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沿海防护林防风效应数值模拟研究

作　者: 董毅
导　师: 虞木奎
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 生态学
关键词: 沿海水杉防护林防风效能数值模拟计算流体力学群落结构
分类号: S727.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本研究以上海浦东新区沿海水杉防护林体系为研究对象，通过野外调查水杉防护林网群落结构特征，采用Wilson提出的动量汇原理对水杉群落各项结构特征参数进行数值化处理，并利用计算流体力学（Computional Fluid Dynamics, CFD）FLUENT软件包，分别对不同宽度、不同复层结构、不同布灌方式水杉林带和水杉林网防风效能进行数值模拟，探讨各种不同结构林带防风效能差异，分析气流在经过多条林带组成的水杉林网时变化规律，以期为沿海防护林体系构建与经营管理提供一定的理论依据。研究结果表明：（1）不同宽度水杉林带的防风效能差异通过对不同宽度（0.75H与2.5H）水杉林带防风效应数值模拟发现，气流从林带前10H至林带前4H流速衰减比较缓慢，之后林带对气流的影响逐渐显现，风速下降趋势加快。0.75H带宽林带在林带后出现回流的位置比2.5H带宽林带远，且0.75H带宽林带回流峰值小于2.5H林带。在回流减弱后风速恢复过程中，2.5H带宽林带后气流恢复速率比0.75H林带快，且0.75H带宽林带有效防护距离（本文中以风速减低至入口来流百分之70%以内区域为有效防护区域，简写为d70）在各个高度水平上均比2.5H林带长约2H左右。（2）不同群落结构水杉林带防风效能差异通过对水杉纯林与水杉-构树复层林带（带宽均为2.5H）防风效能进行数值模拟发现，气流在林带前表现与其他类型的林带类似，而主要差异发生在林带后，纯林与复层林在林带后1H高度水平以下均出现回流，且水杉纯林林带后回流稍强于复层林。另外在回流削弱与风速回升的过程中，复层林的恢复慢于水杉纯林，且其有效防护距离稍长于水杉纯林。（3）不同布灌方式的水杉林带的防风效能差异通过对不同布灌方式水杉林带（带前布灌与带后布灌）防风效能进行数值模拟分析得出，由于布置的灌草生长高度有限（约0.1H），因此对林带防护效应造成的影响也主要是在这个高度水平上，带前布灌的林带前缘风速由于灌木的影响几乎降至为0，而带后布灌林带由于下层枝下高部分透风性较好，因此风速在林带前缘并未减为0。在其他高度上气流在接近林带时其流速均保持下降的趋势。1H高度以下的林带在林带后均有回流出现，在带后回流区的垂直断面上，越接近林带底部其回流越激烈，且带前布灌林带回流峰值均稍低于带后布灌。同时还发现带后布灌林带林后风速恢复快于带前布灌林带，即带前布灌林带其有效防护距离（d70）稍大于带后布灌的林带。（4）水杉林网的防风效能分析通过对胜利塘、军垦塘、人民塘部分水杉林带组成的水杉林网进行防风效能模拟发现，水杉林网对来流动能有明显的削弱作用，风速下降明显。根据三条林带的模拟结果发现，来流在林带前4H左右处逐渐开始明显下降。各林带基本上在林带后都有回流，回流区的激烈程度除了与林带疏透度等结构因子有关以外，也与回流所在的断面垂直高度有关。疏透度越小，带后回流越激烈，越接近地面回流也会更加激烈。此外，本研究中各林带的有效防护距离（d70）一般都在林带后10H左右。因此，我们认为林网中林带间距设置在15H左右比较合适。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第一章绪论  14-24
  1.1 引言  14-22
    1.1.1 研究背景  14
    1.1.2 研究目的及意义  14-15
    1.1.3 项目来源及经费支持  15-16
    1.1.4 国内外研究现状及评述  16-22
  1.2 研究内容  22-23
  1.3 研究技术路线  23-24
第二章防护林防风效应数值模拟基本原理与方法简介  24-38
  2.1 大气边界层简介  24
  2.2 流体力学基本控制方程  24-28
    2.2.1 连续方程  25
    2.2.2 运动方程  25-28
    2.2.3 湍流控制方程  28
  2.3 湍流数值模拟方法  28-31
  2.4 CFD 软件概述  31-32
    2.4.1 计算流体力学的定义  31
    2.4.2 计算流程  31-32
  2.5 FLUENT 的系统组成及各自性能  32-36
    2.5.1 FLUENT 应用领域  32-33
    2.5.2 FLUENT 软件的基本组成  33-34
    2.5.3 FLUENT 软件的特点  34-36
  2.6 FLUENT 软件的使用步骤简介  36-38
    2.6.1 使用 FLUENT 计算前需要考虑的问题  36
    2.6.2 使用 FLUENT 求解问题的步骤  36-38
第三章沿海水杉防护林体系群落结构调查分析  38-45
  3.1 研究地概况  38-39
  3.2 调查方法  39-42
    3.2.1 林带样地选择  39
    3.2.2 水杉防护林群落基本特征  39-42
  3.3 林带结构参数的数值化处理  42-44
  3.4 湍流近壁面处理方法  44-45
第四章沿海水杉防护林防风效能数值模拟  45-59
  4.1 水杉林带周围风场建模  45-49
    4.1.1 求解区域  45-46
    4.1.2 网格布置  46
    4.1.3 控制方程  46-47
    4.1.4 流场边界和初始条件  47-48
    4.1.5 离散方程  48
    4.1.6 设定迭代参数并进行计算  48-49
    4.1.7 风速模拟数值采集处理方法与范围  49
  4.2 水杉林带周围风场数值模拟分析  49-59
    4.2.1 不同宽度水杉林带风场数值模拟分析  49-52
    4.2.2 不同群落结构水杉林带风场数值模拟分  52-55
    4.2.3 不同布灌方式的水杉林带风场数值模拟  55-59
第五章水杉防护林网防风效能数值模拟  59-65
  5.1 水杉林网周围风场建模  59-61
    5.1.1 求解区域  59
    5.1.2 网格布置  59
    5.1.3 控制方程  59
    5.1.4 流场边界和初始条件  59-61
    5.1.5 离散方程  61
    5.1.6 设定迭代参数并进行计算  61
    5.1.7 风速模拟数值采集处理方法与范围  61
  5.2 水杉林网周围风场数值模拟分析  61-65
第六章结论与讨论  65-70
  6.1 结论与讨论  65-68
    6.1.1 林带宽度对水杉林带防护效能的影响  65
    6.1.2 不同群落结构的水杉林带防风效能差异  65-66
    6.1.3 不同布灌方式的水杉林带防风效能差异  66-67
    6.1.4 水杉林网的防风效能差异  67-68
  6.2 展望  68-70
参考文献  70-78
附录一林带网格划分及流场示意图  78-94
附录二入口边界及源项自定义函数  94-98
在读期间的学术研究  98-99
致谢  99-100
摘要  100-102
Abstract  102-103

沿海防护林防风效应数值模拟研究

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