CN115587705B - 一种城市气候环境快速评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种城市气候环境快速评估方法及系统。该方法包括：获取目标区域的三维空间数据，将目标区域内的建筑群简化成多个多孔介质区域，创建目标区域的几何模型，并确定计算域；对计算域进行网格划分，得到多个流场区域；根据多孔介质区域所对应的建筑群空间数据推导出在目标区域进行多孔介质模型计算的参数；选择风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的控制方程与模型，设置多孔介质模型的参数以及计算域的边界条件，进行多气候因子同步迭代计算，求解计算域内多个流场区域的计算结果；将计算结果进行空间可视化处理，得到各模拟的结果分布图，并进行评估分析。实现了减少几何建模工作量、简化多气候因子模拟流程、提高评估效率的效果。

Description

一种城市气候环境快速评估方法及系统
技术领域
本发明属于城乡规划领域，更具体地，涉及一种城市气候环境快速评估方法及系统。
背景技术
近年来，随着城市化和工业化不断推进，空气污染、热岛效应、局部强风等城市气候问题越来越严重，引起政府、社会公众及科研工作者的广泛关注。
在传统的气候环境模拟评估方法中，城市三维模型构建通常是对研究范围内所有建筑单体逐一建模，这种方式对于有些不需要探究建筑单体周边流场细节的研究来说，增加了许多不必要的工作量和计算量，尤其是对于城市大中尺度的气候环境模拟评估来说更是耗费大量时间，亟需探索一种方法来提高评估效率。同时，从气候环境评估的对象来看，主要包括风环境、热环境与污染环境，且研究表明三者之间存在复杂的影响关系，但目前研究成果多为城市通风、风与热或风与空气污染的单或双气候因子模拟评估，使得多种气候因子综合环境评估程序较为繁琐，且模拟结果与实际存在一定偏差。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于一种城市气候环境快速评估方法及系统，能够同时模拟风环境、热环境和空气污染耦合下的城市气候环境，旨在解决城市大中尺度等不需要探究建筑单体周边流场细节的模拟研究中，几何建模与计算工作量较大而导致的气候评估效率较低的问题，以及只能单或双气候因子模拟评估，多气候因子评估步骤较为繁琐，且模拟结果与实际存在一定偏差的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种城市气候环境快速评估方法，包括：
获取目标区域的三维空间数据，将所述目标区域内的建筑群简化成多个多孔介质区域，创建目标区域的几何模型，并确定计算域；
对所述计算域进行网格划分，得到多个流场区域；
根据多孔介质区域所对应的建筑群空间数据推导出在目标区域进行多孔介质模型计算的参数；
选择风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的控制方程与模型，设置多孔介质模型的参数以及计算域的边界条件，进行多气候因子同步迭代计算，求解所述计算域内多个流场区域的计算结果；
将所述计算结果进行空间可视化处理，得到风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的结果分布图，并进行评估分析。
可选的，所述获取目标区域的三维空间数据，将所述目标区域内的建筑群简化成多个多孔介质区域，创建目标区域的几何模型，并确定计算域，包括：
获取所述目标区域三维空间数据包含目标范围内建筑群、路网以及绿地水系的相关矢量数据；
根据所述三维空间数据中的路网和绿地水系将建筑群所在区域划分为多个片区，按照预设识别标准对所述片区中的开敞空间进行识别，并将所述开敞空间剔除出所在片区；
根据所述建筑群性质划分所述片区，将污染源与非污染源单独分区；
按照预设整合标准对得到的各片区内部建筑群进行整合，简化为所述多孔介质区域；
根据目标区域内的路网、绿地水系以及所述多孔介质区域创建几何模型，根据所述几何模型尺度确定计算域。
可选的，所述根据所述三维空间数据中的路网和绿地水系将建筑群所在区域划分为多个片区，按照预设识别标准对所述片区中的开敞空间进行识别，并将所述开敞空间剔除出所在片区，包括：
基于第一尺度，将所述建筑群按照高等级路网、大型绿地水系划分为多个片区；
将每个片区划分为栅格单元，根据网格法计算所述栅格单元中的建筑密度，将建筑密度小于阈值的区域识别为开敞空间；
