樹冠微觀尺度流動(dòng)阻力特性分析

王冰清，付海明

(東華大學(xué) a. 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；b. 國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620)

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樹冠微觀尺度流動(dòng)阻力特性分析

王冰清a, b，付海明a， b

(東華大學(xué) a. 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；b. 國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620)

摘要：采用可視化Basic程序設(shè)計(jì)語言(VBA)建立虛擬的三維樹冠模型，并使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬的方式，研究了不同孔隙率和風(fēng)速下，樹冠內(nèi)部的流場特征和流動(dòng)阻力. 用光學(xué)孔隙率及體積孔隙率來表征樹冠復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并討論了樹冠形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)對樹冠流動(dòng)阻力的影響規(guī)律. 結(jié)果表明，樹冠的阻力系數(shù)與光學(xué)孔隙率滿足近似二次多項(xiàng)式關(guān)系，通過對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果回歸分析，給出樹冠流動(dòng)阻力系數(shù)與光學(xué)孔隙率的關(guān)系式，在真實(shí)條件下樹冠阻力系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比的基礎(chǔ)上，提供了一個(gè)對真實(shí)樹冠阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測的依據(jù).

關(guān)鍵詞：樹冠； 阻力系數(shù)； 孔隙率； 微觀模型

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的因素，在全球的生態(tài)平衡中有著重要的作用.樹木具有保護(hù)水土、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、減少污染物等功能.自然或人為作用會(huì)使土壤流失、土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變.防風(fēng)林的栽種有助于防止土壤流失、減少風(fēng)蝕，最終使風(fēng)速降低.充分樹冠密度下樹木的種植或自然植被覆蓋的維護(hù)會(huì)降低風(fēng)蝕的可能性.文獻(xiàn)[1]研究表明，在農(nóng)田中防風(fēng)林使農(nóng)作物免受風(fēng)災(zāi)，其創(chuàng)造了一個(gè)提高農(nóng)作物生產(chǎn)率的有利微環(huán)境.若使防風(fēng)林的效益最大化，還需要深入理解風(fēng)和障礙物相互之間的物理作用.

盡管研究者們在防風(fēng)林和大范圍孤立障礙物背風(fēng)處的氣流測量和特征描述上做了很多努力，但是對單個(gè)植被內(nèi)氣流繞流相互作用而產(chǎn)生的阻力系數(shù)方面關(guān)注較少.正是由于此相互作用，在微觀層面上，觀察背風(fēng)處流域是可靠的.通常，研究分為兩方面：(1)剪切應(yīng)力分區(qū)，這里植被的作用是保護(hù)固定表面的土壤[2-10]；(2)防風(fēng)林對流場和微氣候的影響[11-14].在第二方面中，大部分的工作用來描繪二維籬笆流場，因此這提高了對文獻(xiàn)[15]中二維人造籬笆的遮擋效應(yīng)和空氣動(dòng)力學(xué)的理解.文獻(xiàn)[16]總結(jié)了二維籬笆孔隙率與阻力系數(shù)的曲線關(guān)系的研究.實(shí)心籬笆的阻力系數(shù)最高，并隨著孔隙率增大而持續(xù)減小.

已有的研究[1]對于防風(fēng)林、孤立樹木和灌木等三維多孔介質(zhì)繞流流動(dòng)的理解很不完整.由于模型中代替數(shù)據(jù)的使用造成了這部分結(jié)論的缺失，文獻(xiàn)[7-8]的研究使用了文獻(xiàn)[16]中的實(shí)心粗糙度物體阻力系數(shù)來代表自然多孔的植物.風(fēng)速減小、壓力擾動(dòng)的原因正是由于滲透率和阻力，但是三維多孔介質(zhì)的原因是未知的[15].防風(fēng)林阻力系數(shù)的測試大部分是通過障礙物周圍的風(fēng)場動(dòng)量損失的計(jì)算完成的[12-13，15，17].但也有其他嘗試，例如，通過縮放植被比例的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行阻力系數(shù)測量[1].風(fēng)洞研究也測量了闊葉[18]、云杉樹枝[19]及整樹[20]的阻力.

