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环境工程正日益依赖先进的数值工具来应对与能源效率、空气质量、污染物传输和可持续基础设施设计相关的复杂挑战。在这些方面的改进追求是全球优先事项，因此已经在各个方向上付出了巨大的努力，特别是通过使用计算流体动力学（CFD）模拟。CFD的通用性使得研究人员能够对从风
环境工程正日益依赖先进的数值工具来应对与能源效率、空气质量、污染物传输和可持续基础设施设计相关的复杂挑战。在这些方面的改进追求是全球优先事项，因此已经在各个方向上付出了巨大的努力，特别是通过使用计算流体动力学（CFD）模拟。CFD的通用性使得研究人员能够对从风能装置的分析和工程设计到各种尺度的室内和室外环境过程的应用进行探索，如本特刊所呈现的研究成果。
研究背景与存在问题
当前，环境工程领域正面临能源效率、空气质量、污染物传输及可持续基础设施设计等多方面的复杂挑战。为应对这些挑战并实现相关领域的改善，全球范围内已开展了大量工作，特别是在利用计算流体动力学（CFD）数值模拟工具方面。然而，以往的研究往往存在一定的局限性。首先，在微型垂直轴风力发电机的研究中，以往研究多单纯依赖计算模拟或实验测试，这限制了研究结果的鲁棒性与实际适用性，且以往的混合设计往往偏重某一种转子类型。其次，在室内环境质量评估中，缺乏对全院区病房共享空间气流与气溶胶传输的综合研究，对飞机机舱等密闭环境中病原体传播的通风效率、能耗及乘客舒适度的综合优化也亟待完善。此外，在城市户外环境过程分析中，针对拉丁美洲典型不规则低层城市建筑形态的湍流气流模式研究存在空白；而在废水扩散场景中，对于环境水中的近场三维扩散，尚缺乏采用先进数值方法的探索。为推动基于证据的工程决策，开展CFD在环境工程多维度的综合应用研究显得尤为迫切。
研究内容、结论及意义
针对上述问题，研究人员开展了一系列基于CFD的数值模拟与实验验证研究，涵盖能源系统优化、室内环境质量评估以及户外环境过程分析。研究得出结论，CFD不仅能够作为预测流体流动现象的工具，更已演变为环境工程中的重要决策支持框架，可用于评估替代设计、确定最佳运行条件、评估环境风险并支持实施前的规划策略。这表明CFD正越来越多地融入工程设计和环境管理的早期阶段，反映了其从纯分析方法向支持可持续工程决策的实用工具的转型。该系列研究以特刊形式发表在《Fluids》期刊上，对推动环境工程领域的可持续与基于证据的决策具有重要意义。
关键技术方法
研究人员在此特刊综合应用了多种关键技术方法。首先是基于有限体积法（FVM）的CFD模拟，主要通过ANSYS Fluent等商业软件实现；其次是雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟，结合了剪切应力传输（SST）k-ω湍流模型或重整化群（RNG）k-ε模型；同时应用了拉格朗日粒子追踪法、大涡模拟（LES）以及格子玻尔兹曼方法（LBM）。在模型构建方面，结合了高保真度计算机辅助设计（CAD）建模与3D打印原型实验验证，以及基于卫星图像和真实气象数据的城市景观建模。样本队列与数据来源包括墨西哥蒙特雷的实际低层城市景观气象数据，以及代表波音737机舱的真实医院病房和卧室全尺寸物理模型。
研究结果
微型Savonius转子与螺旋Darrieus转子的混合化研究：
研究人员Moreno等人提出了一种将Savonius转子包含在Darrieus转子内部的混合风力发电机设计。通过基于有限体积法的CFD模拟及3D打印原型实验测试，发现在最佳叶尖速比下，混合发电机的性能比仅配备Savonius转子的发电机提高了180%。该设计有效结合了Savonius转子在低风速下的高扭矩与Darrieus转子的空气动力学效率。
缓解住院病房公共区域空气传播感染的研究：
研究人员Li等人针对医院全病区公共区域的气流和气溶胶传输进行了模拟。采用RANS模拟及SST k-ω湍流模型，模拟了配备混合通风系统的真实医院病房公共区域内的气溶胶传输。结果表明，战略性的通风口布置能够缓解空气传播，该研究将CFD的应用从单一房间扩展到全病区，提供了空间解析的感染风险评估。
针对PM2.5和PM10的实验验证离散相模型与数值传输映射研究：
研究人员Estaquio等人构建了一个经过实验验证的瞬态CFD框架，耦合了RANS气流建模与拉格朗日粒子追踪，在配备固定风扇和窗户的全尺寸卧室中进行研究。研究引入了结合最大浓度、平均浓度和持久性指标的暴露评级以确定最佳传感器位置，发现没有单一固定点能有效代表PM
2.5和PM
10（空气动力学当量直径分别为2.5和10微米的颗粒物）两种尺寸的颗粒物，进而提出了优化的传感器布置策略。
优化换气率：缓解飞机机舱病原体传播的CFD研究：
研究人员Benn与Tian利用ANSYS Fluent研究了不同换气率对飞机机舱内空气传播感染源的扩散和停留时间的影响。基于代表波音737机舱部分的高保真度CAD模型，模拟了四种每小时换气率（ACH）场景。研究为优化机舱通风系统提供了新见解，特别是在优化通风效率、降低能耗和维持乘客舒适度方面。
墨西哥代表性低层城市景观的湍流分析：
研究人员Ibarra-Hernández等人利用RNG k-ε模型模拟了墨西哥蒙特雷不规则低层建筑城市景观的湍流气流模式。基于卫星图像和当地真实天气数据建模，研究识别了高污染滞留概率区域和高污染物传输能力区域，为定制化绿色策略和城市规划提供了信息支持。
横向流中的垂直密集射流：格子玻尔兹曼方法的初步研究：
研究人员Giordano等人探索了结合大涡模拟（LES）的格子玻尔兹曼方法（LBM）在模拟横向流中垂直密集射流的应用。通过复杂的可视化手段，证明模拟定性重现了预期的射流轨迹和涡流结构（如反向旋转涡对），但在上升高度和影响距离的定量预测上存在偏差，展现了LBM在模拟环境流体方面的高性能计算可扩展性。
讨论与结论
讨论部分指出，CFD在环境工程中的角色正经历明显演变，越来越多地被用作决策支持方法，而非仅仅作为传统的预测分析工具。数值模拟能够指导可再生能源设备的优化，改善室内空气质量和感染控制措施，支持城市规划决策，并有助于评估废水排放场景，这表明CFD正成为环境工程项目早期设计和规划阶段的组成部分。
在结论方面，研究人员指出，下一代环境工程中的CFD应用仍面临多项挑战。首先，日益需要能够吸收传感器测量数据并适应不断变化环境条件的实时数据驱动CFD技术；其次，环境系统日益复杂，需要对人类行为、城市扩张、多相过程和瞬态边界条件进行更真实的表示；第三，计算成本仍然是一个重大限制，这意味着更高的能耗，从而推动了降阶模型、自适应网格技术、高性能计算实现以及混合CFD-人工智能（AI）方法的开发；最后，应更加关注不确定性量化和模型验证，以增强对工程和政策制定中CFD建议的信心。应对这些挑战将进一步巩固CFD作为可持续环境工程和明智决策关键技术的地位。
