格文件流

While(line為空)

if(line的開頭字符串為：”(45”)

boundary[0]賦值邊界類型

boundary[1]賦值邊界名

將boundary二維數(shù)組添加到boundarys列表

表1 計算幾何模型文件數(shù)據(jù)類型及組織格式

2.2 GUI命令流參數(shù)化設(shè)計方法

Fluent GUI(Graphical User Interface)腳本命令流可以通過兩種方式獲得。一是通過操作Fluent軟件，而生成記錄每一步操作的日志文件(Journal File)，這種方式可以方便的獲取腳本命令流，但因Fluent軟件的復(fù)雜性，對其進(jìn)行修改非常繁瑣；二是使用文本編輯器用Scheme語言編寫，這種方式編寫腳本命令工作量巨大且復(fù)雜。本文研究GUI命令流參數(shù)化設(shè)計方法，通過界面編程的方式自動編寫腳本命令，既解決腳本命令編寫復(fù)雜，又能解決腳本命令修改困難的問題。

Fluent GUI以命令流的形式將計算過程中的每一步操作記錄在日志文件中(.jou)，通過研究Fluent生成的日志文件，其命令流組織規(guī)則如下：

第一，每種操作函數(shù)的第一個參數(shù)為文本類型的參數(shù)，這個參數(shù)用于指定操作位置。

第二，每條操作函數(shù)命令后有一條激活函數(shù)命令(cx-gui-do cx-activate-item)。

第三，操作函數(shù)中若是有列表類型的參數(shù)，且列表參數(shù)值為索引號，那么可以用對應(yīng)的實際名稱替換該索引號。

基于GUI命令流組織規(guī)則，搭建交互窗口進(jìn)行參數(shù)傳遞，通過文件流寫入方式實現(xiàn)journal文件的參數(shù)化自動生成。如對于穩(wěn)態(tài)計算中迭代步數(shù)設(shè)置的腳本命令，可以利用上述方法思想編寫偽代碼如下：

streamWriterLine("(cx-gui-do cx-set-integer-entry "Run Calculation*Table1*IntegerEntry10(Number of Iterations)" "+numberOFIterations+")")；

streamWriterLine ("(cx-gui-do cx-activate-item "Run Calculation*Table1*IntegerEntry10(Number of Iterations)")")；

其中streamWriterLine為文件流寫入方法，numberOFIterations為傳入的迭代步數(shù)參數(shù)，這就是將參數(shù)化思想融入腳本命令編程的體現(xiàn)。

2.3 TUI命令流封裝方法

通過GUI命令流參數(shù)化設(shè)計方法可以實現(xiàn)對GUI腳本命令進(jìn)行參數(shù)化編程，進(jìn)而開發(fā)出符合針對各領(lǐng)域的仿真平臺。但是，GUI命令流組織比較松散，很難將其封裝為可以通用的方法模塊進(jìn)行調(diào)用，而且GUI命令需要調(diào)用窗口顯示，執(zhí)行效率相對較低。Fluent TUI(Text-based User Interface)命令可以直接在Fluent的控制臺(Console)窗口中輸入并執(zhí)行，也可以在文本編輯器中編寫命令代碼并保存為日志文件(.jou)，由Fluent讀取日志文件來執(zhí)行文件中的命令，可以很好的解決GUI存在的以上問題。

TUI腳本命令由目錄和命令組成，即首先選擇目錄，然后執(zhí)行該目錄下相應(yīng)的命令，F(xiàn)luent TUI提供了14大類一級目錄，分別對應(yīng)功能如表2。

表2 Fluent TUI一級目錄命令

本文提出將TUI命令封裝為一系列簡單易用的方法模塊，解決TUI命令可讀性差且編寫復(fù)雜的問題。TUI命令由目錄和目錄下的命令函數(shù)以及命令函數(shù)的輸入?yún)?shù)值三個部分組成，輸入?yún)?shù)值最常用的有yes(縮寫y)，no(縮寫n)和文本，yes和no用于詢問是否選擇某操作(方法)，文本用于設(shè)置實數(shù)值等。參照表2以及TUI命令的組成規(guī)則，可以得到Fluent功能對應(yīng)的TUI命令。如定義邊界條件的目錄為/define/boundary-conditions/，定義速度入口邊界條件的命令函數(shù)為velocity-inlet，命令函數(shù)需要的輸入?yún)?shù)根據(jù)模型選擇的不同而不同，如湍流模型選擇層流，其它模型方程全部關(guān)閉，則需要輸入的參數(shù)有邊界名、速度方法(三種)、參考框架(兩種)、速度大小和初始表壓。如果設(shè)置邊界名為inlet1的速度入口邊界條件，速度方法選擇第三種，參考框架選擇第一種，速度大小為10m/s，初始表壓為101325pa，則對應(yīng)的參數(shù)為inlet1 n n y y n 10 n 101325。因此完整的TUI命令為：/define/boundary-conditions/ velocity-inlet inlet1 n n y y n 10 n 101325。