因此，研究樹冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)與樹冠阻力系數(shù)的關(guān)系對于預(yù)測防沙護(hù)林的作用是至關(guān)重要的.本文采用可視化Basic程序設(shè)計(jì)語言 (VBA)建立虛擬的樹冠模型，并采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬計(jì)算得出虛擬樹冠阻力，通過對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果回歸分析，給出樹冠流動(dòng)阻力系數(shù)與光學(xué)孔隙率的關(guān)系式，并進(jìn)行真實(shí)條件下樹冠阻力系數(shù)的試驗(yàn)測試，將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，為真實(shí)樹冠的阻力系數(shù)預(yù)測提供計(jì)算依據(jù).

1物理模型

本文真實(shí)樹木與模擬模型中虛擬樹木的比例為10∶1.計(jì)算流域高為3h，長為5h，寬為防護(hù)林平均行距3.5 m，其中h為樹冠的平均高度.因此，如圖1所示為本文模擬的計(jì)算域，設(shè)樹冠高度為0.25 m，流域高為0.75 m(3h)，長為1.25 m(5h)，寬為0.35 m. 流域高度為3倍樹冠高度，故可忽略流域高度對流場求解結(jié)果的影響.為保證入口邊界和出口邊界處流動(dòng)的充分發(fā)展，設(shè)定樹冠到流體入口邊界距離為0.625 m，即2.5倍樹冠高，樹冠到流體出口邊界距離為0.625 m，亦為2.5倍樹冠高.流域被劃分為8 385 633個(gè)非均勻四面體網(wǎng)格，并對樹冠內(nèi)部作局部網(wǎng)格加密處理.邊界條件：流域的底部設(shè)置為粗糙壁面，粗糙度取0.005 m,并假設(shè)壁面無明顯的障礙物和植被.除了入口和出口以外，計(jì)算流域的其他壁面包括樹枝和樹葉的表面均設(shè)為無滑移壁面邊界條件.入口設(shè)置為速度入口邊界條件，出口設(shè)置為相對壓力為0的壓力出口.事實(shí)上，樹枝的表面是粗糙的.但是之前的研究中沒有關(guān)于樹枝表面粗糙度的數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[21]研究得到的樹枝表面粗糙度為0.002 m，將其作為參考用于代表全尺寸的樹木表面粗糙度.流域中的三維微觀樹冠模型是由VBA生成的，其樹冠中的樹枝葉子是由計(jì)算機(jī)編程產(chǎn)生的，其外形及特征與真實(shí)樹冠十分相似，每一個(gè)虛擬樹冠都具有不同的隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)，可近似認(rèn)為本文的虛擬樹冠是“真實(shí)”的，如圖2所示.

圖1　樹冠模型模擬的計(jì)算域和邊界條件Fig.1　Computational domain and boundary conditions for simulation with model trees

圖2　微觀模型中的虛擬樹冠Fig.2　Picture of the virtual tree used in the microcosmic model

2風(fēng)洞試驗(yàn)

為了驗(yàn)證三維微觀樹冠模型的可行性，選取槐樹樹枝進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果.風(fēng)洞試驗(yàn)裝置和測點(diǎn)位置(截面A)如圖3所示.風(fēng)洞由有機(jī)玻璃材料制成.

1—風(fēng)機(jī)；2—變頻裝置；3—軟接頭；4—孔板流量計(jì)；5—擴(kuò)壓器；6—蜂窩柵極；7—測試段圖3　風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)裝置Fig.3　Diagram of the wind tunnel for the airflow experiment

將選取的樹枝置于測試段(圓形風(fēng)筒)，每種樹枝設(shè)定5種不同光學(xué)孔隙率，共計(jì)進(jìn)行20組試驗(yàn).光學(xué)孔隙率通過控制試驗(yàn)樹枝的數(shù)量以及葉片數(shù)來實(shí)現(xiàn).光學(xué)孔隙率取值范圍為0～1.根據(jù)光學(xué)孔隙率定義[22]可知，在二維水平面內(nèi)，測試段7底面積與樹枝葉片面積重合部分之差與測試段7底面積之比即為光學(xué)孔隙率，也可稱其為疏透度，其定義：在垂直于某一水平方向上，樹冠邊緣垂直面上的透光孔隙的投影面積與該垂直面上的樹體投影總面積之比.試驗(yàn)時(shí)，通過無極變頻裝置2(0～50 Hz內(nèi)無極調(diào)節(jié))和蜂窩柵極6均勻向測試段輸送速度1.0～ 15.4 m/s的連續(xù)風(fēng).并在測試段7的B、C兩點(diǎn)采用數(shù)字壓差計(jì)測量氣流通過樹枝前后的壓力損失，B、C兩點(diǎn)分別在測試段圓周上均勻取6個(gè)測試點(diǎn)以測出A、B兩點(diǎn)平均靜壓差.測試段7尾部通向大氣，每變換一次風(fēng)速等待片刻，待風(fēng)速均勻穩(wěn)定后再進(jìn)行測試. 風(fēng)速測量可以通過孔板流量計(jì)間接測得，也可以直接在測試段7使用熱線風(fēng)速儀測量.為獲得更高的測量精度，本試驗(yàn)采用后者.

