树木流场的LBM数值模拟

发布时间：2023-02-06 17:14

　　我国风灾频发,不管是沿海地区的台风,还是内陆地区的强风灾害,都对森林生态系统的稳定性造成很大影响,同时树木在强风作用下易发生折断倒伏,严重威胁了人们的财产以及生命安全。所以研究树木风场的意义重大。格子玻尔兹曼法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是基于计算流体力学的一类高效的数值仿真方法。本文运用该方法模拟树木简化模型的流场。首先,通过多松弛时间的LBM模拟了二维实心方柱绕流和多孔方柱绕流,描述了几种典型的雷诺数下模拟的结果,对其中典型的参数做了详细的分析,并将其与其他文献研究的数据进行对比,证明了通过LBM仿真的可实现性以及编程的正确性。其次,通过多松弛时间格式的LBM对二维立面树木流场进行数值研究,树木被简化为表征元尺度下的多孔介质。为了研究高雷诺数下的流场,将大涡模拟结合LBM得到树木周围的流速和风压,并与前人的实测数据作对比,验证了LBM模拟树木流场是精准可靠的;然后在模型前设置格栅,以此制造扰动并模拟B类场地下的树木流场,着重阐述了B类地貌下,树木下游风速和湍流度的变化规律。LBM的高效并行算法、快速的求解速度、加之计算结果的可靠性等优势,使其有望成为...

【文章页数】：82 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 风灾害对树木的影响
        1.1.2 树木抗风及其流场的研究现状
    1.2 LBM的发展概况
        1.2.1 LBM方法简介
        1.2.2 LBM模型的国内外研究现状
        1.2.3 LBM多孔介质流的研究现状
    1.3 本文的主要工作
第2章 LBM方法
    2.1 LBM基本模型
        2.1.1 D2Q9模型
        2.1.2 He-Luo模型
        2.1.3 MRT-LBE模型
    2.2 LBM简要思路
        2.2.1 单位转换
        2.2.2 LBM边界处理格式
        2.2.3 LBM计算步骤
    2.3 LBM湍流模拟
        2.3.1 湍流数值模拟方法
        2.3.2 脉动的过滤
        2.3.3 LES-LBM湍流模拟
    2.4 REV尺度的LBM
        2.4.1 广义Navier-Stokes方程
        2.4.2 MRT-LBE模型
    2.5 本章小结
第3章 实心方柱和多孔方柱绕流数值模拟
    3.1 实心方柱绕流LBM模拟
        3.1.1 计算域的选取
        3.1.2 模型的选取及边界条件
        3.1.3 参数分析
        3.1.4 流场分析
    3.2 多孔方柱绕流LBM模拟
        3.2.1 计算模型
        3.2.2 参数分析
        3.2.3 流场分析
    3.3 本章小结
第4章 树木立面二维流场的LBM数值模拟
    4.1 树木流场的模拟
        4.1.1 LBM计算模型
        4.1.2 树木流场的速度分析
        4.1.3 树木流场的风压分析
    4.2 B类场地下的应用实例
        4.2.1 B类场地的模拟
        4.2.2 树木下游的风速分析
        4.2.3 树木下游的湍流度分析
    4.3 本章小结
第5章 树木水平面二维流场的LBM数值模拟
    5.1 单棵树木流场模拟
        5.1.1 LBM计算模型
        5.1.2 LBM速度分析
        5.1.3 LBM风压分析
    5.2 多棵树木流场模拟
        5.2.1 LBM计算模型
        5.2.2 LBM速度分析
        5.2.3 LBM风压分析
    5.3 本章小结
结论与展望
参考文献
致谢
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
附录B 攻读硕士学位期间所参与的科研项目



本文编号：3736296