基于第二尺度，将所述建筑群按照详细路网、绿地水系划分为多个地块单元；
将每个地块单元根据移动窗口法计算地块内每个窗口的建筑密度，将建筑密度小于阈值的相邻窗口进行拼合，将非建筑部分的凸多边形识别为开敞空间。
可选的，所述根据所述建筑群性质划分所述片区，将污染源与非污染源单独分区，包括：
根据是否释放大量空气污染物对所述建筑群进行划分，将污染源片区单独分区，与其他非污染源片区进行区别。
可选的，所述按照预设整合标准对得到的各片区内部建筑群进行整合，简化为所述多孔介质区域，包括：
基于第一尺度，计算每个所述片区中除所述开敞空间以外的栅格单元建筑平均高度，按照相邻栅格建筑平均高度方差小于3的标准，将相邻栅格单元整合成为多孔介质区域；
基于第二尺度，对每个所述地块单元中除所述开敞空间以外的建筑群区域，按照相邻建筑高度方差小于3且建筑高度/建筑间距＞1的标准，将相邻建筑整合成为多孔介质区域。
可选的，所述根据目标区域内的路网、绿地水系以及所述多孔介质区域创建几何模型，根据所述几何模型尺度确定计算域，包括：
所述计算域是以目标区域几何模型为核心向两侧与顶部拓展确定的模拟区域。
可选的，所述选择风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的控制方程与模型，设置多孔介质模型的参数以及计算域的边界条件，进行多气候因子同步迭代计算，求解所述计算域内多个流场区域的计算结果，包括：
开启连续性方程、动量方程、能量方程和湍流模型进行所述风环境模拟；
开启太阳辐射模型与热辐射模型进行所述热环境模拟；
所述污染环境模拟为空气污染环境模拟，其中，模拟气体污染扩散选择组分输运模型，模拟颗粒物扩散选择DPM离散模型和Mixture模型；
设置所述计算域的边界条件，求解多气候因子同步模拟的计算模型，计算得到所述计算域内多个流场区域的计算结果。
可选的，所述将所述计算结果进行空间可视化处理，得到风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的结果分布图，并进行评估分析，包括：
根据计算域各个网格节点上的数值解，将计算结果导出至后处理软件进行空间可视化；
建立二维切片获取不同位置截面的风环境模拟、热环境模拟、空气污染环境模拟的分布图，对其展开评估分析，得到所述目标区域多气候因子评估结果。
第二方面，本发明提供了一种城市气候环境快速评估系统，包括：
模型建立模块，用于获取目标区域的三维空间数据，将所述目标区域内的建筑群简化成多个多孔介质区域，创建目标区域的几何模型，并确定计算域；
流场划分模块，用于对所述计算域进行网格划分，得到多个流场区域；
参数计算模块，用于根据多孔介质区域所对应的建筑群空间数据推导出在目标区域进行多孔介质模型计算的参数；
多因子同步模拟模块，用于选择风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的控制方程与模型，设置多孔介质模型的参数以及计算域的边界条件，进行多气候因子同步迭代计算，求解所述计算域内多个流场区域的计算结果；
评估分析模块，用于将所述计算结果进行空间可视化处理，得到风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的结果分布图，并进行评估分析。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、简化了城市气候环境模拟评估中的几何空间建模方式，将建筑群按照预设标准处理成一个个具有动量汇的多孔介质区域，参数化的处理减少了不必要的细节建模，进而使后续网格划分得以简化，进一步减少了计算量。模拟结果满足城市大中尺度等不需要探究建筑单体周边流场细节的模拟评估的需求，即在不偏离物理问题基本方向的前提下大大节约了模拟评估所需时间。
2、提出适用于多气候因子同步模拟的计算模型，考虑到风、热、污染不同气候因子之间的相互耦合作用，使模拟结果更加符合实际；同时，同步迭代计算相较于逐一迭代计算也大大提升了模拟效率。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种城市气候环境快速评估方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种城市气候环境快速评估方法的城市空间模型简化的示意图；
图3为本发明实施例一提供的一种城市气候环境快速评估方法的计算域边界条件设置的示意图；