施加于植被上的全部阻力與穿過樹冠內(nèi)部和周圍的氣流流動(dòng)有關(guān)，大部分由孔隙率控制.選取5組樹冠模型進(jìn)行二維和三維孔隙率的測量.二維光學(xué)孔隙率采用數(shù)字化掃描方法，首先取得清晰的樹木照片，用數(shù)字化掃描儀把照片轉(zhuǎn)化為數(shù)字化圖像文件，利用樹冠與背景之間的灰度差異，使用自編程計(jì)算軟件計(jì)算樹葉面積，求得透光孔隙面積，從而得到光學(xué)孔隙率或疏透度.三維體積孔隙率的測量使用簡單的排水體積法，假設(shè)樹是實(shí)心無孔隙的,然后樹被拆卸，每個(gè)枝干放入一裝滿水的量筒中，將每個(gè)枝干體積相加得到孔隙率.在計(jì)算模型中最重要的一個(gè)參數(shù)是葉面積密度(LAD).模型中虛擬樹木的LAD獲得方法與光學(xué)孔隙率相似.

物體表面的阻力系數(shù)(Cd)可由式(1)確定

(1)

式中：u為風(fēng)速；ρ為流體密度；p為壓力.變量u、ρ可直接測量，而p必須直接測量或者通過Cd確定.為了簡化幾何形狀，可以通過確定的阻力曲線得到Cd.

3結(jié)果與討論

3.1樹冠流場特性

采用在動(dòng)量和湍流輸運(yùn)方程中附加源/匯項(xiàng)的方法模擬樹冠內(nèi)的繞流效應(yīng)，但此方法要明確地解釋樹冠內(nèi)各向異性的空間結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的氣流復(fù)雜性是不可能的.事實(shí)上，樹冠內(nèi)繞流的相互作用會(huì)在樹冠枝干尾跡區(qū)域產(chǎn)生大量小范圍風(fēng)速減小，使用先前的傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)這些小范圍的風(fēng)速減小.迄今為止，文獻(xiàn)[21]通過在模型中引入有明確樹枝結(jié)構(gòu)，研究了無葉樹冠的流場，預(yù)測效果良好.本文的創(chuàng)新之處在于，三維微觀樹冠模型在樹枝周圍增加了“真實(shí)葉子”，能夠深入分析樹冠結(jié)構(gòu)對樹冠內(nèi)部及周圍區(qū)域繞流流動(dòng)的影響.圖4(a)顯示了具有樹葉的樹冠層內(nèi)部流場速度分布圖，而圖4(b)顯示了樹冠層內(nèi)部流場分布的細(xì)節(jié)圖，這是先前的傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的.由圖4可知，樹冠內(nèi)的風(fēng)速整體是減小的，而在樹枝、樹葉周圍和背風(fēng)處的風(fēng)速卻是增加的.

(a) 整體速度云圖，h= 2.25 m (LAD值=25.89 m-1)

(b) A處速度云圖細(xì)節(jié)圖

3.2孔隙率

本文使用的三維微觀樹冠模型的孔隙率測試結(jié)果如表1所示. 由表1可知，光學(xué)孔隙率變化范圍為0.15～0.64，而體積孔隙率會(huì)大一些，其變化范圍為0.93～0.96.

表1　孔隙率測試結(jié)果

圖5給出了虛擬樹冠的光學(xué)孔隙率和體積孔隙率的關(guān)系.由圖5可知，光學(xué)孔隙率是體積孔隙率的冪函數(shù).在文獻(xiàn)[22]的研究基礎(chǔ)上，將表1孔隙率分析結(jié)果進(jìn)行擬合，則光學(xué)孔隙率與體積孔隙率的關(guān)系如式(2)所示.

(2)

式中:Po為光學(xué)孔隙率；Pv為體積孔隙率.

