树冠流动阻力特性数值模拟与实验研究

为深入分析树冠内部结构参数对树冠绕流流动阻力的影响,采用数值模拟和实验测试相结合的方法研究几种典型形态特征树冠的内部流场特征和流动阻力。用树冠叶面积指数(LAI)、稠密度(SVF)和分形维数(Df)表征树冠复杂的形态结构,讨论树冠形态结构参数对树冠流动阻力的影响规律。研究结果表明:模型叶面积指数与稠密度呈近似线性关系,而树冠分形维数分别与树冠稠密度和叶面积指数满足近似对数关系。通过对数值模拟计算结果回归分析,给出树冠流动阻力系数与叶面积指数的关系式。研究结果表明:真实条件下的树冠流动阻力结果要明显高于二维简化模型的数值计算结果,但二者在变化趋势上表现出较好的一致性;在引入树冠阻力系数修正系数后,数值计算结果与实验结果吻合较好。     

树冠流动阻力风洞试验与数值模拟

为深入分析树冠结构形态参数和风速对树冠流动阻力的影响,通过风洞试验和数值模拟对5种具有典型形态特征的树种(荷花木兰、桂花、枫香树、樟树及腊梅)的流动阻力进行研究,探讨树冠叶面积指数(leaf area index,LAI)和风速对树冠流动阻力的影响规律。通过对试验数据进行多元回归分析,得到5种树冠流动压力损失与叶面积指数和风速的多元关系表达式。将树冠视为多孔介质,并由试验所得树冠流动阻力确定多孔介质流动的黏性和惯性阻力系数。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)进行数值模拟,结果表明,忽略多孔介质内部的速度流态分布时,多孔介质区域模型可较好地描述树冠流动压力损失,且树冠流动压降模拟结果与试验结果吻合较好。     

树冠微观尺度流动阻力特性分析

采用可视化Basic程序设计语言(VBA)建立虚拟的三维树冠模型,并使用计算流体动力学(CFD)模拟的方式,研究了不同孔隙率和风速下,树冠内部的流场特征和流动阻力.用光学孔隙率及体积孔隙率来表征树冠复杂的形态结构,并讨论了树冠形态结构参数对树冠流动阻力的影响规律.结果表明,树冠的阻力系数与光学孔隙率满足近似二次多项式关系,通过对数值模拟计算结果回归分析,给出树冠流动阻力系数与光学孔隙率的关系式,在真实条件下树冠阻力系数的试验数据对比的基础上,提供了一个对真实树冠阻力系数进行预测的依据.     

树冠周围温度分布特性数值模拟与试验

为了研究树冠对其周围温度场的影响,对真实树冠进行了二维简化并提出分形维数(D)、稠密度(SVF)以及叶面积指数(LAI)等相关结构参数.采用计算流体动力学(CFD)方法对树冠内部结构参数与其周围温度场关系进行数值模拟与分析.通过数值模拟与试验测量相结合,讨论了树冠形态结构参数对树冠周围(主要是树冠后部)温度的影响规律.通过对数值模拟计算结果进行回归分析,给出树冠温度分布与结构参数的关系式.研究结果表明:试验数据与模拟公式计算值基本吻合,只有在叶面积指数过大的极端状态下出现较大偏差,二者在变化趋势上表现出较好的一致性;树冠周围温度与迎面风速成反比,与叶面积指数之间的关系则较为复杂.     

基于格子-玻尔兹曼方法的三维虚拟树冠阻力特性

为了给预测实际树冠的风阻提供理论依据,运用Visual Basic程序设计语言建立三维虚拟树冠模型,使用基于格子-玻尔兹曼方法(Lattice-Boltzmann method,LBM)的计算流体动力学软件——XFlow进行模拟计算,研究不同叶面积指数和风速条件下,树冠对空气流动阻力特性的影响。采用叶面积指数表征树冠的形态结构特征,讨论其对树冠流动阻力的影响规律,并提出阻力系数与叶面积指数、风速之间的关联表达式。利用风洞对人工树模型进行试验,测试结果与关联表达式的预测结果吻合较好。研究结果表明:树冠的阻力系数与叶面积指数、风速呈指数函数关系;当风速大于5m/s时,阻力系数接近常数,风速对阻力系数的影响不再显著。     

