基于双向流固耦合的林木风致响应及防风效果研究
发布时间：2021-12-19 14:26
本文以山东省东营市军马五分场刺槐人工防护林作为实验样地,在刺槐林场进行风速、风向的实测实验并确定标准木。基于分形理论的L-系统,根据标准木的树高、枝下高、胸径和冠幅等每木检尺数据,利用Matlab和Ansys建立刺槐的三维模型。设置刺槐的9个弹性常数并命名为tree,作为刺槐主干和分支的材料属性。利用线性滤波法中的AR法,基于Matlab编程,以实测风速为初始风速,以Davenport谱作为目标谱,采用Shiotami的空间相关性表达式,获得脉动风速时程,并添加到脉动风场的入口处。在Ansys workbench平台实现刺槐与脉动风场的双向流固耦合数值模拟。研究结果表明,防护林风速的实测值与模拟值具有较高的一致性,拥有标准k-ε湍流模型的数值模拟可以为林木抗风提供良好的预测。刺槐会对风产生阻碍作用,在刺槐的背风面形成一个低风速的椭圆形的庇护区。刺槐模型对风产生绕流,从而在刺槐的周围产生两个风速增大的区域。刺槐受风会进行摆动,其中刺槐的主干与一级分枝的位移具有相似性,主干顶点的位移小于一级分枝顶点的位移。刺槐在脉动风场的作用下将会产生风致响应,其中YZ方向的剪应力最大,Z方向的压应力最大...
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
2材料与方法92材料与方法2.1研究区概况军马五分场刺槐人工防护林位于黄河入海口三角洲地带，地处山东省东营市的东北部。自20世纪70年代起，为了避免东营市沿海地区遭受到台风的侵袭，人工刺槐防护林被广泛地种植（宋音等，2017）。目前，刺槐人工林的面积总计200hm2左右。本文所选取的研究区为一片20年生刺槐人工防护林，研究区的地理坐标为118°41′58″E，37°47′18″N，海拔10m，属温带大陆性季风气候，四季分明。全年平均气温12.6℃，其中8月份的平均气温最高，可达32.3℃，1月份的平均气温最低为-3.7℃。年平均降水量590mm，年平均蒸发量为1900mm，其中6月蒸发量最大为320mm。四季降水分布不均，雨水主要集中在夏季，大约占全年降水量的64%左右，一年中无霜期可达205天，年光照2600-2800h，累年平均风速4.2m/s，主导风向为东南风。研究区刺槐人工防护林地处棕壤带，土壤为滨海盐土，沙地棕壤，土壤pH值约为8.0左右，土层深厚。图2-1研究区的位置图Fig.2-1Locationmapofstudyarea2.2风场实测的实验仪器与方法2.2.1实验仪器在林木抗风的研究中，野外实测实验、风洞实验和数值模拟研究是最常用的3种研究方法，本节采用野外实测实验的研究方法，测量风场的风速和风向，并针对研究区人工刺槐防护林风场的变化规律进行分析。在进行风场的实测实验时，所需要的实验器材主要包括：风速传感器、风向传感器、数据采集仪和自制风场测量支架。
基于双向流固耦合的林木风致响应及防风效果研究10（1）风速传感器风速传感器为0~5V电压输出型传感器，风速传感器的量程为0~30m/s，其测量精度为±（0.2+0.03v）m/s（v表示风速），分辨率为±0.1m/s，风速传感器如图2-2所示。（2）风向传感器风向传感器为0~5V电压输出型传感器，风向传感器的量程为0~360°，其测量精度为±1°，风向传感器如图2-3所示。图2-2风速传感器图2-3风向传感器Fig.2-2WindvelocitysensorFig.2-3Winddirectionsensor（3）数据采集仪WS-5921数据采集仪是由北京波谱世纪科技发展有限公司研究开发，该数据采集仪可以应用于各种台式计算机和笔记本计算机来进行实验数据的实时采集。该数据采集仪采用美国新型高速16位A/D转换芯片，16路通道同步采集，具有小尺寸、低功耗和高精度的特点，适用于野外实验。数据采集仪如图2-4所示。图2-4数据采集仪Fig.2-4Dataacquisitioninstrument（4）自制风场测量支架自制风场测量支架分为两种，一种是14m高的大支架，在测量支架的2m、6m、
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于实测风特性的台风模拟研究[J]. 杨素珍. 沈阳理工大学学报. 2019(05)
