城市化和工业化与森林的砍伐是造成温室气体排放增加的主要原因,从而导致严重的环境问题。大多数大中型城市的主要问题是用电量需求增加、二氧化碳排放增加以及城市植被的减少。结果,与郊区相比,城市产生更高的环境温度,称之为“城市热岛”。为了减轻热岛效应,本文提出了一种新的概念,称为城市涡旋系统(UVS),以减少城市气候的不利影响,实现大气治理。城市涡旋系统包含了通过人工涡流产生上升气流的涡旋发生器和一个由四个类似于烟囱壁的建筑物组成的涡流稳定区。通过该系统可以形成稳定的上升涡旋流(类似龙卷风),从而达到破除城市热岛效应的目的。本文可得出以下结论:(1)UVS实验(采用1:40比例模型试验台)显示,使用燃烧器和喷水器能够产生涡旋发生器所需温度的流体,其中,流体的浮力是涡旋发生器中的主要动力。UVES试验台能够自发的从涡旋发生器入口和涡流稳定区进气口吸入空气,从而达到设计目的。(2)基于雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS),对UVS模型中的流场进行了数值模拟。为了解决复杂的湍流模型,选取了RNG k–ε湍流模型。结果表明,当2m/s、450K的蒸汽-空气混合物进入涡旋发生器时,能够形成稳定的涡旋。该涡旋呈现出最大中心压力为-6.81Pa,最大速度为5.47m/s。(3)UVS模型的优化过程是采用目标驱动优化方法进行的。通过该方法找到候选点,在优化过程中调整到最佳,此时得出,出口速度的最大值为1.84 m/s,输出力的最大值为6.30 N。这些值是在进入蒸汽-空气混合物速度为2.20 m/s,温度384.5 K时获得的。(4)模型和完整原型之间的相似准则表明,通过保留所有角度和尺寸可以实现几何相似性。运动学和动力学的相似性是通过应用重复变量的方法实现的。从该方法获得的结果是四个无量纲参数,使产生的浮力与UVS研究中的所有变量(例如雷诺数,普朗克数和格拉斯霍夫数)联系起来。(5)对实际生产性应用的热效率和功率的计算表明,在对流过程中大约由20%的热量转化为功。结论是,一个全尺寸的原型机的最大功率为2MW,比功为3kJ/kg,200 m时的速度为6.1 m/s,并以7×10~2kg/形成上升气流。因此认为在市中心建立起这种城市涡流引擎系统是可行的。本文共有63张图,15个表和78篇参考文献。