树冠降温效应的风洞试验及关联模型

通过风洞试验,分析了不同风速和环境温度下单一品种树冠结构特性对环境温度的影响.针对树冠结构特性提出相关结构参数(叶面积指数、填充率),讨论了其对周围热环境的影响规律,提出了树冠温度下降系数与风速、叶面积指数的关联表达式,并采用多种树冠的测试数据对该关联式的适应性进行对比验证.结果表明:树冠对周围空气热环境有显著的降温效果,树冠温度下降系数与其结构参数、风速和环境温度呈一定规律;叶片尺寸不同的树冠,其降温效果也不同;提出的树冠温降关联式具有一定的适用性,但预测不同树冠的降温效仍需进行必要的修正.     

黑河上游天老池流域青海云杉树冠分形维数时空变化特征

以青海云杉为研究对象,选取不同海拔相同径级、相同海拔不同径级的树木对其树冠的分形维数进行计算,以叶面积指数为参数估算树冠分形维数,揭示青海云杉树冠分形维数的时空变化特征.结果显示:相同径级,高、中、低3个海拔梯度上树冠的分形维数分别为1.81、1.88、0.95,生长在中等海拔地区的青海云杉具有最高的树冠分形维数;相同海拔4个径级梯度5~10、10~20、20~35、35~45 cm的树冠分形维数分别为1.81、0.76、1.68、1.50.随着径级的增大,树冠的分形维数呈减小趋势(10~20 cm例外),2014年青海云杉树冠分形维数相比2013年是增加的.     

基于光学法的纤维增强RPC力学性能及微观结构分形特征研究

为探究纤维增强活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)的宏观力学性能与微观孔隙结构特征之间的关系,测试了不同水胶比、不同河砂替代率的RPC抗压、抗折强度,并基于光学法测定了其微观孔结构参数;建立了基于气泡分布的分形模型并计算出了RPC的气泡分布分形维数;最后通过试验数据拟合,分析了气泡分形维数与孔结构参数及RPC力学性能之间的关系.结果表明:RPC基体的气泡分布具有明显的分形特征,气泡分布分形维数在2.1～2.3之间;分形维数越大,基体孔隙结构的空间分布形态越复杂;RPC基体的含气量不具备分形理论的特征,而气泡平均弦长、气泡比表面积与气泡分布分形维数呈现明显的指数相关性;RPC抗压强度、抗折强度随分形维数增大,呈明显指数增大关系.     

非织造材料分形维数与填充率及纤维直径的关联

开发随机排列的模拟非织造材料表面及截面生成程序,针对3种不同的纤维直径,生成非织造材料表面及截面的纤维结构分布,并采用计算机软件分别计算其分形维数和填充率.通过大量的计算机模拟计算数据及关联回归分析,得出模拟的非织造材料表面及截面的分形维数与其填充率和纤维直径之间关系的关联表达式.结果表明:非织造材料具有分形特征,其结构可采用分形维数进行描述;而其分形维数与纤维填充率及纤维直径之间存在一定的关联规律,模拟的非织造材料的表面分形维数关联表达式的计算结果与实测相对误差小于4.83%;非织造材料表面分形维数与截面分形维数关联表达式的计算结果进行比较,其平均绝对误差为0.163.非织造材料表面分形维数与截面分形维数计算式具有相同的表达形式.     

纤维集合体的分形结构与其吸声性能的关系

分形学是描述无序系统结构特征的有效方法,可以将纤维集合体的结构与性能联系起来.使用X射线断层扫描法分别探测了腈纶短纤和鹅绒纤维集合体的结构,利用扫描得到的纤维集合体内部截面的二维图像,计算孔洞面积分形维数;同时测量了纤维集合体的吸声性能.研究了分形维数与纤维集合体的质量、孔隙率以及吸声性能的关系,结果表明,纤维集合体的分形维数与纤维的质量呈线性正相关,而与孔隙率呈负相关关系.对腈纶短纤集合体,最大吸声系数随着分形维数的增大而增大;对于鹅绒纤维集合体,存在一个临界维数,使最大吸声系数达到最大.两种纤维集合体的吸声临界频率都随着分形维数的增大而降低.     

