室内污染物扩散的数值模拟基本原理
受限空间内气体扩散的数值模拟及分析共3篇
受限空间内气体扩散的数值模拟及分析共3篇受限空间内气体扩散的数值模拟及分析1受限空间内气体扩散的数值模拟及分析随着城市化进程的不断加快和人口数量的不断增加，人们在日常生活中的接触和接触到的气体种类也越来越多，从而引发了关于受限空间内气体扩散的安全问题。
为了预防和解决空气质量污染的问题，科学家们研究了一些方法，其中数值模拟技术的应用受到了广泛的关注。
本文旨在介绍受限空间内气体扩散的数值模拟及分析的相关内容。
一、数值模拟的基本方法数值模拟是利用计算机方法对物理现象进行建模和仿真，即将真实的物理空间通过数学方法离散化处理，并在计算机程序中求解得出目标物理量的变化规律。
数值模拟问题的求解可以基于有限元、有限差分和有限体积等方法，其中最为常用的是有限体积法。
有限体积法即将求解区域划分为许多小的体积单元，体积单元内的物理量被认为是常数，将整个求解区域按照时间分为若干个时间步进并求解出每个时刻各个体积单元内的物理量。
二、气体扩散数值模拟的建模对于受限空间内气体扩散的数值模拟，其建模步骤包括初值条件设置、边界条件设置、状态方程描述、物性参数选取和求解方法选择等内容。
1.初值条件设置设想一个较小的房间，假设这个房间内的气体密度是均匀的，而气体质量是随机分布的，因此每个空间位置的初始密度和初始质量都应被考虑。
2.边界条件设置受限空间的初始宏观性质还未考虑到，然而大多数空间是以室内为主的，其通风排气和外部条件也会对气体扩散数值模拟造成影响。
3.状态方程描述气体的状态方程反映了气体内能和其它物质性质的表达方式。
它是描述气体态压力、温度和密度之间关系的数学表达式。
4.物性参数选取物性参数选取是气体扩散数值模拟中十分重要的一步，物性参数必须与实验中使用的具体气体相对应。
同时，应注意物性参数的变化对计算结果的影响。
5.求解方法选择对于气体扩散的数值模拟，有限体积法是目前被广泛使用的数值方法。
此方法处理复杂几何形状的有限体积，并在其内部换算平均宏观性质，将有限体积划分为若干个小单元，逐渐递推更新其内部的宏观性质。
污染物扩散计算模式情况
污染物扩散计算模式情况污染物扩散计算模式，也称为大气扩散模型，是一种通过数值模拟方法来研究大气中污染物扩散传输规律的工具。
它基于大气流动运动方程和污染物的传输过程，模拟并预测污染物在大气中的扩散，可用于评估各种污染源的影响范围、预测污染物浓度分布等。
在物理过程模拟方面，计算模式主要包括大气流动和传输两个方面。
大气流动模拟使用数值气象模式，根据大气的运动方程、动量守恒方程和连续性方程来模拟大气流动的运动和湍流结构。
这些模型通常使用基于有限差分或有限元方法的数值离散方法来求解方程。
对于大气流动，考虑到地球自转、大尺度地形、地表气候和对流发展等因素，通常使用三维非静力学数值模拟方法。
在污染物传输方面，计算模式主要涉及污染物的输运、扩散和化学反应。
这些模型根据物质守恒方程、浓度扩散方程和输运方程来描述污染物在大气中的传输和变化过程。
这些模型通常使用二维或三维扩散方程来描述污染物浓度的分布，并通过迭代计算来逐步求解浓度场。
在排放源数据方面，计算模式需要准确的排放源数据，包括排放速率、排放浓度和排放位置等信息。
这些数据可通过监测和统计等方法获得，并与模型相结合，用于模拟不同排放条件下的污染物传输情况。
在气象场输入方面，计算模式需要准确的气象场数据，包括大气温度、湿度、风场等信息。
这些数据可以通过测量、卫星遥感和气象模式等方法获取，并用于模拟大气流动和污染物传输。
污染物扩散计算模式的计算结果可以提供有关污染物扩散的各种信息。
例如，它可以预测污染物在不同时间和不同地点的浓度分布，帮助决策者评估可能的环境影响和风险。
此外，该模型还可以用于污染物排放源的规划和管理，以减少对环境的不良影响。
在实际应用中，污染物扩散计算模式通常与其他模型和工具相结合，以更准确地评估和预测污染物扩散情况。
例如，可以结合地理信息系统（GIS）来分析污染源和敏感区域的空间关系，从而更好地评估污染物的影响范围。
还可以将模式与监测数据相结合，验证模型的准确性，并进行模型参数优化。
室内污染物扩散的通风优化数值模拟
