收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

植被动力特性的大涡模拟研究

严超  崔桂香  张兆顺  
【摘要】:植被通过光合作用和蒸腾作用等生物物理过程与周围环境之间不断进行着质量、动量和热量的交换,从而直接影响周围环境的流动和污染物扩散,不过到目前为止对于植被与周围环境之间如何相互作用还没有明确的结论。本文采用大涡模拟(LES)方法数值计算植被下垫面的周围流动,采用不可压缩牛顿流体模型,首先通过阻力源的形式反映植被对流动的整体影响。流动控制方程为过滤后的不可压缩N-S方程和能量方程:{(ui) /(xi)=0 (ui)/(t)+((uiuj))/(xj)=-1/p((p)/(x1)δi1)+(p)/(xi))+/(xj)(v*(ui)/(xj)+τij))-F 其中u_i为x_i方向的速度,τ_(ij)为亚格子应力,〈P〉/x_1δ_(i1)为流向平均压力梯度,在每一计算步通过调整该压力梯度保证流量守恒。F_i反映植被对流场的阻力作用,它与叶面积密度分布a(z)和风速u_i有关,可表示为F_i=c_da(z)Uu_i文中采用有限体积法离散LES控制方程,其中亚格子模型为动力Lagrangian模型,空间方向采用Quick格式,时间方向采用三阶龙格库塔推进,并通过SIMPLE算法保证连续性条件。水平方向采用周期边界条件,计算域项部为自由滑移条件,底部给定无滑移条件。通过模拟中性条件下均匀植被算例考核数学模型和数值方法,算例的平均速度与雷诺应力和以往文献的数据吻合较好,从而验证了本文数学模型和数值算法的可行性。由于阻力源模型仅考虑植被对流动的整体影响,本文通过建立植被模型——固定圆柱阵列,模拟流动绕流圆柱阵列,考察冠层内植被分布流动结构和流动特性的影响。考虑到不规则的几何形状对流动模拟带来的困难,文中采用浸没边界法实现固壁边界表面的无滑移条件,从而精确分辨所有植被元素。针对传统浸没边界法会导致连续性条件可能不精确满足的问题,本文提出了一种高效的边界特殊处理方法,确保边界表面没有质量通量。通过模拟圆柱和圆球在不同雷诺数下绕流的算例,验证浸没边界法的效果,算例的平均流动和统计特征量和以往文献的数据吻合。在此基础上,作者进一步研究了植被模型对流动结构和统计特性的影响。全文将给出与已有测量数据比较的结果和不同计算条件下植被模型流场的计算结果。

知网文化
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978