基于分形维数的光学表面质量评价及响应曲面模型

针对光学元件表面的微观形貌结构呈现出随机性、无序性和多尺度性,反映出一种非平稳的随机过程.针对这一问题,利用光学元件表面具有微观结构上的统计自相似性特征,首先通过结构函数法计算光学表面的分形维数,分析了分形维数与表面传统评价参数峰谷(PV)值近似线性的关系,验证了可以利用分形维数来评价光学元件表面精度;其次,建立了分形维数与抛光参数的响应曲面回归模型,为了通过控制显著性较强的抛光参数来获取更好的光学元件表面质量,评价了各抛光参数对分形维数的影响权重.     

树冠对室外颗粒物浓度分布及干沉积速度的影响

采用流体力学软件中的拉格朗日模型对单棵树冠上的颗粒物沉积行为进行微观尺度的模拟分析,获得颗粒物在树冠内部及周围的浓度分布,分析了树冠结构参数即叶面积指数、颗粒物直径及入口风速对树冠上颗粒物干沉积速度的影响。模拟结果表明,树冠对颗粒物捕集的干沉积速度,随叶面积指数、入口风速的增大而逐渐增大,随颗粒物直径的增大呈先减小后增大的趋势,并在颗粒物直径为1μm时达到最小值。树冠对颗粒物的干沉积速度模拟值与文献基本吻合。     

微结构分维与孔隙率及抗压强度的关系

以交河故城崖体土为研究对象,借助扫描电镜(SEM)手段和分形几何方法,研究了土的微结构分形(包括平面分形和粒度分形).研究表明:崖体土的平面分形维数为1.592～1.793,平均值为1.731;粒度分形维数为1.915～2.655,平均值为2.340.根据最小二乘法,研究了分形维数与土的孔隙率及抗压强度之间的关系.结果表明:交河崖体土的平面分彤维数与其孔隙率及抗压强度呈线性相关,而粒度分形维数与孔隙率及抗压强度旱幂指数关系.该研究成果为通过微结构分形表征土的孔隙性及抗压强度提供了依据.     

煤层孔隙结构对CO吸附量的影响

针对开滦集团下属3个煤矿CO长期超标的现象,测定了CO在煤层中的吸附量和煤的孔隙结构,分析了不同孔径对煤层中CO吸附量的影响,讨论了煤的孔隙率、分形维数、比表面积与煤层中CO吸附量的关系.研究结果表明,低压条件下,煤层中CO气体的吸附量与微孔体积分数呈二次曲线关系,随着压力的升高CO的吸附量与微孔体积分数成正比关系;过渡孔体积分数的增加不利于煤层中CO的吸附;孔隙率、分形维数与CO的吸附量呈二次曲线关系;CO吸附量与煤样内比表面积呈正比.图5,表5,参11.     

不同林分密度下杨树树冠结构与溃疡病的关系

针对不同林分密度对树冠结构的影响以及不同密度条件下杨树树冠结构与溃疡病的关系进行 了分析。结果表明：不同密度条件下的杨树一级分枝粗度和冠层密度存在极显著差异。病情指数与 密度呈显著正相关(0.631),与冠形率呈显著负相关(-0.540)。通径分析结果表明,各树冠结构指标 对病情指数的综合作用均为负,从大到小依次为：冠幅、单株总叶面积、冠长树高比、叶面积指数 、枝下高、树冠表面积、冠层密度、一级分枝粗度、冠形率、一级分枝角度。其中以冠幅和单株总 叶面积的综合负向作用最大。因此,杨树溃疡病密度调控的树冠结构指标选择应着眼于冠幅和单株 总叶面积。在调查的5个林分中,株行距为2.0 m×3.0 m的林分密度最为合理,林中溃疡病病情最轻 。     

