三維微觀樹冠結(jié)構(gòu)的流場及阻力特性研究.pdf

1、隨著城市化的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益凸顯，空氣質(zhì)量成為人們擔(dān)憂的問題。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嚴(yán)重危害人體健康。為了緩解這些空氣污染問題，利用城市植被凈化空氣中的粉塵是一種實用有效的方法之一。樹木具有減塵滯塵、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。充分樹冠密度下樹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。
　　為了獲得樹冠模型的流場及濃度場變化過程并研究較為真實的單棵樹冠微觀模型，主要研究工作和研究結(jié)論如下：
　?。?）首先通過 Basic語言程序（VBA）生成一種含有粗干、樹枝和“真實葉子”的新穎三維虛擬單棵微觀樹冠模型，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）。利用計算流體動力學(xué)軟件（CFD）對三維微觀樹冠模型進(jìn)行流場數(shù)值模擬，得到不同孔隙率和風(fēng)速下，樹冠內(nèi)部的流場特征和流動阻力。用光學(xué)孔隙率和體積孔隙率來表征樹冠復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并討論樹冠形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)對樹冠流動阻力的影響規(guī)律。樹冠的阻力系數(shù)與光學(xué)孔隙率滿足近似二次多項式關(guān)系，通過對數(shù)值模擬計算結(jié)果回歸分析，給出樹冠流動阻力系數(shù)與光學(xué)孔隙率的關(guān)系式，在真實條件下樹冠阻力系數(shù)實驗數(shù)據(jù)對比的基礎(chǔ)上，提供一

4、個對真實樹冠阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測的依據(jù)。
　?。?）采用數(shù)值模擬和實驗測試相結(jié)合的方法研究不同葉面積密度（Lad）下的樹冠內(nèi)部及周圍區(qū)域流場特性。與傳統(tǒng)的模擬方法相比，控制方程中增加了表示計算域中樹干和葉子的相互作用源項。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樹冠模型的速度和湍流動能的曲線，將

5、模擬結(jié)果與實驗結(jié)果/其他文獻(xiàn)進(jìn)行比較,并研究樹冠對流場分布的真實影響。MM模型的平均速度和湍流動能的吻合度均高于FCM。因此本文介紹的模型和方法可以應(yīng)用在未來林冠層的湍流流動模擬上。
　?。?）采用離散相模型（DPM）對三維單棵微觀樹冠模型流場內(nèi)的顆粒污染物的濃度場進(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，最后通過對數(shù)值模擬計