[2]基于修正Kozak方程的人工樟子松树冠轮廓预估模型[J]. 高慧淋,董利虎,李凤日. 林业科学. 2019(08)
[3]行道树风致响应的风洞试验研究[J]. 何定颖,李正农. 自然灾害学报. 2019(03)
[4]城市行道树动力学特性与风致破坏分析[J]. 艾晓秋,彭勇波,承颖瑶. 自然灾害学报. 2018(01)
[5]基于CCA方法的黄河三角洲不同健康刺槐林的土壤属性研究[J]. 宋音,王红,路开宇,仲懿. 江西农业学报. 2017(10)
[6]Numerical Simulation of the Airflow within a Canopy Using a 3D Canopy Structure[J]. 王冰清,付海明. Journal of Donghua University（English Edition）. 2016(06)
[7]树冠流动阻力特性数值模拟与实验研究[J]. 杨会,付海明. 中南大学学报(自然科学版). 2016(12)
[8]1522号强台风“彩虹”特征及成因分析[J]. 郭媚媚,唐洁,李文辉,陈国贞. 气象研究与应用. 2016(03)
[9]风荷载作用下树木力学特性研究进展[J]. 岳小泉,王立海,葛晓雯. 森林工程. 2015(06)
[10]树木抗风及对风环境影响的研究综述[J]. 周利芬,吴红华,李正农. 自然灾害学报. 2015(05)
博士论文
[1]马尾松树木力学建模及在冰雪荷载下应力分析[D]. 宫晓芳.北京林业大学 2009
[2]一类流固耦合问题的数值算法及风场中摇曳树木的物理仿真[D]. 胡潇毅.浙江大学 2008
硕士论文
[1]白云机场扩建交通中心大型乔木-树池节点风振动力响应分析[D]. 黎良辉.广州大学 2018
[2]林场风荷载模拟及林木抗风有限元模拟研究[D]. 张鳌.北京林业大学 2016
[3]黄河下游沿岸城市经济系统脆弱性评价[D]. 田远.辽宁师范大学 2014
[4]三亚市城区防台风防护林及其防护效果研究[D]. 杨世彬.中国林业科学研究院 2013
[5]基于大涡模拟方法的数值风洞技术与应用研究[D]. 孙忠.西安建筑科技大学 2013
[6]新疆杨风致减振机理的基础研究[D]. 汤昌海.北京林业大学 2010
[7]云杉风倒动力学问题的研究[D]. 赖秋明.哈尔滨工业大学 2008
[8]云杉风倒动力学模型的建立与分析[D]. 王琳.哈尔滨工业大学 2006
[9]云杉风倒静力学模型的建立及其分析[D]. 宋晓鹤.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3544574
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
2材料与方法92材料与方法2.1研究区概况军马五分场刺槐人工防护林位于黄河入海口三角洲地带，地处山东省东营市的东北部。自20世纪70年代起，为了避免东营市沿海地区遭受到台风的侵袭，人工刺槐防护林被广泛地种植（宋音等，2017）。目前，刺槐人工林的面积总计200hm2左右。本文所选取的研究区为一片20年生刺槐人工防护林，研究区的地理坐标为118°41′58″E，37°47′18″N，海拔10m，属温带大陆性季风气候，四季分明。全年平均气温12.6℃，其中8月份的平均气温最高，可达32.3℃，1月份的平均气温最低为-3.7℃。年平均降水量590mm，年平均蒸发量为1900mm，其中6月蒸发量最大为320mm。四季降水分布不均，雨水主要集中在夏季，大约占全年降水量的64%左右，一年中无霜期可达205天，年光照2600-2800h，累年平均风速4.2m/s，主导风向为东南风。研究区刺槐人工防护林地处棕壤带，土壤为滨海盐土，沙地棕壤，土壤pH值约为8.0左右，土层深厚。图2-1研究区的位置图Fig.2-1Locationmapofstudyarea2.2风场实测的实验仪器与方法2.2.1实验仪器在林木抗风的研究中，野外实测实验、风洞实验和数值模拟研究是最常用的3种研究方法，本节采用野外实测实验的研究方法，测量风场的风速和风向，并针对研究区人工刺槐防护林风场的变化规律进行分析。在进行风场的实测实验时，所需要的实验器材主要包括：风速传感器、风向传感器、数据采集仪和自制风场测量支架。