氧化钙孔隙参数对固硫反应速率的影响

为研究孔隙结构对固硫特性的影响,采用随机行走方法从分子运动理论的角度建立了多孔颗粒中的气体扩散模型。用简单碰撞理论来模拟气固反应,运用Fick扩散定律来模拟钙离子在产物层中的扩散。在不同温度和不同二氧化硫体积分数下进行数值模拟,研究了反应条件及孔隙参数对固硫速率的影响。结果表明,在固硫过程第一阶段,固硫速率与温度关系符合Arrhenius方程,与反应气体体积分数成线性关系;固硫速率受颗粒的孔隙率及比表面积的影响规律不明显,而与分形维数的指数成线性关系。     

粗粒土级配及颗粒破碎分形特性

验证颗粒质量-粒径分布分形模型用于表示粗粒土级配的适用性,研究粗粒土在不同缩尺粒径的情况下,采用不同缩尺方法缩尺后土体分形维数的变化规律;基于分形维数建立缩尺级配与原始级配之间的联系,分析不同母岩材料、级配和颗粒形状粗粒土三轴试验资料,推算粗粒土的相对破碎率,并探讨分形维数与相对破碎率的关系。研究结果表明:分形维数能定量描述粗粒土的原始级配和缩尺级配,不同缩尺方法得到的粒度分形曲线形态有较大差别,与原始级配的粒度分形曲线有不同程度的偏离,缩尺粒径越小偏离程度越大。在所研究的4种缩尺方法中,分形维数与缩尺粒径的对数呈较好的线性关系;围压越大,破碎分形维数和相对破碎率越大,试验前粗粒土的分形维数越大,剪切试验后相对颗粒破碎率越小。不同母岩、级配和颗粒形状的破碎分形维数与相对破碎率呈幂函数关系,通过分形维数和拟合参数可估算不同围压下的相对破碎率。     

基于GIS的固化污泥微观结构的三维孔隙率及分形维数的计算方法

采用GIS技术对固化污泥的SEM图像进行三维定性与定量微观结构分析。研究结果表明:从固化污泥的3D Scene图像中获取的信息量远远大于SEM图像的信息量,能更真实地反映固化污泥微观结构表面起伏情况;通过GIS技术可以计算三维孔隙率和三维分形维数等微观参数,以及其三维孔隙率和三维分形维数的计算方法是合理的。     

基于分形理论的非达西渗流参数研究

目前对于多孔介质孔隙结构与非达西渗流参数的关系研究较少。因此,本文基于分形理论和渗流试验,建立了多孔介质颗粒分形维数与非达西渗流参数的回归方程。研究结果表明,柴油在多孔介质中的渗流表现出了非线性特征,可用Forchheimer方程描述;多孔介质具有明显的分形特征,分形维数值的范围在2.444～2.713之间;分形维数值与砂粒含量呈极显著负相关,与粉粒、粘粒含量呈极显著正相关;分形维数值与非达西渗流参数满足相关性较好的一次函数关系,其中非达西渗透系数随分形维数值的增大而减小,非达西渗流因子随分形维数值的增大而增大。因此,分形维数可以作为刻画非达西渗流参数的有效手段,从而为非达西渗流研究提供一种较好的研究思路。     

腐蚀砂浆锚固体形貌特征及分形维数

在砂浆锚固体腐蚀物理实验过程中所获得扫描电子显微镜(SEM)图像的基础上,通过图像处理技术提取了砂浆锚固体微观形貌特征,利用分形理论对形貌特征进行了定量描述,并建立了分形维数和砂浆锚固体的宏观粘结强度之间的关系,最后进行压汞试验,并与SEM图像处理的结果作对比分析。结果表明:随着腐蚀时间的增加,受力工况和未受力工况下锚固体的孔隙率均成线性增大,孔隙数量逐渐减少,孔隙的分形维数逐渐降低,分形维数和孔隙率成负线性关系;随着分形维数的减小,砂浆锚固体的粘结强度先增大后减小。压汞试验的测试结果与图像处理的结果对比,发现误差在5%~7%范围内。