图4为本发明实施例一提供的一种城市气候环境快速评估方法的气候环境分布图；
图5为本发明实施例二提供的一种城市气候环境快速评估系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种城市气候环境快速评估方法的流程示意图。
如图1所示，一种城市气候环境快速评估方法，包括：
S1、获取目标区域的三维空间数据，将目标区域内的建筑群简化成多个多孔介质区域，创建目标区域的几何模型，并确定计算域。
在进行城市空间规划时，一个重要目标就是营造一个良好的城市气候环境，城市气候环境与城市物理空间环境息息相关。在传统城市微气候评估方法中，通常采取对建筑单体逐一建模的方式，能够模拟出建筑周边流场细节。对于城市大中尺度等不需要探究建筑单体周边流场细节的模拟评估来说，这种完全建模的方法一方面操作复杂、评估效率较低，另一方面计算得到的建筑周边流场细节对于此类气候环境研究来说没有必要。同时，此前气候环境研究多为单或双气候因子模拟评估，多种气候因子综合环境评估步骤较为繁琐，且模拟结果与实际存在一定偏差。为了实现城市气候环境快速评估，在传统城市微气候评估方法基础上，从城市空间几何建模和控制方程与模型选择两个环节寻求评估效率提升。
目标区域空间模型由路网、绿地水系、建筑群多种空间要素构成，当研究尺度较大，不需要反映建筑群内各点间流动细节时，将建筑群模型简化抽象成多孔介质模型，可以减少了不必要的细节建模，提高建模和计算效率。目标区域三维空间数据包括多种空间要素的数量、地理位置、高度、形态、类型等。
其中，S1包括：
S11、获取目标区域三维空间数据包含目标范围内建筑群、路网以及绿地水系的相关矢量数据。
S12、根据三维空间数据中的路网和绿地水系将建筑群所在区域划分为多个片区，按照预设识别标准对片区中的开敞空间进行识别，并将开敞空间剔除出所在片区。
S13、根据建筑群性质划分片区，将污染源与非污染源单独分区。
S14、按照预设整合标准对得到的各片区内部建筑群进行整合，简化为多孔介质区域。
S15、根据目标区域内的路网、绿地水系以及多孔介质区域创建几何模型，根据几何模型尺度确定计算域。
首先判断目标区域气候环境研究属于宏观平均研究还是微观细节研究，对于不需要反映建筑群内各点间流动细节的宏观平均研究，可以将建筑群模型简化抽象成多孔介质模型。其中包括：开敞空间识别、建筑群性质划分、建筑群整合和计算域确定四步。
可选的，根据三维空间数据中的路网和绿地水系将建筑群所在区域划分为多个片区，按照预设识别标准对片区中的开敞空间进行识别，并将开敞空间剔除出所在片区，包括：
基于第一尺度，将建筑群按照高等级路网、大型绿地水系划分为多个片区；
将每个片区划分为栅格单元，根据网格法计算栅格单元中的建筑密度，将建筑密度小于阈值的区域识别为开敞空间；
基于第二尺度，将建筑群按照详细路网、绿地水系划分为多个地块单元；
将每个地块单元根据移动窗口法计算地块内每个窗口的建筑密度，将建筑密度小于阈值的相邻窗口进行拼合，将非建筑部分的凸多边形识别为开敞空间。
开敞空间识别根据研究尺度方法有所差异，城市等较大尺度使用网格法，街区等较小尺度使用移动窗口法，片区尺度可视具体情况从上述两种方法中选择适当的方法。其中，第一尺度为较大尺度研究，示例性的，如数十至数百平方公里尺度，第二尺度为较小尺度研究，示例性的，如十平方公里以内尺度；阈值在本实施例中取值为15％。第一尺度开敞空间识别中，划分的栅格单元的栅格边长根据其范围大小取值，一般为50-300米，计算各栅格单元的建筑密度，建筑密度小于15％的识别为开敞空间。第二尺度开敞空间识别中，每个地块单元按照移动窗口法计算建筑密度，窗口尺度根据地块大小取值，窗口边长一般不低于该区域建筑平均面宽的3倍，移动距离一般不超过窗口边长1/3；将建筑密度小于15％的相邻窗口拼合，除去建筑部分计算面积最大的凸多边形即为开敞空间主要区域。对于与实际出入较大的可视情况进行手动调整。
可选的，根据建筑群性质划分片区，将污染源与非污染源单独分区，包括：
根据是否释放大量空气污染物对建筑群进行划分，将污染源片区单独分区，与其他非污染源片区进行区别。
城市建筑群的污染源一般为工业生产区，因此，将工业生产区单独分区，与其他非污染源区域区别开来。
可选的，按照预设整合标准对得到的各片区内部建筑群进行整合，简化为多孔介质区域，包括：
基于第一尺度，计算每个片区中除开敞空间以外的栅格单元建筑平均高度，按照相邻栅格建筑平均高度方差小于3的标准，将相邻栅格单元整合成为多孔介质区域。
