三維微觀樹(shù)冠結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)及阻力特性研究.pdf

1、隨著城市化的發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯，空氣質(zhì)量成為人們擔(dān)憂的問(wèn)題。大氣顆粒物已成為許多城市環(huán)境空氣中的首要污染物，其中可吸入顆粒物會(huì)嚴(yán)重危害人體健康。為了緩解這些空氣污染問(wèn)題，利用城市植被凈化空氣中的粉塵是一種實(shí)用有效的方法之一。樹(shù)木具有減塵滯塵、保護(hù)水土、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、減少污染物等功能。防風(fēng)林的栽種有助于防止土壤流失,起到減少風(fēng)蝕的作用，最終使風(fēng)速降低。充分樹(shù)冠密度下樹(shù)木的種植或自然植被覆蓋的維護(hù)能夠消除風(fēng)蝕的可能性

2、。因此植物的減塵、滯塵能力成為選擇城市綠地植物的重要指標(biāo)。為了有效改善城市空氣質(zhì)量，對(duì)城市滯塵機(jī)理、滯塵規(guī)律的研究顯得尤為迫切。
　　為了獲得樹(shù)冠模型的流場(chǎng)及濃度場(chǎng)變化過(guò)程并研究較為真實(shí)的單棵樹(shù)冠微觀模型，主要研究工作和研究結(jié)論如下：
　　（1）首先通過(guò) Basic語(yǔ)言程序（VBA）生成一種含有粗干、樹(shù)枝和“真實(shí)葉子”的新穎三維虛擬單棵微觀樹(shù)冠模型，并利用數(shù)字化掃描方法和排水體積法分別得到二維光學(xué)孔隙率（ op）和三維體積孔

3、隙率（vp），即可得到葉面積密度（Lad）。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件（CFD）對(duì)三維微觀樹(shù)冠模型進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到不同孔隙率和風(fēng)速下，樹(shù)冠內(nèi)部的流場(chǎng)特征和流動(dòng)阻力。用光學(xué)孔隙率和體積孔隙率來(lái)表征樹(shù)冠復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并討論樹(shù)冠形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)樹(shù)冠流動(dòng)阻力的影響規(guī)律。樹(shù)冠的阻力系數(shù)與光學(xué)孔隙率滿足近似二次多項(xiàng)式關(guān)系，通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果回歸分析，給出樹(shù)冠流動(dòng)阻力系數(shù)與光學(xué)孔隙率的關(guān)系式，在真實(shí)條件下樹(shù)冠阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的基礎(chǔ)上，提供一

4、個(gè)對(duì)真實(shí)樹(shù)冠阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的依據(jù)。
　?。?）采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法研究不同葉面積密度（Lad）下的樹(shù)冠內(nèi)部及周?chē)鷧^(qū)域流場(chǎng)特性。與傳統(tǒng)的模擬方法相比，控制方程中增加了表示計(jì)算域中樹(shù)干和葉子的相互作用源項(xiàng)。進(jìn)行全封閉模型（FCM）和微觀模型（MM）的數(shù)值模擬。模擬中使用的樹(shù)冠共有5種葉面積密度（Lad）：1.36、2.26、3.17、4.07和4.53 m-1。分析不同葉面積密度下兩個(gè)樹(shù)冠模型的速度和湍流動(dòng)能的曲線，將

5、模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果/其他文獻(xiàn)進(jìn)行比較,并研究樹(shù)冠對(duì)流場(chǎng)分布的真實(shí)影響。MM模型的平均速度和湍流動(dòng)能的吻合度均高于FCM。因此本文介紹的模型和方法可以應(yīng)用在未來(lái)林冠層的湍流流動(dòng)模擬上。
　?。?）采用離散相模型（DPM）對(duì)三維單棵微觀樹(shù)冠模型流場(chǎng)內(nèi)的顆粒污染物的濃度場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析沉積速度與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，討論影響微觀樹(shù)冠捕集效率與風(fēng)速、葉面積密度、顆粒粒徑之間的關(guān)系，并且和其他文獻(xiàn)的經(jīng)典理論進(jìn)行可靠性分析，最后通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)