tion characteristics of indoor formaldehyde concentration in different ventilation mode and Ventilation velocity． The CFD method is applied to simulate indoor air flow organization on two basic ventilation mode， the effects of indoor formaldehyde concentration distribution is studied with different ventilation mode and different air velocity，numerical simulation results show that compared with the ventilation whose air blowing from air inlet and return outlets on the opposite wall， indoor formaldehyde concentration can be which should be the preferred effectively reduced with the ventilation whose supply openings and return outlets on the same wall， option on the indoor ventilation． On the same side of supplying and returning air， too small or too large air velocity both causes the so the air speed should be appropriate about 2m / formaldehyde concentration increasing at the height of people standing or sitting， s． The ventilation optimization of indoor contaminant diffusion has certain guiding significance for indoor ventilation design and the airflow organization． Key words： ventilation； formaldehyde； air velocity； numerical simulation
污染物扩散模型的数值模拟与优化
污染物扩散模型的数值模拟与优化随着工业和城市化的快速发展，各类污染物不断排放，对环境和人类健康造成了严重威胁。
因此，对污染物的扩散和传播进行研究具有重要的意义。
数值模拟是一种有效的研究手段，可以在实验基础上快速地得到大量的数据，研究污染物的扩散规律，寻求优化控制的方法。
一、数值模拟的方法数值模拟是通过将被研究的环境、污染物和物理运动模拟成一组方程来分析污染物扩散的过程。
目前常用的数值模拟方法有有限差分法、有限体积法、有限元法等。
有限差分法是较为常用的数值模拟方法之一，它将被研究的区域划分为网格，然后通过网格上的数值解来逼近偏微分方程的解。
对于二维或三维问题，数值模拟需要进行平面或空间离散化，对于各个离散化单元上的物理参数进行计算，根据物质守恒、动量守恒和能量守恒等定律，得到污染物浓度场的变化规律。
有限体积法是一种与有限差分法相似的方法，也是将研究区域离散化为有限个体积，解决物理现象的积分方程，逼近偏微分方程解的方法。
在这种方法中，需要进行通量获得、反演验证等步骤。
有限元法是一种广泛应用于流体力学、热力学等领域的数值模拟方法。
它将物理场分割成一些小的网格区域，在每个小区域内由一组代表物理场变化的方程求解，再利用边界条件拼接起来，最终得到整个场的解。
它的优势在于对不规则计算区域更加适应，能够准确地刻画污染物扩散和传播过程。
二、污染物扩散模型的建立在进行数值模拟时，必须建立严格的污染物扩散模型。
