树冠与风速相互作用关系及树冠上颗粒物沉积

摘要

树具有保持水土、防风固沙、改善气候、吸收污染物等功能。在热、水蒸气、CO2等输运以及树冠内部孢子、花粉、颗粒扩散上风起着重要作用。树冠内外风力分布的相关信息对研究气象学、农业、经济等非常重要。人们生活和工作的城市环境暴露于各种气固态污染物中，这些污染物主要来源于汽车尾气、工业废气排放、交通事故产生的化学和生物有毒有害气体。这些有毒有害污染物的扩散取决于如风速、风向和大气稳定性在内的气象条件以及城市建筑布局，而气体污染物和固体颗粒物的吸收主要取决于城市植被。目前，由于测试条件的限制，试图通过实验手段完全了解树冠内外流场分布以及颗粒捕集仍十分困难。数值模拟则提供了一种有效的研究方法。本文针对树冠内外流场分布以及颗粒捕集中的若干关键问题开展模拟研究加上部分实验，主要学术成果如下：
　　通过计算流体力学软件（CFD）模拟二维简化树冠以及三维树冠的流场分布，最后将通过模型计算所得的树冠周围压力场分布、流场分布（u）、湍动能分布（TKE）、湍动能耗散率分布（ε）以及湍动强度分布（I）与其他学者的模拟研究和实验数据进行对比。结果表明：采用该方法模拟所得流场分布与文献和现场测试数据十分吻合，可以供以后的研究者模拟分析树冠湍流流动提供借鉴。
　　为深入分析树冠内部结构参数对树冠绕流流动阻力的影响，采用数值模拟和实验测试相结合的方法研究几种典型形态特征树冠的内部流场特征和流动阻力。通过对数值模拟计算结果回归分析，给出树冠流动阻力系数与叶面积指数的关系式。树冠阻力系数的实验测试结果表明：真实条件下的树冠流动阻力结果要明显高于二维简化模型的数值计算值，但二者在变化趋势上表现出较好的一致性；在引入树冠阻力系数修正系数后，数值计算值与实验结果能吻合较好。
　　采用CFD模拟手段，着重辅助于UDF，运用欧拉混合模型对单棵树冠上颗粒物沉积行为进行模拟分析，着重分析树冠结构参数树冠叶面积密度LAD、叶面积指数LAI、粒子直径dp及运行参数幂指数速度分布v(z)对树冠上颗粒物沉积速度的影响，并与文献实验数据或理论数据进行对比验证，以寻求提高树冠捕集颗粒物的方法，并为城市绿化及城市空气净化提供依据。

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主要符号表

第一章 绪论

1.1问题的提出

1.2 树冠速度场及浓度场特性研究发展概况及现状

1.3本课题的主要研究内容

第二章 树冠速度场与浓度场CFD模拟方法研究

2.1计算流体力学基础知识

2.2计算流体力学CFD模拟方法研究

2.3计算流体力学CFD湍流模型

2.4主要使用软件介绍

第三章 树冠内外流场研究分析

3.1二维简化树冠模型

3.2三维树冠模型

第四章 二维树冠流动阻力特性及实验研究

4.1二维树冠模型及边界条件

4.2数值计算方法

4.3模型计算

4.4树冠阻力与叶团簇直径DI、数量及入口速度u的关系

4.5树冠阻力系数Cn与LAI、SVF、Df的关系

4.6风洞试验

4.7本章小结

第五章 二维树冠干沉降速度研究

5.1二维树冠模型及边界条件

5.2数值计算方法

5.3模型计算

5.4结果分析与讨论

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1本课题的研究结论

6.2前景展望与建议

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