基于形态学-格子玻尔兹曼耦合方法的城市通风廊道高效识别新范式

为解决传统形态学方法缺乏气流物理机制的问题，研究人员创新性地提出基于形态学的格子玻尔兹曼方法（M-LBM）。通过将城市冠层视为多孔介质，该方法在保持与CFD结果空间一致性（平均R2=0.951）的同时，计算成本降低>97%，成功应用于武汉中心城区通风廊道识别与阻塞诊断，为城市通风规划提供了高效可靠的新工具。

　　

随着城市化进程加速，城市热岛效应和空气污染问题日益严峻。自然风作为调节城市微气候的关键因素，其流动路径——城市通风廊道的识别成为规划领域的研究热点。传统形态学方法虽成本低廉但缺乏气流动力学基础，而计算流体力学（CFD）虽精度高却计算资源消耗巨大。这一矛盾使得如何在有限计算资源下实现通风廊道的准确识别成为亟待解决的科学难题。

山东理工大学的研究团队在《Sustainable Cities and Society》发表研究，提出创新的基于形态学的格子玻尔兹曼方法（Morphology-based Lattice Boltzmann Method, M-LBM）。该方法突破性地将城市建筑群视为多孔介质，通过单元阻力替代建筑表面物理交互，在保留相对气流模式识别能力的同时大幅降低计算复杂度。研究通过武汉四种建筑集群（高层/中层/低层/混合）的CFD对比验证，证实M-LBM与CFD结果具有高度空间一致性（R2>0.889），计算效率提升超97%，并成功识别出武汉中心城区通风阻塞关键区域。

关键技术包括：1）多孔介质模型构建，将三维建筑简化为二维形态指数；2）改进的LBM碰撞-流项算法；3）基于RANS方程的标准k-ε湍流模型验证；4）通风阻力成本路径分析。研究样本来自武汉典型建筑集群的实地数据。

【Methods】提出M-LBM理论框架，通过重构LBM的流项模拟气流-单元阻力交互，建立形态指数与流体阻力的映射关系，实现城市尺度的低耗算气流模式模拟。

【Model validation】在四种建筑集群中，M-LBM与CFD的风场空间格局相关系数达0.951（高层）至0.889（混合），证明方法可靠性。特别在主导风向识别方面表现优异，但需注意该方法不模拟绝对风速分布。

【Advantages of the new method】相较传统形态学方法，M-LBM引入气流物理机制；相比CFD，计算耗时从小时级缩短至分钟级。案例显示其可诊断20m级通风阻塞点，适用于城市尺度的快速规划评估。

【Conclusion】研究开创性地将LBM原理与形态学方法融合，解决了传统方法缺乏流体动力学基础的瓶颈问题。M-LBM在保持90%以上空间一致性的前提下，实现两个数量级的效率提升，为国土空间规划中的风环境评估提供了革命性工具。专利GB2633108已获授权，未来可结合AI技术进一步优化城市微气候模拟体系。

该研究的创新性体现在三个方面：理论层面首次建立形态学参数与LBM阻力的定量关系；方法层面实现城市尺度通风模拟的"降维打击"；应用层面为《城市通风廊道规划技术指南》提供可操作性方案。研究获得国家自然科学基金（42201466）和山东省自然科学基金（ZR2021QD078）支持，相关成果已在武汉城市规划中得到实际应用验证。