建立的过程中要考虑诸多因素，如污染源的性质、环境条件、气象因素等。
对于不同类型的污染源和环境，需要选择不同的数值模型来进行计算。
对于一些简单的情况，如单一污染物、平坦地形等，可以采用简单模型来计算。
但是，对于复杂情况，如多种污染物、复杂地形、复杂气象条件等，则需要建立更加复杂的模型。
三、数值模拟中需要考虑的因素在进行数值模拟时，需要考虑环境和气象因素对污染物扩散的影响。
这些因素包括风速、风向、大气稳定度、地形高度等等。
空气污染物扩散模拟方法研究
空气污染物扩散模拟方法研究一、引言空气污染是人类面临的重要的环境问题之一，包括大气中存在的各种污染物质，例如氧化物、二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物等等。
空气质量的好坏直接关系到人类健康以及城市经济的可持续发展，因此应用大规模的空气污染物扩散模拟方法能够评估区域内的空气污染程度，并作出有效的管理决策。
二、空气污染物的来源、组成和特点1.来源：空气污染物通常是由人类和自然作用所引起的，“源”可以分为“固定源”和“移动源”，固定源是指空气污染物源头无法迁移的设施。
如发电厂、钢铁厂、化工厂、煤矿等等；而移动源则包括道路交通、尾气、化学品、挥发性有机物等等。
2.组成：空气污染物主要包括气态和颗粒物两类，表示为“气态污染物”和“颗粒物污染物”两个概念。
其中气态污染物主要包括SOx、NOx、VOCs（挥发性有机物）和O3（臭氧）等；而颗粒物污染物则有PM2.5和PM10等。
3.特点：空气污染物主要体现在它们对人体和环境的影响上。
例如颗粒物能够深入肺部，导致呼吸、心血管疾病等等；而氮氧化物、二氧化硫等则能够对空气和水质造成严重的污染等等。
三、空气污染物的扩散模拟方法1.数值模拟方法：利用计算机数值模拟方法来描述大气上空的流场和扩散场。
利用风场预报、源排放数据和大气稳定度等因素，采用计算流体力学（CFD）或数值天气预报方法来模拟大气扩散。
该方法广泛被运用于企业排放源自检和环评评估等高大气环境方面。
2.试验室模拟方法：制备相关污染气、光源、天气条件、室内结构等，并通过微型气象室内试验室实验来获得污染物质的扩散特性，适用于化学品储运方面。
3.参数化模型方法：利用理论分析方法、经验公式和试验数据进行大气扩散模型参数的确定。
例如国际主流模型ISC、CALMET和AERMOD等模型均采用参数化模型方法，适用于空气污染物排放源合规性核实和空气质量预测等方面。
四、模拟方法的应用1.源排放辅助设计：CFD数值模拟和理论气象建模技术可用于识别污染源、设计下降方案、提高空气质量。
污染物扩散模拟及其应用研究
污染物扩散模拟及其应用研究随着工业化和城市化进程的不断加快，环境污染问题日益凸显。
在这个背景下，污染物扩散模拟及其应用研究成为了一个备受关注和研究的领域。
本文将从污染物扩散模拟的基本原理、模型体系和应用研究三个方面展开论述。
一、污染物扩散模拟的基本原理污染物扩散模拟基于流体动力学、物理学和化学工程学等多个学科的理论基础，将复杂的空气流动和污染物扩散过程进行建模并进行数值模拟。
模型在现实环境中可以帮助我们实现对污染物扩散的预警和控制，减轻污染物对生态环境和人体健康的不良影响。
污染物扩散模拟的基本原理是在空气中建立关于污染物扩散的数学模型，然后基于大气运动方程、质量守恒方程和温湿度守恒方程等理论来求解运动方程，并通过数值计算方法进行模拟。
预测某区域内空气质量的变化，计算并分析污染源所释放的污染物在空气中的浓度分布和转移规律，以推断污染物的扩散传播态势。
二、模型体系在污染物扩散模拟的理论和实践中，通常包括了以下几种类型的模型。
1、蒙特卡罗模型蒙特卡罗模型是一种非常重要的随机数学方法。
在污染物扩散模拟中，蒙特卡罗方法可以处理复杂满足随机性分布的空气流场和污染物扩散过程，可以更真实地表现扩散的不确定性。
2、高斯模型高斯模型是一种简单的统计模型，广泛应用于污染物扩散模拟和空气质量预测领域。
高斯模型具有参数少、易于应用和扩展性强等特点，对于一些局部小区域或者区域内风向风速不变的情况下，可以通过对烟囱抬升高度、喷放口位置和压力等参数进行调整来实现对污染物扩散过程的模拟。