基于双向流固耦合的林木风致响应及防风效果研究10（1）风速传感器风速传感器为0~5V电压输出型传感器，风速传感器的量程为0~30m/s，其测量精度为±（0.2+0.03v）m/s（v表示风速），分辨率为±0.1m/s，风速传感器如图2-2所示。（2）风向传感器风向传感器为0~5V电压输出型传感器，风向传感器的量程为0~360°，其测量精度为±1°，风向传感器如图2-3所示。图2-2风速传感器图2-3风向传感器Fig.2-2WindvelocitysensorFig.2-3Winddirectionsensor（3）数据采集仪WS-5921数据采集仪是由北京波谱世纪科技发展有限公司研究开发，该数据采集仪可以应用于各种台式计算机和笔记本计算机来进行实验数据的实时采集。该数据采集仪采用美国新型高速16位A/D转换芯片，16路通道同步采集，具有小尺寸、低功耗和高精度的特点，适用于野外实验。数据采集仪如图2-4所示。图2-4数据采集仪Fig.2-4Dataacquisitioninstrument（4）自制风场测量支架自制风场测量支架分为两种，一种是14m高的大支架，在测量支架的2m、6m、
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于实测风特性的台风模拟研究[J]. 杨素珍. 沈阳理工大学学报. 2019(05)
[2]基于修正Kozak方程的人工樟子松树冠轮廓预估模型[J]. 高慧淋,董利虎,李凤日. 林业科学. 2019(08)
[3]行道树风致响应的风洞试验研究[J]. 何定颖,李正农. 自然灾害学报. 2019(03)
[4]城市行道树动力学特性与风致破坏分析[J]. 艾晓秋,彭勇波,承颖瑶. 自然灾害学报. 2018(01)
[5]基于CCA方法的黄河三角洲不同健康刺槐林的土壤属性研究[J]. 宋音,王红,路开宇,仲懿. 江西农业学报. 2017(10)
[6]Numerical Simulation of the Airflow within a Canopy Using a 3D Canopy Structure[J]. 王冰清,付海明. Journal of Donghua University（English Edition）. 2016(06)
[7]树冠流动阻力特性数值模拟与实验研究[J]. 杨会,付海明. 中南大学学报(自然科学版). 2016(12)
[8]1522号强台风“彩虹”特征及成因分析[J]. 郭媚媚,唐洁,李文辉,陈国贞. 气象研究与应用. 2016(03)
[9]风荷载作用下树木力学特性研究进展[J]. 岳小泉,王立海,葛晓雯. 森林工程. 2015(06)
[10]树木抗风及对风环境影响的研究综述[J]. 周利芬,吴红华,李正农. 自然灾害学报. 2015(05)
博士论文
[1]马尾松树木力学建模及在冰雪荷载下应力分析[D]. 宫晓芳.北京林业大学 2009
[2]一类流固耦合问题的数值算法及风场中摇曳树木的物理仿真[D]. 胡潇毅.浙江大学 2008
硕士论文
[1]白云机场扩建交通中心大型乔木-树池节点风振动力响应分析[D]. 黎良辉.广州大学 2018
[2]林场风荷载模拟及林木抗风有限元模拟研究[D]. 张鳌.北京林业大学 2016
[3]黄河下游沿岸城市经济系统脆弱性评价[D]. 田远.辽宁师范大学 2014
[4]三亚市城区防台风防护林及其防护效果研究[D]. 杨世彬.中国林业科学研究院 2013
[5]基于大涡模拟方法的数值风洞技术与应用研究[D]. 孙忠.西安建筑科技大学 2013
[6]新疆杨风致减振机理的基础研究[D]. 汤昌海.北京林业大学 2010
[7]云杉风倒动力学问题的研究[D]. 赖秋明.哈尔滨工业大学 2008
[8]云杉风倒动力学模型的建立与分析[D]. 王琳.哈尔滨工业大学 2006
[9]云杉风倒静力学模型的建立及其分析[D]. 宋晓鹤.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3544574
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