[论文解读] Dry deposition model for a microscale aerosol dispersion solver based on the moment method

Viktor Ší́p, Luděk Beneš|arXiv (Cornell University)|May 11, 2016

Particle Dynamics in Fluid Flows参考文献 36被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于矩方法的干沉降模型，用于微尺度气溶胶扩散求解器，将布朗扩散、截留、惯性撞击、湍流撞击和沉降五种沉降过程整合进粒径相关的沉降速度公式中。该模型在OpenFOAM中实现，相较于使用41个分组的分组法，计算速度提升约8倍，同时保持了粒子粒径分布的准确性（第三moment的相对误差小于10%），证明其在城市微尺度空气质量模拟中的可行性。

ABSTRACT

A dry deposition model suitable for use in the moment method has been developed. Contributions from five main processes driving the deposition - Brownian diffusion, interception, impaction, turbulent impaction, and sedimentation - are included in the model. The deposition model was employed in the moment method solver implemented in the OpenFOAM framework. Applicability of the developed expression and the moment method solver was tested on two example problems of particle dispersion in the presence of a vegetation on small scales: a flow through a tree patch in 2D and a flow through a hedgerow in 3D. Comparison with the sectional method showed that the moment method using the developed deposition model is able to reproduce the shape of the particle size distribution well. The relative difference in terms of the third moment of the distribution was below 10\\% in both tested cases, and decreased away from the vegetation. Main source of this difference is a known overprediction of the impaction efficiency. When tested on the 3D test case, the moment method achieved approximately eightfold acceleration compared to the sectional method using 41 bins.

研究动机与目标

• 开发一种与矩方法兼容的干沉降模型，用于微尺度气溶胶扩散模拟。
• 在矩方法框架内整合五种主要干沉降过程——布朗扩散、截留、惯性撞击、湍流撞击和沉降。
• 在二维和三维城市植被场景中，通过与分组法对比，测试该模型的准确性和计算效率。
• 实现在有植被的城市微尺度环境中高效模拟粒子粒径分布的演化。

提出的方法

• 通过将Petroff等人（2008b）的干沉降模型适配至矩方法，将沉降速度表示为粒子直径的幂函数。
• 采用三个耦合的偏微分方程（PDE）表示前三个矩（M₀、M₁、M₂）来描述粒子粒径分布。
• 在OpenFOAM框架下，使用有限体积计算流体动力学（CFD）求解器实现该模型，用于二维和三维微尺度流场与扩散模拟。
• 假设粒子粒径分布为对数正态分布，从而实现矩的解析计算。
• 将沉降速度表示为五种物理过程贡献之和，每种过程均以粒子直径的幂函数形式表达。
• 通过41个粒径分组的分组法进行验证，比较粒子数量和体积分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在矩方法框架内成功构建一个整合五种关键沉降机制的干沉降模型，用于微尺度气溶胶扩散？
• RQ2 与分组法相比，该模型在矩方法下对粒子粒径分布形状的再现精度如何？
• RQ3 在有植被的城市微尺度粒子扩散模拟中，矩方法相较于分组法的计算性能提升程度如何？
• RQ4 矩方法中惯性撞击效率的高估如何影响其相对于分组法的准确性？
• RQ5 在微尺度城市空气质量模拟中，矩方法在降低计算成本的同时，能在多大程度上保持精度？

主要发现

• 所开发的矩方法模型在第三moment上与分组法相比，粒子粒径分布形状的相对差异小于10%。
• 主要误差来源是矩方法中惯性撞击效率的高估，导致沉降速率偏高。
• 三维模拟显示，随着远离植被区域，第三moment的相对误差减小，表明在混合良好的区域精度更高。
• 与使用41个分组的分组法相比，矩方法实现了约8倍的计算速度提升，运行时间分别为1128秒与9120秒。
• 若将分组法的计算工作量等效为矩方法的规模，仅需5个分组即可实现，但该数量不足以准确分辨分布形态。
• 当粒子粒径分布近似为对数正态分布时，该方法适用于微尺度城市扩散建模，且可通过叠加方法扩展至多峰分布。