3、CFD模型CFD（Computational Fluid Dynamics）翻译过来就是计算流体动力学，是一种基于计算机的数值模拟方法。
CFD模型广泛应用于复杂空气流场和污染物扩散的模拟计算中，可以高效且准确地模拟污染物扩散的过程。
因此，在多数污染物扩散应用领域，CFD模型都被广泛应用。
三、应用研究污染物扩散模拟在实际的应用环境中是多种多样的，本节将介绍其中几个经典应用研究案例。
空气污染学高斯扩散基本公式课件
05
高斯扩散模型与其他模型的 比较
与其它空气质量模型的比较
模型选择依据
高斯扩散模型在空气污染学中应用广泛，选择该模型主要基 于其简单易懂、易于计算的特点。与其它复杂的空气质量模 型相比，高斯扩散模型能够提供快速且准确的污染物浓度预测。
适用范围
高斯扩散模型适用于中低强度、平稳气象条件下的污染物扩 散。对于强风、湍流等复杂气象条件，可能需要更复杂的模型。
由于气象条件在空间和时间上都 是变化的，因此使用高斯扩散模 型计算出的结果与实际结果存在
误差。
湍流的影响
由于模型假设大气流动为层流，忽 略了湍流的影响，这也会导致计算 结果与实际结果存在误差。
障碍物的影响
由于模型中假设下风向没有障碍物， 而实际情况中下风向往往存在障碍 物，这也会导致计算结果与实际结 果存在误差。
公式的应用场景
01
02
03
点源污染
适用于单个污染源产生的 污染物扩散情况，如烟囱 排放。
线源污染
适用于较长线状污染源产 生的污染物扩散情况，如 道路交通排放。
面源污染
适用于较大面积的污染源 产生的污染物扩散情况， 如农田施肥。
03
高斯扩散模型的应用实例
实例一：城市空气质量预测
总结词
利用高斯扩散模型预测城市空气质量，需要考虑气象 条件、地形地貌、污染物排放等多种因素。
详细描述
在城市环境中，由于建筑物密集、气象条件复杂，污染 物在大气中的扩散受到多种因素的影响。高斯扩散模型 能够综合考虑这些因素，对城市空气质量进行较为准确 的预测。例如，在预测PM2.5浓度时，需要考虑风向、 风速、温度、湿度等气象条件，以及地形地貌特征，如 山脉、河流等对气流的影响。同时，还需要考虑城市中 不同功能区的污染物排放情况，如工业区、商业区、居 民区的排放差异。
大气污染物迁移与扩散的数值模拟方法研究
大气污染物迁移与扩散的数值模拟方法研究大气污染是当今社会面临的一个严重问题，它对人们的生活质量和健康状况产生了巨大的影响。
为了有效地减少大气污染，科学家们开展了大量研究，并提出了各种各样的解决方案。
其中，对大气污染物的迁移与扩散进行数值模拟是一种重要的方法。
1. 大气污染物的迁移与扩散简述大气污染物的迁移与扩散是指污染物在空气中的传播和分布过程。
这个过程受到众多因素的影响，包括风速、地形、温度和湿度等。
污染物在大气中的迁移路径和扩散范围直接影响到其对人们的健康和环境的影响。
2. 数值模拟方法的引入数值模拟方法是通过建立数学模型，利用计算机技术进行模拟和计算的一种方法。
在大气污染物迁移与扩散的研究中，数值模拟方法可以提供对污染物传播过程的详细描述，为科学家们提供可靠的数据和分析。
3. 模型设定与参数选择在进行大气污染物迁移与扩散的数值模拟时，需要设定合适的边界条件和初始条件，以及选择适当的参数。
这些模型设定和参数选择对于数值模拟结果的准确性和可靠性至关重要。
科学家们通过对实际观测数据的分析，结合数学模型和计算机算法的运用，不断优化模型设定和参数选择的方法。
4. 数值模型的求解方法数值模型的求解方法是采用数值计算技术对模型进行求解的方法。
在大气污染物迁移与扩散的数值模拟中，常用的求解方法包括有限差分法、有限元法和谱方法等。
这些方法各有优劣，科学家们需要根据需要选择合适的方法进行求解。
5. 数值模拟方法的应用与展望大气污染物迁移与扩散的数值模拟方法已经广泛应用于环境保护、气象预报和健康研究等领域。
通过模拟大气污染物的传播过程，科学家们可以预测污染物的浓度分布和空气质量，提供科学依据给环境保护决策和公众健康管理。
未来，数值模拟方法将继续发展和应用于大气污染物的研究中。
随着计算机计算能力的不断提高，模型的精细化和复杂化将成为可能。
此外，科学家们还将进一步研究改进数值模型的准确性和可靠性，以提供更准确的预测和评估。