圖5　微觀模型的體積孔隙率與光學(xué)孔隙率關(guān)系Fig.5　The relationship between volumetric porosity and optical porosity for the microcosmic model

式(2)函數(shù)與數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.805，滿足實(shí)心物體模型孔隙率為0的客觀要求，若無物體，光學(xué)孔隙率和體積孔隙率均為1.由式(2)可知，文獻(xiàn)[22]總結(jié)的光學(xué)孔隙率與體積孔隙率的關(guān)系曲線的斜率明顯小于本文得到的兩者關(guān)系曲線的斜率，這主要是由于研究的植物結(jié)構(gòu)特性及葉子的長寬比不同.文獻(xiàn)[22]使用的是松樹，其體積增長速度快于面積，因此體積孔隙率的增長比例大于光學(xué)孔隙率.而本文使用的是虛擬槐樹，由于槐樹葉面積較大，其面積增長速度快于體積，因此體積孔隙率的增長比例小于光學(xué)孔隙率.不僅由于葉面結(jié)構(gòu)的不同，同種植被擁有不同深度和寬度比時(shí)(本文深寬比為1∶1)，冪指數(shù)都可能會(huì)改變.

3.3阻力研究

本文使用的風(fēng)速范圍對應(yīng)的雷諾數(shù)(Re)范圍為0.4×105～1.7×105，Re與Cd的關(guān)系如圖6所示. 文獻(xiàn)[16]測得實(shí)心物體的表面阻力系數(shù)為0.6.由圖6可知，在本文所考慮的所有Re范圍內(nèi)，有孔隙的介質(zhì)均比實(shí)心物體具有更大的阻力系數(shù).隨著風(fēng)速的增大，Re值增大，但相同孔隙率下的每種樹冠模型的阻力系數(shù)均減小.

(a) u=3 m/s

(b) u=10 m/s

different wind speed

在低Re值和高Re值下，阻力系數(shù)Cd與光學(xué)孔隙率Po的關(guān)系曲線如圖7所示.

圖7　光學(xué)孔隙率與阻力系數(shù)關(guān)系圖Fig.7　The relationship between Po and Cd

由圖7可知，隨著Po從0增加到1，Cd值先增大，達(dá)到最大值后減小,直到孔隙率為1時(shí)減到0.由圖7還可以明顯發(fā)現(xiàn)，三維阻力系數(shù)隨Po的變化明顯不同于文獻(xiàn)[16]總結(jié)的二維籬笆孔隙率與阻力系數(shù)的曲線關(guān)系，其二維風(fēng)阻的阻力系數(shù)隨著光學(xué)孔隙率增大而逐漸減小.將圖7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可得到如下關(guān)系式

1.087×10-6Re+0.843，R2=0.95

(3)

由式(3)可知，Re對Cd的影響較小，若忽略Re對關(guān)系式的影響，擬合得到

Cd=-4.46Po2+3.72Po+0.843

(4)

將不同Re值下阻力系數(shù)隨光學(xué)孔隙率的關(guān)系曲線與其他文獻(xiàn)進(jìn)行對比,結(jié)果如圖8所示.由圖8可知，隨著光學(xué)孔隙率從0增加到1，Cd均是先增大，達(dá)到最大值后減小,直到孔隙率為1時(shí)減到0.由圖8中還可以明顯發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[22]總結(jié)的阻力系數(shù)隨光學(xué)孔隙率的關(guān)系曲線中，其Cd最大值對應(yīng)的光學(xué)孔隙率小于本文得到的光學(xué)孔隙率，這與圖5中光學(xué)孔隙率和體積孔隙率的關(guān)系曲線相對應(yīng)，其主要原因是研究的植物結(jié)構(gòu)特性及葉子的長寬比不同.隨著孔隙率的增加，低Re值和高Re值下的阻力系數(shù)曲線開始匯聚，這表明隨著孔隙率的增加，阻力系數(shù)Cd開始獨(dú)立于雷諾數(shù)Re.

圖8　光學(xué)孔隙率與阻力系數(shù)關(guān)系圖與其他文獻(xiàn)對比Fig.8　The relationship between Po and Cd compared with other literature

根據(jù)文獻(xiàn)[23]提出的樹冠動(dòng)量源項(xiàng)Su：

Su=-Cd×ρAfu2

(5)

式中：Cd為阻力系數(shù)；ρ為空氣密度；Af為葉面積指數(shù)；u為空氣平均流速.