基于第二尺度，对每个地块单元中除所述开敞空间以外的建筑群区域，按照相邻建筑高度方差小于3且建筑高度/建筑间距＞1的标准，将相邻建筑整合成为多孔介质区域。
建筑整合根据研究尺度方法有所差异，第一尺度的建筑整合和第二尺度的建筑群整合均是将除开敞空间以外的区域进行整合，按各自整合标准尽可能大范围的将建筑群整合成多孔介质区域。
可选的，根据目标区域内的路网、绿地水系以及所述多孔介质区域创建几何模型，根据几何模型尺度确定计算域，包括：
计算域是以目标区域几何模型为核心向两侧与顶部拓展确定的模拟区域。
目标区域几何模型由路网、绿地水系、开敞空间、污染源与非污染源区域的多孔介质构成。计算域是根据相关规定以目标区域几何模型为核心向两侧与顶部拓展确定的模拟区域，其中，相关技术规定指目标城市的《建筑环境数值模拟技术规程》等规定，流场计算域两侧横向边界与顶部边界距离目标建筑不小于3-5H，出流边界距离建筑至少达到10-15H。
S2、对计算域进行网格划分，得到多个流场区域。
网格划分包括结构化和非结构化两种，均需要单独定义每个多孔介质区域以及外部大气区域的流场，其中结构化网格用Block定义，非结构化网格用Body定义。
S3、根据多孔介质区域所对应的建筑群空间数据推导出在目标区域进行多孔介质模型计算的参数。
根据建筑群原本的空间形态特征推导计算多孔介质模型中的相关参数，包括孔隙率和动量源项。
其中，孔隙率指多孔介质内部孔隙体积占总体积的百分比，由于生成的多孔介质区域内建筑高度相似，推导孔隙率φ＝1-建筑密度。
动量源项指多孔介质模型在动量方程上叠加的动量源项，本质上多孔介质区域就代表一个与建筑群有同等阻力的流域，可通过达西方程模型或幂律方程模型计算：
在达西方程模型(Darcy’s Law)中，所述动量源项由粘性损失项和惯性损失项两部分组成，计算公式如下：
Figure BDA0003895841220000101
式中，1/α为粘性阻力系数，C2为惯性阻力系数；
在幂律方程模型(Power Law)方程中，所述动量源项定义为速度大小的幂律：
Figure BDA0003895841220000102
式中，C0和C1为经验系数。
进一步的，根据实验数据有无选择计算模型，在有实验数据的情况下，根据已知多孔介质上的速度与压强降的试验数据，将拟合的“速度-压强降”曲线函数公式与幂律方程模型进行对比得到经验系数C0和C1，从而计算出所述动量源项；在没有实验数据的情况下，采用达西方程模型计算所述动量源项，具体的，多孔介质的粘性和惯性阻力系数可根据厄根(Ergun)方程结合达西模型(Darcy’s Law)计算，推导渗透率和惯性损失系数为：
Figure BDA0003895841220000103
Figure BDA0003895841220000104
式中，DP为建筑平均长度，φ为孔隙率。
S4、选择风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的控制方程与模型，设置多孔介质模型的参数以及计算域的边界条件，进行多气候因子同步迭代计算，求解计算域内多个流场区域的计算结果。
采用多气候因子同步模拟的计算模型，考虑到风、热、污染不同气候因子之间的相互耦合作用，使模拟结果更加符合实际，并且一次生成三种气候因子结果，对于城市气候环境的分析更全面；同时，同步迭代计算相较于逐一迭代计算操作简单，大大提升了模拟效率。
其中，开启连续性方程、动量方程、能量方程和湍流模型进行风环境模拟；开启太阳辐射模型与热辐射模型进行热环境模拟；污染环境模拟为空气污染环境模拟，空气污染环境的模拟中模拟气体污染扩散选择组分输运模型，模拟颗粒物扩散选择DPM离散模型和Mixture模型。
设置所述计算域的边界条件，包括：多孔介质区域与外部大气的交界面为流域内部面(Interior)；入流边界(Inlet)包括速度入口(Velocity Inlet)和质量入口(MassFlow Inlet)，其中速度入口参数涉及风向、风速、梯度风、粗糙度、湍动能、湍流耗散率，质量入口参数涉及污染源释放速度、释放高度、释放强度；出流边界(Outlet)设为压力出口(Pressure Outlet)；顶部与两侧设为对称边界(Symmetry)；地面设为无滑移壁面(No-sliping Wall)。速度入流边界设置内容包括：(1)风速剖面：
Figure BDA0003895841220000111
u0是参考高度处的风速，z0该地区为参考高度，a是地面粗糙度；(2)湍动能与湍流耗散率：