通過以上研究發(fā)現(xiàn)對于TUI命令的使用有兩個主要的難點：一是參數(shù)非固定，根據(jù)不同情況會發(fā)生相應(yīng)的變化；二是參數(shù)多用n y這樣的值，可讀性差，不利于理解和編寫。本文提出利用面向?qū)ο蠓椒▽崿F(xiàn)TUI腳本命令的封裝，將各功能的TUI命令流封裝為簡單易用的功能對象。具體封裝流程為：根據(jù)封裝的功能對象所包含的方法設(shè)計各接口類，逐一實現(xiàn)各接口中的方法，形成實現(xiàn)類；將接口中各方法復(fù)雜的輸入?yún)?shù)封裝為參數(shù)類，便于方法調(diào)用，最后得到繼承于實現(xiàn)類的功能對象類，該類中方法的參數(shù)為便于調(diào)用的參數(shù)封裝類。

以設(shè)置邊界條件TUI命令的封裝過程為例闡述以上封裝方法，封裝流程如圖1。城市街區(qū)污染擴散仿真涉及能量方程模型、湍流模型、輻射模型、組分模型四種模型，根據(jù)對Fluent TUI命令的研究，共需要設(shè)計十個接口；邊界條件涉及速度入口(velocity-inlet)、壓力入口(pressure-inlet)、質(zhì)量流入口(mass-flow-inlet)、壓力出口(pressure-outlet)、質(zhì)量流出口(mass-flow-outlet)五種邊界類型，對應(yīng)需要在上面十個接口下分別設(shè)計五個方法。接口設(shè)計完成后，提供一個實現(xiàn)類實現(xiàn)所有接口。但是，由于Fluent軟件操作的復(fù)雜性，實現(xiàn)類中的每個方法涉及參數(shù)眾多，導(dǎo)致開發(fā)者調(diào)用這些方法仍然比較復(fù)雜，因此，對每個方法的參數(shù)進(jìn)行封裝形成參數(shù)類。最后設(shè)計一個最終對開發(fā)者開放的邊界條件設(shè)置類對象(BoundaryConditionSet)。該對象簡單明了，易用理解和調(diào)用，可以非常簡單的返回所需邊界條件設(shè)置的TUI命令。如選擇湍流模型為層流時，獲取設(shè)置速度入口的邊界條件TUI命令偽代碼為：

圖1 邊界條件TUI封裝流程

創(chuàng)建邊界條件設(shè)置類對象BoundaryConditionSet BCS

創(chuàng)建參數(shù)封裝類對象BCP＿OFFOFF.VI vi

輸入vi成員變量值

輸出TUI命令字符串TUI=BCS.Set＿OFFOFF(vi： vi)

依據(jù)上述設(shè)計思路，完成邊界條件設(shè)置的TUI命令流封裝，為Fluent提供簡單易用的二次開發(fā)庫，解決Fluent TUI腳本命令可讀性差，難以編寫的難題。最后可以利用文件流的方式實現(xiàn)TUI命令的寫入，靈活方便的得到自組織的Fluent腳本命令流日志文件(.jou)。對于得到的命令流日志文件(.jou)可以后臺調(diào)用Fluent進(jìn)行執(zhí)行。后臺執(zhí)行Fluent日志文件的命令格式為fluent x1d -g -tx2-i journal，其中x1取值為2或3，代表計算模型的維度；x2取值為處理器個數(shù)，即并行核數(shù)；journal為日志文件(.jou)路徑；-g代表Fluent后臺運行。

3 城市街區(qū)大氣污染擴散仿真平臺

利用上文研究的GUI命令流參數(shù)化設(shè)計方法及TUI命令流封裝方法，采用VS2015開發(fā)平臺，基于.NET Framework技術(shù)開發(fā)城市街區(qū)大氣污染擴散仿真平臺(PSDS)。該平臺源碼已上傳至GitHub托管平臺：https：∥github.com/Mekeater/PSDS。PSDS仿真操作流程如圖2所示。