樹冠阻力Δp的表達(dá)式為

Δp=Cd×ρu2/2

(6)

將式(4)代入式(6)可得：

3.72Po+0.843)×ρu2/2

(7)

本文采用槐樹進(jìn)行試驗(yàn)，分別取5種光學(xué)孔隙率，則可得到5條不同光學(xué)孔隙率的壓力損失-速度曲線.分別將這5條曲線所對應(yīng)的光學(xué)孔隙率以及速度代入式(7)得到5條模擬曲線.但模擬公式得到的壓差偏大，故需乘以修正系數(shù)k，即：

3.72Po+0.843)×ρu2/2

(8)

由此得出的模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖9所示.表2列出了5種光學(xué)孔隙率下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)過修正的模擬結(jié)果的平均相對誤差.

圖9　試驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)過修正的擬合結(jié)果對比Fig.9　Comparison of the modified simulation results and measured data

Po0.190.270.440.550.70平均相對誤差/%3.902.126.043.082.78

3.72Po+0.843)

(9)

式中：k為試驗(yàn)修正系數(shù)，校正試驗(yàn)中所產(chǎn)生的誤差，其數(shù)值為0.62～1.25.光學(xué)孔隙率小的修正系數(shù)選取較小數(shù)值，光學(xué)孔隙率大的修正系數(shù)選取較大的數(shù)值.

4結(jié)語

為深入分析三維微觀樹冠內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對樹冠繞流流動(dòng)阻力系數(shù)的影響，采用VBA程序構(gòu)建復(fù)雜的三維虛擬樹冠模型.采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)測試相結(jié)合的方法研究不同孔隙率和風(fēng)速下樹冠的內(nèi)部流場特征和流動(dòng)阻力.用樹冠葉面積密度(LAD)、光學(xué)孔隙率(Po)以及體積孔隙率(Pv)來表征樹冠復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)，提出樹冠結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并討論樹冠形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)對樹冠流動(dòng)阻力的影響規(guī)律,并得到下述結(jié)論.

(1) 通過在流場中放置一個(gè)由VBA生成的三維虛擬樹冠模型來預(yù)測樹木枝干及“真實(shí)葉子”對樹冠內(nèi)部及周圍區(qū)域繞流流動(dòng)的影響，能夠捕捉到空氣繞流流動(dòng)特性的細(xì)節(jié)，深入分析樹冠結(jié)構(gòu)對樹冠內(nèi)部及周圍區(qū)域繞流流動(dòng)的影響.

(2) 孔隙率的分析結(jié)果表明了光學(xué)空隙率和體積孔隙率之間的關(guān)系，盡管經(jīng)過試驗(yàn)檢驗(yàn)這兩者間的關(guān)系可能是真實(shí)的，但不同樹冠結(jié)構(gòu)的光學(xué)孔隙率和體積孔隙率之間的關(guān)系有待進(jìn)一步深入研究.

(3) 樹冠的阻力系數(shù)與光學(xué)孔隙率滿足近似二次多項(xiàng)式關(guān)系，故采用光學(xué)孔隙率分析樹冠阻力系數(shù)，并且該多項(xiàng)式可以直接應(yīng)用到防風(fēng)林的單一樹冠風(fēng)阻作用的預(yù)測中.

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文章編號(hào)：1671-0444(2016)03-0426-06

收稿日期：2015-05-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41371445)

作者簡介：王冰清(1990—)，女，遼寧撫順人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭諝膺^濾凈化與空氣品質(zhì). E-mail：wbq1827@163.com 付海明(聯(lián)系人), 男，高級(jí)工程師，E-mail: fhm@dhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：X 513; S 731.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Flow Resistance Characteristics Analysis of Micro-scale Canopy

WANGBing-qinga, b,FUHai-minga, b

(a. School of Environmental Science and Engineering; b. State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:A three-dimensional(3D) architecture of canopy was produced by VBA (visual basic application) and CFD (computational fluid dynamics) was used to investigate the flow characteristics and flow resistance through 3D microcosmic vegetation canopies with different porosities and various velocities. Optical porosity and volumetric porosity were used to analyze the complicated morphology of vegetation canopy and influences of canopy structure parameters on flow resistance. The results show that, the relationship between drag coefficient and optical porosity can be approximately predicted as a quadratic polynomial, and a model expression is presented through simulation results. The model expression is validated using experimental results in a wind tunnel with tree branches. Based on the comparison of drag coefficient data obtained through the field experiments in real environment, this method provides a basis for predicting the real drag coefficient.

Key words:canopy; drag coefficient; porosity; microcosmic model