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沿海水杉及杨树林带三维结构参数模型和风流场数值模拟研究

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摘要

第一章绪论

1.1.1研究背景与意义

1.1.2国内外研究进展

1.2研究内容

1.3技术路线

第二章沿海水杉和杨树防护林带的三维结构参数模型

2.1研究地概况

2.2研究方法

2.2.1林带的单元格划分及表面积和体积模型

2.2.2林带群落结构调查

2.2.3标准木解析

2.2.4数据处理

2.3结果与分析

2.3.1树干总表面积和体积及垂直边际分布

2.3.2枝条总表面积和体积及垂直边际分布

2.3.3叶片总表面积和体积及垂直边际分布

2.3.4各组分的水平边际分布

2.3.5林带表面积密度和体积密度的特征

2.4讨论

2.4.1林带结构的空间分布特征

2.4.2表面积和体积的空气动力学效应

2.4.3三维结构参数模型的应用前景

第三章水杉和杨树林带的风流场数值模拟

3.1流体的运动方程

3.1.1大气边界层气流特征

3.1.2流体的控制方程

3.2湍流的模拟方法

3.2.1湍流的直接模拟

3.2.2大涡模拟

3.2.3雷诺平均N-S方程

3.3FLUENT软件简介

3.3.2FLUENT组成

3.4防护林风流场数值模拟

3.4.1求解区域

3.4.2控制方程

3.4.3边界条件

3.4.4林带的空气动力学参数计算

3.5结果与分析

3.6讨论

第四章防护林结构调控措施的风流场数值模拟

4.1防护林带的密度调控

4.1.1参数设置

4.1.2不同株行距林带的风流场特征

4.2防护林带复层林构建

4.2.1参数设置

4.2.2不同灌木种植行数林带的风流场特征

4.3讨论

5.1结论

5.1.1沿海水杉及杨树防护林带的三维结构特征

5.1.2水杉及杨树防护林带的风流场特征

5.1.3不同结构调控措施对防护林防护效应的影响

5.2展望

参考文献

附录

在读期间学术研究

致谢

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摘要

为了更好地客观地阐明林带的空气动力学机理,提高林带边界层流数值模拟的精度。本研究以沿海水杉和杨树防护林带为研究对象,通过标准木解析,利用胸径、树高和冠层半径等指标,构建了水杉、杨树林带的三维结构参数模型;利用林带的三维结构参数模型计算了水杉、杨树林带的空气动力学参数,运用FLUENT软件进行林带风流场数值模拟,分析了不同林带的防护效应特征;并且对林带的密度调控和复层林构建两种结构调控措施进行了模拟,探讨了不同措施对林带防护效应的影响,筛选合适的林带结构,以期为沿海防护林带规划设计和经营管理提供依据。研究结果表明: (1)水杉林带的表面积密度变化范围为0.0012~3.4857m2·m-3,体积密度变化范围为0.000002~0.012397m3·m-3;杨树林带的表面积密度变化范围为0.0070~7.9337m2·m-3,体积密度变化范围为0.000008~0.008028m3·m-3。整体上,杨树林带的表面积密度和体积密度要大于水杉林带。林带结构在空间上有十分明显的异质性:树干的直径随着高度的上升而降低,水杉、杨树林带树干的表面积和体积也随之下降。水杉、杨树林带的枝下高分别为4m和6m,林带冠层以下形成了较大空隙。在林带冠层,枝条的表面积和体积密度随着高度先上升后下降。水杉枝条表面积和体积密度的峰值出现在冠层的中部,杨树则出现在冠层中上部。水杉叶片和枝条的分布特征较为一致,表面积和体积密度峰值出现的位置和枝条大致相同,杨树叶片则主要集中在冠层的上部。林带内各组分表面积和体积占总体的比例差异较大:水杉各组分表面积占总体比例为叶片(78.39%)>枝条(16.04%)>树干(5.57%),杨树为叶片(84.76%)>枝条(12.13%)>树干(3.11%);水杉各组分体积占总体比例为树干(75.28%)>枝条(20.85%)>叶片(3.87%),杨树为树干(67.81%)>枝条(26.34%)>叶片(5.85%)。水杉表面积体积比:叶片(20.23)>枝条(0.77)>树干(0.07),杨树表面积体积比:叶片(14.49)>枝条(0.46)>树干(0.05)。 (2)通过对比水杉和杨树林带的风流场数值模拟结果发现,水杉和杨树林带前的气流变化趋势基本一致:气流在林带前4H-6H左右受到林带的影响,速度开始轻微下降,运动到达林带前2H位置,流速急剧下降。而林带后,气流变化趋势差异较大。在近地面区域,由于林带冠层有较大空隙,流速衰减幅度小于林带冠层区域。同时由于冠层枝叶密度较大,林带冠层气流发生分离、下沉,近地面气流受到挤压,流在林带后小范围有一定回升,随后受挤压的气流产生扩散,气流速度再次下降,之后缓慢恢复。冠层气流的衰减程度相对较大,但由于近地面气流的扩散,冠层气流与扩散的气流产生动量交换,气流速度在林后小范围内急剧上升,随后平缓恢复。对比水杉和杨树林带,由于杨树林带的整体密度要高于水杉林带,杨树林带各高度上的风速衰减和气流恢复速度基本都低于水杉林带,有效防护距离比水杉大12H以上。因此,本研究中杨树林带的防护效果要强于水杉林带。 (3)不同株行距的水杉和杨树林带数值模拟结果表明:在林带前,气流流速受林带株行距的影响较小。在林带后,气流整体的变化趋势基本相同:气流的衰减幅度随着株行距的缩小而增加。各个高度上,株行距3m×2m和2m×2m的水杉林带与3m×3m的林带相比有效防护距离提升了2H-4H,杨树林带则提升了4H-7H。但林带株行距也不宜进一步缩小。对于水杉林带,株行距为2m×2m时,近地面速度接近于0,株行距进一步缩小林后将产生回流。株行距2m×2m的杨树林带与3m×2m的相比,气流回流范围有一定的扩大,回流位置有少许下移。综上,对于水杉林带,株行距2m×2m时,林带防护效应较好。但对于杨树林带,当防护目标高度较低时,株行距为2m×2m的防护效果较好,而当防护目标的高度较高时,林带的株行距最好设置为为3m×2m。 (4)本研究中,通过林带下设置不同行数的灌木来模拟复层结构林带的构建,模拟结果显示:由于灌木的存在,林带冠层以下的空隙降低,近地面气流的衰减幅度明显提高,林带后气流度的加速效应明显降低;在林带冠层,林带冠层的气流下沉现象减少,因此气流速度的衰减幅度下降。但林后动量交换程度明显减弱,林后0-5H的气流恢复速度明显减缓。在林带较远位置,各高度上的气流速度差异逐渐变小,有效防护距离差异不大。在冠层的中上部,种植两行灌木的林带的有效防护距离反而下降。综上,林下种植灌木可以有效地改善林带近地面防护效应,但对于冠层中上部的气流影响不明显,甚至可能产生负面影响。

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