Figure BDA0003895841220000112
I＝)CμK)1/2Z0Z3/4U0,K为湍动能,ε为湍流耗散率；(3)污染背景浓度：测量期间PM2.5背景浓度数据。质量入流边界设置内容包括：(1)机动车尾气污染源面积：道路发尘面积；(2)污染源发尘：污染源平均颗粒径为2.5μm，释放高度为1m，释放速度、发尘量根据测量数据。
求解多气候因子同步模拟的计算模型，计算得到计算域内多个流场区域的计算结果。
根据实际计算的工况和流场特征给定控制参数，初始化流场，求解计算得到计算域各个网格节点上的数值解。
S5、将计算结果进行空间可视化处理，得到风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的结果分布图，并进行评估分析。
其中S5、具体包括：
S51、根据计算域各个网格节点上的数值解，将计算结果导出至后处理软件进行空间可视化。
S52、建立二维切片获取不同位置截面的风环境模拟、热环境模拟、空气污染环境模拟的分布图，对其展开评估分析，得到目标区域多气候因子评估结果。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。以武汉市某居住片区气候环境评估为实施例进行说明。
研究区域面积约1平方公里，主要功能为居住和商业，机动车尾气为主要污染源，无工业生产区等大型污染源，要求对其进行气候环境宏观平均评估，无需反映建筑群内部流动细节。
首先，如图2所示，传统建模方法以建筑单体为单元逐一建模，本申请的技术方案中，按预设整合标准以建筑群为单元简化为多孔介质区域，按道路划分四大片区，运用移动窗口法按预设识别标准识别并剔除片区中开敞空间，将实际266栋建筑单体按照按预设整合标准抽象成26个多孔介质区域。然后，根据上述空间要素创建几何模型，确定计算域并进行网格划分，将计算域中不同的多孔介质区域定义为若干个流场。再运用厄根方程基于多孔介质区域对应的建筑群空间形态特征计算每个多孔介质区域的孔隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数，如表1所示。
表1多孔介质参数
Figure BDA0003895841220000131
开启连续性方程、动量方程、能量方程和湍流模型，开启太阳辐射模型与热辐射模型，开启组分输运模型，并根据实际情况设置相应参数。如图3所示，设置计算域的边界条件。求解计算并将计算结果空间可视化，1.5m人行高度处风环境、热环境、空气污染环境分布图如图4所示。如图4中(a)所示，从风速云图上看，街区内风速最高的区域主要集中在与来流风向一致的南北向道路，以及东侧两地块南北贯通的中轴开敞空间，两侧建筑使空气加速通过峡谷，狭管效应显著。相比之下，东侧两地块风速较低，主要是因为南侧入口处没有形成较大的开口，不利于引导空气汇集流入街区。如图4中(b)所示，从温度云图上看，开敞空间及风道温度普遍较低，高温区域主要集中在建筑群后部，与风速分布呈负相关关系。如图4中(c)所示，从污染云图上看，道路下风向区域污染严重，其中风道内污染浓度相比于建筑群内部较低，由于风速较高扩散效果良好，建筑群内部则出现污染物堆积问题。
本发明的实施例通过将形态复杂的建筑群抽象处理成具有动量汇的多孔介质模型，采用多气候因子同步模拟的计算模型，同步模拟风环境、热环境与空气污染环境的气候环境评估，解决了城市大中尺度等不需要探究建筑单体周边流场细节的模拟研究中，几何建模与计算工作量较大而导致的气候评估效率较低的问题，以及只能单或双气候因子模拟评估，多气候因子评估步骤较为繁琐，且模拟结果与实际存在一定偏差的问题，实现了满足大中尺度城市气候研究需求情况下减少不必要的细节建模，考虑多因子之间的相互耦合作用，同时缩短了各气候要素逐一迭代计算时间的有益效果。
实施例二
如图5所示，一种城市气候环境快速评估系统，包括：
模型建立模块210，用于获取目标区域的三维空间数据，将目标区域内的建筑群简化成多个多孔介质区域，创建目标区域的几何模型，并确定计算域；
流场划分模块220，用于对所述计算域进行网格划分，得到多个流场区域；
参数计算模块230，用于根据多孔介质区域所对应的建筑群空间数据推导出在目标区域进行多孔介质模型计算的参数；
多因子同步模拟模块240，用于选择风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的控制方程与模型，设置多孔介质模型的参数以及计算域的边界条件，进行多气候因子同步迭代计算，求解计算域内多个流场区域的计算结果；
