三维树阻力特性及颗粒物捕及效率研究

发布时间：2017-06-28 10:01

  本文关键词：三维树阻力特性及颗粒物捕及效率研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：树具有防风固沙、保持水土、净化空气等重要作用。当风掠过地面,树将会吸收一部分风的能量,从而控制风蚀对地面造成的损害,并且在树的背风区营造低风速区,为牲畜和农作物提供适当的微气候,产生巨大的经济效益。同时,树还可以吸附空气当中的颗粒物,扮演地球的“肺”的角色。基于树具有如此重要的作用,本文从不同角度、多个方面对于树周围流场及浓度场进行了研究,具体研究工作和结果如下:(1)本文以二维虚拟树冠为例,通过用数值模拟计算结合风洞实验的方法,研究得在二维条件下出树冠阻力系数与树冠内叶片数量、叶片倾角和叶片长宽比等变量有关,而与风速几乎无关。并以光学孔隙率和叶片倾角为自变量的树冠阻力系数预测模型。(2)为获得更真实的树周围流场特性,利用VBA语言在VB6平台上编译程序,调用AutoCAD创建适用于CFD模拟的三维树模型。其建模思路是利用简单几何体组合起来替代树的器官,采用特定生长方式来生成树的骨架,控制树叶及树枝的生长角度最终形成外形逼真的三维树模型。并且将树叶数量设置成为可以手动输入的变量,方便改变获得不同叶面积指数的模型树。本文以枫树为例,构造了20棵树叶数量不同的枫树,并通过自行编译的程序及Photoshop等图片处理软件获取了20棵枫树的光学孔隙率、体积孔隙率、叶面积指数和叶面积密度等参数值,并就各参数之间的关系进行了探讨和分析。(3)选择叶面积指数分别为0.495、1.499、2.454和3.063的三维树在不同的风速条件下进行树周围流场的数值模拟计算。通过将数值模拟计算速度分布结果与文献实验数据进行比对,验证了采用本方法研究树周围流场的可靠性。根据数值模拟结果分析探讨了树周围流域中的速度分布特点,即树冠前端和树的背风区有两个低风速区,并且树对于其背风区风速减弱影响更大(遮蔽效应)。此外,以叶面积指数为自变量,建立了三维条件下树的阻力系数预测模型。(4)通过拉格朗日离散相模型(DPM),选择叶面积指数分别为0.495、1.499、2.454和3.063的三维树在不同的风速条件下进行树周围浓度场的数值模拟计算。根据文献公式,将入口风速与颗粒物捕及效率相乘获得颗粒物沉积速度数值。简要分析树的滞尘效果,并深入探讨颗粒物捕及效率与风速、颗粒物沉积速度与叶面积指数、颗粒物沉积速度与颗粒物粒径之间的关系。通过与文献对比,明确了树冠颗颗粒物沉积的主要机理。
【关键词】：三维树 光学孔隙率 叶面积指数 阻力系数 数值模拟 颗粒物沉积速度 捕及效率
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S718.4;P425.6;X513
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 主要符号表10-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 研究意义12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 本文研究内容和创新14-15
• 1.3.1 本文主要研究内容14-15
• 1.3.2 本文创新15
• 1.4 本章小结15-16
• 第二章 CFD数值模拟方法16-26
• 2.1 流体动力学基本理论16-17
• 2.1.1 流体质点与连续介质模型16
• 2.1.2 流体的分类16-17
• 2.1.3 流体流动的描述17
• 2.1.4 流体流动的分类17
• 2.2 CFD基本控制方程17-18
• 2.2.1 连续性方程18
• 2.2.2 动量守恒方程18
• 2.3 ANSYS CFD求解方法18-19
• 2.3.1 离散化方法18-19
• 2.3.2 有限体积法的求解方法19
• 2.4 湍流模型19-22
• 2.4.1 直接数值模拟（DNS）19
• 2.4.2 大涡模拟（LES）19
• 2.4.3 雷诺平均法（RANS）19-22
• 2.5 DPM模型22-23
• 2.5.1 DPM模型概述22
• 2.5.2 颗粒的作用力平衡方程22-23
• 2.6 CFD求解过程及主要使用软件23-25
• 2.6.1 CFD求解过程23
• 2.6.2 建模软件23-24