圖2 仿真操作流程

3.1 模擬參數(shù)設(shè)置

通過簡單界面交互而實現(xiàn)自動組織和生成復(fù)雜的腳本命令日志文件(.jou)。模擬參數(shù)設(shè)置包括兩種模式，一種是簡要模式，交互界面如圖3，該模式所需參數(shù)設(shè)置較少，根據(jù)常規(guī)污染源擴散模擬計算的參數(shù)設(shè)置經(jīng)驗[13-14]，對專業(yè)性參數(shù)進(jìn)行了默認(rèn)設(shè)置，如物理模型選擇能量方程，標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型以及組分運輸方程等，該模式簡單易操作，適合沒有太多流體力學(xué)基礎(chǔ)的用戶，可以快速對污染擴散進(jìn)行計算模擬；另一種是專家模式，交互界面如圖4，適合有較強流體力學(xué)基礎(chǔ)的用戶，可以進(jìn)行更多模擬參數(shù)的設(shè)置，專家模式相比簡要模式開放了更多的參數(shù)設(shè)置，可以由用戶根據(jù)情況選擇和設(shè)置更多合適的參數(shù)，共包括八大模塊。兩種模式的交互界面如圖3。模型參數(shù)設(shè)置完成后生成腳本命令日志文件(.jou)。

圖3 簡要模式交互界面

圖4 專家模式交互界面

3.2 模擬計算求解

生成的日志文件(.jou)需要后臺調(diào)用Fluent執(zhí)行文件中的腳本命令內(nèi)容，首先自動獲取模擬參數(shù)設(shè)置所生成的日志文件(.jou)，然后，后臺調(diào)用Fluent執(zhí)行該日志文件中的腳本命令，交互界面如圖5。ANSYS Fluent具有成熟的并行策略[7]，PSDS計算求解模塊可以選擇并行或者串行執(zhí)行腳本命令，通過并行的方式調(diào)用Fluent執(zhí)行腳本命令，可以很大程度上提高計算效率，使得計算時間大大縮短。

圖5 計算求解交互界面

3.3 計算結(jié)果存儲管理

模擬計算求解完成后會自動生成整個模型和指定模型截面處的相關(guān)計算值存儲于文本類型文件中，生成文件存儲內(nèi)容包括節(jié)點數(shù)、xyz坐標(biāo)值，以及坐標(biāo)值處對應(yīng)的壓力值、速度大小值、速度角度值以及各個組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)值。同時將利用Fluent后處理生成的整個模型以及指定模型截面處的壓力云圖和矢量圖，速度大小云圖和矢量圖，以及各個組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的云圖和矢量圖以圖片的形式存儲。文本數(shù)據(jù)用作污染擴散分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，圖片用作對計算結(jié)果的基礎(chǔ)可視化和分析。

數(shù)據(jù)采用本地文件目錄樹的方式進(jìn)行存儲管理，如圖6所示。根目錄下包含以模擬計算工程名為名稱的子目錄，即每次模擬計算都會自動在根目錄創(chuàng)建一個子目錄，該子目錄的名稱以工程名命名，同時會自動在子目錄下再創(chuàng)建三個子目錄用以存儲日志文件(.jou)、整個模型以及指定模型截面處的計算值文本文件和圖片文件。對于整個模型的圖片命名規(guī)則為“工程名＿Body＿2個整數(shù)組合＿time”，指定模型截面處的圖片命名規(guī)則為“工程名＿截面名＿2個整數(shù)組合＿time”，2個整數(shù)組合為n行2列的二維網(wǎng)格的索引號，如圖7所示，time為時間值，對于穩(wěn)態(tài)計算time取值為空，對于瞬態(tài)計算time代表時間值。如test＿Body＿10＿0001.jpg為test模擬計算工程中在1秒時的速度云圖；test＿y26＿01＿為test穩(wěn)態(tài)模擬計算工程中在截面y26處的壓力矢量圖。該命名規(guī)則可以在程序中快速的調(diào)用所需的圖片進(jìn)行展示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲目錄樹

圖7 二維網(wǎng)格索引號

4 城市街區(qū)氯氣擴散仿真

影響城市大氣污染擴散的因素主要包括泄漏源(形態(tài)、位置、泄漏氣體密度等)、氣象條件(風(fēng)向風(fēng)速、濕度、大氣穩(wěn)定度等)以及地表情況等[15]。利用PSDS軟件進(jìn)行城市街區(qū)氯氣擴散仿真，驗證依據(jù)論文提出的Fluent二次開發(fā)技術(shù)方法研發(fā)的PSDS平臺，簡單易用，可以快速實現(xiàn)城市街區(qū)大氣污染擴散的仿真。根據(jù)仿真結(jié)果分析風(fēng)速以及污染源釋放的質(zhì)量通量大小對于氯氣擴散的影響。研究區(qū)域為簡化城市街區(qū)，街區(qū)內(nèi)有大小不一的建筑樓，污染源為持續(xù)釋放氯氣污染物的簡化立方體。模擬區(qū)域示意圖如圖8所示。

