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防护林带防风效应的数值计算 防护林带防风效应的数值计算 刘玉峰1，丛晓春1，张旭2 1(1．山东科技大学土木建筑学院，山东青岛266510；2．同济大学暖通空调与燃气研究所，上海200092) 摘要： 本文采用了湍流应力收支方程来封闭高阶动力模型方程(RSM)的方法，并将树冠模 型化的基础上，得到了稳态情况下的林带周边流场的风速分布，理论上定量地预测林带的防护效果。 之后选用了林带疏透度、林带高度、林带宽度以及同排树木的间距，这四个影响因子来表征不同林 带结构特征，在正交实验的安排下，数值计算了27种代表81种林带结构的流场、压力场和湍流动 能场的分布，经比较分析从而得出了最佳防护效果下的林带结构参数为：林带疏透度为31％，林 带宽度为4m，高度为lOm，树木间距为5m，其试验指标为58．8％。 关键词： 防风效应：正交试验；林带结构 Numberical Calculation of Protection Wind Effect of Tree Belt Yufeng L iu1，X iaochun Con91，Xu Zhan92 (1．Architecture Engi玎船ringCollegeofShandongScienceandTechnologyUniversity,Qingdao 266510 (2．Heating Ventilation and AirconditioningGas Iin蚯tute,Tongji University，Shanghai 200092) Abstract： In the paper,higer order Reyold stress modcI(RSM)is adapted and air distribution around n∞belt is numberically calculated．Under the plan of onto-experiment,the 27cases on behalf of 81tree belt struct／ons锄七 made by number／cal calculation method and the optical belt s(rucfion a咒obtained after comparsion their windbreak effects with different strucfions． key words：windbreak effect；onto—experiment；tree blet structure 1 引言 风障可视为疏透性的“多孔介质”，大气来流只有一部分能穿透过去。故其背风侧将有 一个平均风速减弱区，此即风障的屏蔽效应。防护林作为风障的一种，不仅具有如木栅、金 属网的屏蔽功效，而且作为一种人工林生态系统骨架的重要组成部分，对于在保护环境、减 少污染及降低灾害等方面的作用是不言而喻的。作为减小风力，削弱风强的一种完全环保型 防尘措施，可广泛应用于道路两侧、露天矿料场、农田间以及水土保持区等诸多易扬尘的场 合。 早期的防护林研究多以现场观测为主，辅以野外实验，这类方法一方面受到天气条件的 刘玉峰(1965一)，男，工学博士，副教授。 9 第三届工程计算流体力学会议文集 制约，短期内很难得到大量的观测数据，另一方面这类实验本身需要消耗大量的人力物力， 这些局限迫使人们试图从理论研究中获得更多的信息。但理论研究因为流动模型封闭的困难 性和诸多参数的不确定性而使其变得格外复杂nl。本文采用计算流体动力学的方法，结合近 三十年林带流场理论发展的必威体育精装版成果对防护林带周边的流场进行数值研究，研究林带结构参 数问的交互作用，得出最佳防护参数，为这一技术的推广使用提供参考。 2林带流场的数值计算 2．1 林带流场计算的数学模型 本文采用高阶封闭的雷诺模型(RSM)计算林带流场，具体见参考文献[2]。 2．2 树木计算模型化 自然界的树冠边界千变万化，太不规则，无法精确描述。同时对于防护林研究的目的在 于考察防护林外的流场情况，而不是林带内部的流动，这样就可以忽略林带内部复杂固体边 界元结构的影响[3】。考虑到计算的可操作性和可验证性，本章选用大桥他【4J风洞实验的模型 树木。树高6m，树冠是边长为3 m的立方体，叶片的形状是边长为30cm的正方形，叶片 厚度为lmm，叶片之间无交叉错叠，叶片和气流间隙交错排列，整个树木详细尺寸可见文 献4。其中树冠部分如图1中的图b所示。 (a)单个树木模型 (b)模型树冠 图1数值计算用树木模型 Fig．1 The tree model for numerical calculation 3防护林带防风效应研究 防护林带不仅削弱了背风面风速，改变了气流的运动特征，而且这些运动特征的改变