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常见的物理模型
式中R为散发率，hD为对流传质系数，Mo、M为初始散发量和剩余散发量，Cv 为初始蒸汽压；ρ为空气密度，Ca为污染物a的浓度，uj为速度分量，Sc是无量纲 的传质Schmidt数；ρCa为该污染物的质量浓度，Da为该污染物的扩散系数，Sa 为以整个室内作为一个系统时该系统内污染物a的生产率
直接把微分方程问题转化为代数方程问题的近似数值求解，对不规则 区域适应性很差且物理意义不明显
有限元法（finite element method，FEM）
可以对不规则形状的计算区域进行离散，但是计算时间长
有限体积法（finite volume method，FVM）
对任何一组控制体积都满足因变量积分守恒，计算速度快、效率高， 广泛应用于CFD等模拟计算软件
2.室内气流的控制方程
2.3通用方程
比较流体流动与传热基本方程中的各个控制方程可以看出，尽管方 程中的变量（温度、速度或浓度）不尽相同，但它们都反应在单位 时间内、单位体积下所引起相应的物理量的变化。为了运用同一程 序对不同控制方程组进行求解，建立了质量守恒方程组、动量守恒 方程组、能量守恒以及组分质量守恒方程组的通用微分方程形式：
3.控制方程的离散方法
3.2有限体积法
计算区域的离散方法
外节点法：先指定计算域的节点位置，然后再确定控制体的分界面
内节点法：先确定子区域控制体的分界面位置，然后根据控制体积的 中心点来指定节点的位置
内节点法的优势：一是在非均匀网格时内节点法的节点始终位于单元 格的中心位置，能很好的代表控制体的参数水平；二是在控制体积的 积分运算中，假设整个控制体里的参数分布均匀，而在边界处求解参 数不连续，内节点法可以避免因用边界节点代表控制体导致的偏差
2.2k-ε两方程模型
由上可见在涡粘模型方法中，引入方程来间接求出雷诺应力项，从 而求解紊流流动的时均物理量（温度、速度、浓度等）以及湍流脉 动物理量（湍流脉动的动能、湍动耗散率）等
标准k-ε两方程模型仅适用于求解湍流发展非常充分（即高Re 数的 湍流计算模型）的湍流流动问题，而对于近壁面区内的低Re数模型 求解一般的常用方法有： 低Re数k-ε模型：在近壁面区对网格进行加密 壁面函数法：将第一个节点布置在对数律成立（湍流充分发展）的 区域，效率更高
污染物的 散发模型
总结
室内气流 控制方程 控制方程 离散方法
控制方程 求解方法
污染源重 要参数的
确定
经验模型 物理模型
质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 组分质量守恒
k-ε两方程
计算区域、 控制方程的 离散方法
交错网格方法 污染物扩散系数
压力修正流程 材料散发初始浓度
计算方法
材料表面与空气的
……
1.污染物的散发模型
1.2室内污染源的散发模型 基于模型实验的经验模型
是通过具体实验数据拟合而得到的一种数学表达式，其意义在于在相同或 者相似的条件下能用经验公式来预测其他室内污染物的浓度分布。常见的 经验模型如图所示：
S0、S1、S2代表了初始散发率，t为时间，k1、k2、k和λ均为经验常数
质量变化量 扩散变化量
系统生成量
2.室内气流的控制方程
2.2k-ε两方程模型
实际工程常用的湍流模型为k-ε两方程模型、应力方程模型（RSM） 和代数应力方程模型（ASM）。这三种模型应用于壁面剪切流或自 由剪切流等无分离流动都能取得较为可观的模拟结果，其中k-ε两方 程模型计算量小且能提供满足工程需要的模拟数据，是目前使用最为 广泛的湍流模型
表示控制体内流体动量对 时间的全导数等于作用在 控制体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的外力矢量和
当地导数 迁移导数 表面力 质量力
根据本构方程得到的可压缩流体的N-S方程
2.室内气流的控制方程
2.1基本控制方程
能量变化量 传热变化量
系统生成能量
统一体现：系统中的每一组分 在同一时间下物理量的变化量， 等于通过该系统界面处的物理 或化学反应所产生该组分的量 加上该界面处扩散的量。能量 分布、输运和转换的推动力是 温度差；而组分扩散的推动力 是质量浓度差