评估分析模块250，用于将所述计算结果进行空间可视化处理，得到风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的结果分布图，并进行评估分析。
本发明实施例所提供的一种城市气候环境快速评估系统可执行本发明任意实施例，所提供的一种城市气候环境快速评估方法具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种城市气候环境快速评估方法，其特征在于，包括：
获取目标区域的三维空间数据包含目标范围内建筑群、路网以及绿地水系的相关矢量数据；
根据所述三维空间数据中的路网和绿地水系将建筑群所在区域划分为多个片区，按照预设识别标准对所述片区中的开敞空间进行识别，并将所述开敞空间剔除出所在片区；
根据所述建筑群性质划分所述片区，将污染源与非污染源单独分区；
按照预设整合标准对得到的各片区内部建筑群进行整合，简化为多孔介质区域；
根据目标区域内的路网、绿地水系以及所述多孔介质区域创建几何模型，根据所述几何模型尺度确定计算域；
对所述计算域进行网格划分，得到多个流场区域；
根据多孔介质区域所对应的建筑群空间数据推导出在目标区域进行多孔介质模型计算的参数；
选择风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的控制方程与模型，设置多孔介质模型的参数以及计算域的边界条件，进行多气候因子同步迭代计算，求解所述计算域内多个流场区域的计算结果；
将所述计算结果进行空间可视化处理，得到风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的结果分布图，并进行评估分析。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维空间数据中的路网和绿地水系将建筑群所在区域划分为多个片区，按照预设识别标准对所述片区中的开敞空间进行识别，并将所述开敞空间剔除出所在片区，包括：
基于第一尺度，将所述建筑群按照高等级路网、大型绿地水系划分为多个片区；
将每个片区划分为栅格单元，根据网格法计算所述栅格单元中的建筑密度，将建筑密度小于阈值的区域识别为开敞空间；
基于第二尺度，将所述建筑群按照详细路网、绿地水系划分为多个地块单元；
将每个地块单元根据移动窗口法计算地块内每个窗口的建筑密度，将建筑密度小于阈值的相邻窗口进行拼合，将非建筑部分的凸多边形识别为开敞空间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述建筑群性质划分所述片区，将污染源与非污染源单独分区，包括：
根据是否释放大量空气污染物对所述建筑群进行划分，将污染源片区单独分区，与其他非污染源片区进行区别。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述按照预设整合标准对得到的各片区内部建筑群进行整合，简化为所述多孔介质区域，包括：
基于第一尺度，计算每个所述片区中除所述开敞空间以外的栅格单元建筑平均高度，按照相邻栅格建筑平均高度方差小于3的标准，将相邻栅格单元整合成为多孔介质区域；
基于第二尺度，对每个所述地块单元中除所述开敞空间以外的建筑群区域，按照相邻建筑高度方差小于3且建筑高度/建筑间距＞1的标准，将相邻建筑整合成为多孔介质区域。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据目标区域内的路网、绿地水系以及所述多孔介质区域创建几何模型，根据所述几何模型尺度确定计算域，包括：
所述计算域是以目标区域几何模型为核心向两侧与顶部拓展确定的模拟区域。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的控制方程与模型，设置多孔介质模型的参数以及计算域的边界条件，进行多气候因子同步迭代计算，求解所述计算域内多个流场区域的计算结果，包括：
开启连续性方程、动量方程、能量方程和湍流模型进行所述风环境模拟；
开启太阳辐射模型与热辐射模型进行所述热环境模拟；
所述污染环境模拟为空气污染环境模拟，其中，模拟气体污染扩散选择组分输运模型，模拟颗粒物扩散选择DPM离散模型和Mixture模型；