本文采用ANSYS集成到Workbench中的DesignModeler進(jìn)行幾何建模，采用Meshing軟件對幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。模型選擇能量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型以及組分運輸方程，考慮重力且重力方向為Z軸方向，重力大小為-9.81m/s2。利用基于壓力基求解器的非穩(wěn)態(tài)流算法，速度壓力用SIMPLE法耦合，在時間方向上采用二階隱式格式離散。左側(cè)面(left)和前方面(front)設(shè)置為速度入口邊界條件；右側(cè)面(right)和后方面(behind)設(shè)置為出流邊界條件；污染源(pollution)設(shè)置為質(zhì)量流入口邊界條件；剩余研究區(qū)域的上方和下方以及建筑物設(shè)置為無滑移壁面。以上設(shè)置既可以通過PSDS軟件的專家模式進(jìn)行設(shè)置，也可以通過PSDS軟件的簡要模式進(jìn)行快速設(shè)置，本實驗采用簡要模式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

圖8 模擬區(qū)域示意圖

4.1 不同風(fēng)速下氯氣擴散仿真

設(shè)置污染源以6kg/m2-s的質(zhì)量通量釋放氯氣，分別對速度入口風(fēng)速為6m/s、9m/s、12m/s的氯氣擴散情況進(jìn)行快速仿真。

仿真結(jié)果在建筑物的水平截面處，時間分別為5s、10s、20s、30s、40s五個時刻的氯氣擴散情況對比如圖9所示。由圖分析可得到以下氯氣擴散規(guī)律：①氯氣整體向下風(fēng)方向擴散，且在擴散初始時間段，風(fēng)速越大向下風(fēng)向的擴散范圍越大，但污染源周邊的高濃度范圍越少。這是因為較小的風(fēng)速導(dǎo)致氯氣擴散速度較慢，使得大多氯氣集中在污染源周邊形成高濃度區(qū)域，而較大的風(fēng)速導(dǎo)致氯氣擴散速度快，使得污染源周邊的氯氣快速向遠(yuǎn)處擴散，進(jìn)而污染源周邊高濃度區(qū)域越少，下風(fēng)向的氯氣擴散范圍越大。②隨著擴散時間的增加，風(fēng)速越小下風(fēng)向氯氣范圍越大且濃度越高。這是因為風(fēng)速越大氯氣就被越快的吹散，擴散范圍及濃度增長速度較慢，而風(fēng)速越小氯氣就有更多的時間積累，擴散范圍及濃度增長速度較快。③建筑物對于氯氣擴散具有明顯的阻擋作用。由圖可明顯看出污染源所在街道的氯氣經(jīng)過第一排建筑物的阻擋后，在第二條街道濃度驟減。

由以上分析可以證實風(fēng)速以及建筑物在城市污染源擴散中的重要作用，合理的規(guī)劃城市建筑，建造具有更好通風(fēng)效應(yīng)和建筑物布局的城市街區(qū)對于污染擴散具有重要的意義。

圖9 不同風(fēng)速氯氣擴散仿真

4.2 不同質(zhì)量通量下氯氣擴散仿真

設(shè)置速度入口風(fēng)速為6m/s，分別對污染源釋放質(zhì)量通量為3kg/m2-s和6kg/m2-s的氯氣擴散情況進(jìn)行快速仿真。

仿真結(jié)果在建筑物的水平截面處，時間分別為5s、10s、20s、30s、40s五個時刻的氯氣擴散情況對比如圖10所示。由圖中可以看出污染物整體向下風(fēng)向擴散，在同一時間，污染源處質(zhì)量通量越大，下風(fēng)向污染范圍越大濃度越高，隨著時間的增加，下風(fēng)向污染擴散范圍不斷增加。這是因為污染源質(zhì)量通量越大，每一時刻就有更多的氯氣被風(fēng)帶到下風(fēng)向，使得下風(fēng)向污染范圍越大濃度越高，隨著時間的增加，污染物持續(xù)向下風(fēng)向擴散，導(dǎo)致下風(fēng)向污染擴散范圍不斷增加。

圖10 不同質(zhì)量通量氯氣擴散仿真

5 結(jié)論

本文提出GUI命令流參數(shù)化設(shè)計方法及TUI命令流封裝方法，研發(fā)了城市街區(qū)大氣污染擴散仿真軟件(PSDS)，實現(xiàn)了城市街區(qū)氯氣擴散的仿真，主要結(jié)論如下：

1) 通過界面編程的方式自動編寫腳本命令，實現(xiàn)了GUI命令流參數(shù)化設(shè)計方法，解決了GUI命令編寫困難和修改復(fù)雜的問題。

2) TUI命令流封裝方法將TUI命令封裝為一系列簡單易用的方法模塊，解決了TUI命令可讀性差且編寫復(fù)雜的問題，為Fluent擴展定制開發(fā)提供統(tǒng)一接口。

3) PSDS軟件操作簡便，易于理解，解決Fluent軟件操作復(fù)雜，專業(yè)理論知識要求過高等問題，可為城市街區(qū)大氣污染擴散模擬提供簡單易用的研究工具。