室内污染物扩散的数值模拟基本原理
主要内容
污染物的散发模型 室内气流的控制方程 控制方程的离散方法 控制方程的求解方法 污染源重要参数的确定
1.污染物的散发模型
1.1室内污染源的分类
按污染源随时间的变化 关系：稳态；瞬态；衰 减
按污染物的来源：建筑 材料、装饰装修、办公 设备，家电，燃气炉灶 等
4.控制方程求解方法
4.2压力修正流场计算方法
SIMPLE算法是目前实际工程应用 最为广泛的一种压力修正流场计算 方法，核心思想为通过已知的压力 场来解动量离散方程，从而求出速 度场
其主要需解决的问题是： 如何构造压力修正方程从而获得压 力修正值 如何构造速度修正方程从而求出正 确的速度大小
SIMPLE 算法的流程图
5.污染源重要参数的确定
从扩散传质角度来看，影响建筑材料散发特性的关键参数有3个：建 筑材料散发初始浓度Co、污染物在材料中的扩散系数D和材料表面与 空气的分离系数K。常用的建材内部污染物的扩散系数测试方法主要 有：直接实验法（包括两舱法、湿杯法和压汞法）、切片称重法和小 杯实验法。常见污染物实验条件参数如下图所示：
时间项
对流项
扩散项
广义源项
ρ为流体的密度，U为气流速度矢量，为表达式的通用变量， 为变量 的扩 散系数。当 为1、速度、温度、组分浓度、湍动能、湍动能耗散率时，通用 控制方程分别为连续方程、动量方程、能量方程、浓度方程、方程和 方程
3.控制方程的离散方法
3.1常用的离散方法
有限差分法（finite difference method，FDM）
4.控制方程的求解方法
4.1交错网格方法
在有限体积法中，如果将标量（如压力）和矢量（速度）都在同样的 控制体处进行定义与储存，可能出现违背现实规律的现象，解决这个 问题的有效方法就是使用交错网格来储存矢量（速度）分量
所谓交错网格就是分别把标量（如温度T、压力P和密度ρ）在主控制 体上进行储存，而速度分量为主控制体网格分别在x、y、z 方向错位 半个控制体积上进行储存和计算。例如对于三维问题，就有四套网格 系统分别来储存p、u、v 和w
3.控制方程的离散方法
3.2有限体积法
控制方程的离散方法
为了求解控制体积界面上的物理量以及导数，需要通过插值法来建立 离散方程，插值方式常称为离散格式，常见的离散格式如图所示：
Pe表示的是对流与扩散强度之比。可见混合格式综合了迎风格式与中心差分的 共同优点，其计算速度快、稳定性高且总能产生与实际物理上较真实的解。
1.污染物的散发模型
1.2室内污染源的散发模型 基于传质理论的物理模型
污染源的散发量由温度梯度、浓度梯度和压力梯度所决定，而污染源 表面污染物向室内扩散的顺序依次为蒸发、对流和扩散
常见的物理模型有： 由污染材料散发的蒸汽压力及其表面的空气边界层所决定的VB模型 基于对油漆涂料散发挥发性有机化合物的规律研究的传质模型 基于组分质量守恒定律的通用散发模型
污染物扩散系数、材料表面处分离系数不随着浓度变化而变化； 短时间内室内污染物浓度分布可作为CFD模型的边界条件进行模拟； 可对污染源的外形进行简化且不考虑室内多种污染物间的相互作用。
2.室内气流的控制方程
2.1基本控制方程
三维正交曲线坐标系下的可压缩流体非定 常流动的连续性方程
流入流出控制体内流体的质量 之差等于控制体内由于流体密 度变化引起的流体质量的变化
分离系数
主要目的是为室内污染物扩散的数值模拟介绍基本原理
Thank you!
1.污染物的散发模型
1.3散发模型的比较及应用
经验模型是在特定条件下对实验数据的再现，其缺点如下： 过于依赖实验测试的特定条件，不易广泛运用于实际问题； 实验数据的单一性易导致非线性曲线的拟合结果的不确定性； 各参数均由试验获得，没有明确的物理意义，不能合理解释污染物的 散发机理。
故目前对室内污染物浓度的研究多采用以传质理论为基础的物理模型。 对室内污染物扩散进行数值模拟研究时，需做出以下简化：
k-ε两方程模型中雷诺应力（湍流正应力+湍流切应力）项 ij 表达式
为：
式中为湍动能，定义为
1 2
(u2
v2
w2
)
引入湍动耗散率
，定义为
u
ui uk
ui uk
t 2C k 紊流粘性系数
2.室内气流的控制方程