设置所述计算域的边界条件，求解多气候因子同步模拟的计算模型，计算得到所述计算域内多个流场区域的计算结果。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述计算结果进行空间可视化处理，得到风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的结果分布图，并进行评估分析，包括：
根据计算域各个网格节点上的数值解，将计算结果导出至后处理软件进行空间可视化；
建立二维切片获取不同位置截面的风环境模拟、热环境模拟、空气污染环境模拟的分布图，对其展开评估分析，得到所述目标区域多气候因子评估结果。
8.一种城市气候环境快速评估系统，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于获取目标区域的三维空间数据包含目标范围内建筑群、路网以及绿地水系的相关矢量数据；根据所述三维空间数据中的路网和绿地水系将建筑群所在区域划分为多个片区，按照预设识别标准对所述片区中的开敞空间进行识别，并将所述开敞空间剔除出所在片区；根据所述建筑群性质划分所述片区，将污染源与非污染源单独分区；按照预设整合标准对得到的各片区内部建筑群进行整合，简化为多孔介质区域；根据目标区域内的路网、绿地水系以及所述多孔介质区域创建几何模型，根据所述几何模型尺度确定计算域；
流场划分模块，用于对所述计算域进行网格划分，得到多个流场区域；
参数计算模块，用于根据多孔介质区域所对应的建筑群空间数据推导出在目标区域进行多孔介质模型计算的参数；
多因子同步模拟模块，用于选择风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的控制方程与模型，设置多孔介质模型的参数以及计算域的边界条件，进行多气候因子同步迭代计算，求解所述计算域内多个流场区域的计算结果；
评估分析模块，用于将所述计算结果进行空间可视化处理，得到风环境模拟、热环境模拟和污染环境模拟的结果分布图，并进行评估分析。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117875559A (zh) * 2024-01-16 2024-04-12 广东博创佳禾科技有限公司 基于城市环境介质的重金属负载容量分析方法及系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106844856A (zh) * 2016-12-20 2017-06-13 中山大学 考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法
CN114741982A (zh) * 2022-02-23 2022-07-12 东南大学 基于cfd数值模拟的街区微热环境评估方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103455667B (zh) * 2013-08-20 2016-06-15 天津大学 充气法治理承压含水层海水入侵的数值模拟方法
CN104933230B (zh) * 2015-05-29 2017-03-29 煤科集团沈阳研究院有限公司 考虑大气压影响的矿井采空区温度场仿真方法
CN106354970A (zh) * 2016-09-14 2017-01-25 郑州云海信息技术有限公司 一种热环境的分析方法及装置
CN109033664B (zh) * 2018-08-07 2022-11-22 北京建筑大学 基于cfd的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法
CN111461439B (zh) * 2020-04-02 2022-04-01 浙江大学 基于城市大气扩散预测的多热源供热负荷调度方法和系统
CN113139352A (zh) * 2021-05-08 2021-07-20 东南大学 一种街区热湿环境优化方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106844856A (zh) * 2016-12-20 2017-06-13 中山大学 考虑动态交通流影响的城市高架桥附近流场数值模拟方法
CN114741982A (zh) * 2022-02-23 2022-07-12 东南大学 基于cfd数值模拟的街区微热环境评估方法

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