• 2.6.3 网格划分软件24
• 2.6.4 数值计算软件24
• 2.6.5 数据提取及分析软件24-25
• 2.7 本章小结25-26
• 第三章 二维树冠阻力特性的数值模拟和实验研究26-33
• 3.1 二维树冠数值模拟模型26-28
• 3.1.1 二维树冠简化模型26-27
• 3.1.2 模拟研究相关参数27
• 3.1.3 边界条件设置及湍流模型27-28
• 3.2 风洞实验研究28-29
• 3.2.1 风洞实验设备28
• 3.2.2 植物种类及实验参数28-29
• 3.3 二维树冠阻力研究分析29-31
• 3.3.1 二维树冠阻力与风速的关系29
• 3.3.2 二维树冠阻力与叶片倾角的关系29-30
• 3.3.3 二维树冠阻力与光学孔隙率的关系30-31
• 3.4 二维树冠阻力模型31-32
• 3.4.1 模拟结果分析与对比31-32
• 3.4.2 二维树冠模型32
• 3.5 本章小结32-33
• 第四章 三维树模型建立与其结构参数关系研究33-42
• 4.1 三维树建模方法33
• 4.2 三维树建模细节33-35
• 4.2.1 树的器官简化几何体34
• 4.2.2 树的骨架构建34-35
• 4.2.3 三维树模型生成方式35
• 4.3 三维树模型35-36
• 4.4 树结构参数36-38
• 4.4.1 光学孔隙率36-37
• 4.4.2 体积孔隙率37
• 4.4.3 叶面积指数37-38
• 4.4.4 叶面积密度38
• 4.4.5 分形维数38
• 4.5 树结构参数之间的关系38-41
• 4.6 本章小结41-42
• 第五章 三维树阻力特性数值模拟42-51
• 5.1 三维树模型建立42
• 5.2 三维树数值模拟参数42-45
• 5.2.1 三维树流场设置42-43
• 5.2.2 边界条件及湍流模型43-44
• 5.2.3 三维树结构参数及阻力系数计算44-45
• 5.3 数值模拟结果分析45-46
• 5.3.1 三维树流场x方向速度分布验证45
• 5.3.2 三维树流场y方向速度分布验证45-46
• 5.4 三维树风阻模型46-50
• 5.4.1 三维树遮蔽效应46-48
• 5.4.2 三维树风阻系数模型48-50
• 5.5 本章小结50-51
• 第六章 三维树对颗粒物捕及效率数值模拟51-60
• 6.1 树捕及颗粒物机理51
• 6.2 拉格朗日离散相模型51-52
• 6.3 三维树模型及边界条件设置52-56
• 6.3.1 三维树模型52
• 6.3.2 流域边界条件设置52-53
• 6.3.3 颗粒物沉积速度计算53-56
• 6.4 数值模拟结果与分析56-59
• 6.4.1 三维树周围流域颗粒物浓度分布56-57
• 6.4.2 风速与颗粒物捕及效率关系57
• 6.4.3 叶面积指数与颗粒物沉积速度关系57-58
• 6.4.4 颗粒物粒径与颗粒物沉积速度关系58-59
• 6.5 本章小结59-60
• 第七章 全文结论与工作展望60-63
• 7.1 研究要点60
• 7.2 主要结论60-61
• 7.3 论文后续工作与展望61-63
• 参考文献63-67
• 攻读学位期间发表的学术论文目录67-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

1 王绪鹏;范文义;曲迪;;基于植物冠层分析仪单线多角度测量的叶面积指数与叶倾角分布关系[J];生态学杂志;2014年12期

2 高纪青;云挺;薛联凤;;基于投影算法和活动轮廓模型的真实叶面积指数计算[J];西北林学院学报;2014年06期

3 谢鸿宇;赵耀龙;杨木壮;李长辉;李展聪;宋爽;邓洁茹;杨锦;林小燕;;基于无棱镜全站仪的树冠体积算法[J];中南林业科技大学学报;2014年01期

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5 王会霞;石辉;李秧秧;;城市绿化植物叶片表面特征对滞尘能力的影响[J];应用生态学报;2010年12期

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9 关德新,朱廷曜;树冠结构参数及附近风场特征的风洞模拟研究[J];应用生态学报;2000年02期

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本文编号：493387