基于k-ε模型的剪切流中湍流动能衰减规律研究

分别从理论推导和数值模拟的角度,分析了剪切流中湍流动能的衰减规律.通过简化湍流变量输运方程,采用Matlab求解了使用标准k-ε模型计算剪切流时湍动能在不同高度处的数值解,通过fluent数值模拟,验证了理论数值解,并与均匀流中的数值模拟结果进行对比,分析了在剪切流中入口湍流强度和湍流黏性比、来流速度梯度和输运方程扩散项等对湍流变量衰减的影响规律.结果表明:剪切流中存在湍流动能衰减;入口湍流强度对湍流变量输运方程生成项的影响较大,湍流黏性比对湍流变量输运方程生成项的影响较小;当入口湍流强度相同时,入口湍流黏性比越大,湍动能衰减的越快,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越小;当入口湍流黏性比相同时,入口湍流强度越大,湍动能衰减的越慢,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越大.     

基于标准k-ε模型的平衡大气边界层研究

平衡态大气边界层的精确模拟是计算风工程研究中的一项重要且容易被忽视的工作。文章基于标准k-ε模型的控制方程,对大气边界层的平衡条件作出适当假设,总结了与剪应力相关的入流边界条件的通用形式。为实现大气边界层的自保持,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项使入流边界条件与湍流模型相协调,并对顶部和底部边界条件施加剪应力修正;然后,分别以二维缩尺和足尺模型为例进行了平衡大气边界层的模拟。研究发现,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项对改善大气边界层的自保持产生了不可忽略的影响,在顶部和底部施加剪应力能较好地改善顶部和底部大气边界层的自保持效果,通过同时添加源项和施加剪应力能很好地实现大气边界层的自保持。     

低磁雷诺数不可压缩磁流体槽道湍流电场相关特性的直接数值模拟

对低磁雷诺数近似下不可压缩磁流体槽道湍流进行了直接数值模拟（DNS）,给出了速度-电场、电场-电场相关特性,并与Kenjere-Hanjalic提出的模型（K-H模型）进行了逐项对比.通过K-H模型与DNS所得到的数据对给定外部驱动力、不同磁场布置形式下磁场对湍流抑制作用的机理进行了对比分析.结果表明,K-H模型可以对速度-电场相关项的大部分分量进行合理的预估.通过数值模拟还发现,磁场沿流向及展向布置下湍动能降低的主要机理是耗散性的磁流体源项;而当磁场沿法向布置时,湍动能降低的主要机理是洛仑兹力对底层流动的加速,从而降低雷诺应力,令湍动能方程中生成项减小,导致湍动能减小.     

低磁雷诺数不可压缩磁流体湍流的非线性涡黏性k-ω封闭模型

在低磁雷诺数近似下,通过逐项模化湍动能输运方程的磁流体源项,提出一个适于任意的磁场布置形式的非线性涡黏性的磁流体湍流k-ω模型.在该模型中,使用Kenjeres-Hanjalic模型和Song的非线性涡黏性模型分别模化脉动电场-速度相关量及各向异性的雷诺正应力,并采用Wilcox低雷诺数k-ω模型对层流化进行估计.通过与直接数值模拟结果和实验结果比较,表明本文模型给出的速度型误差小于5%,摩擦阻力系数误差小于10%,能够满足工程需要.     

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性的研究

将格子Boltzmann方程和大涡模拟(LBE-LES)相结合,提出适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡黏性亚格子尺度模型,开展均匀各向同性湍流时空关联性的研究.采用D3Q19格式计算湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶统计量,与实验和直接数值模拟结果的比较表明,该模型比传统涡黏模型有明显改进.考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力,结果表明,尺度涡产生的横扫作用是造成小尺度涡时间去关联的主要因素,不同波数的频率能量谱之间有一定的相似性,横扫速度是描述湍流频率波数能量谱的特征量.     

Reynolds应力模型在热分层流场中的应用及优化

对Reynolds应力模型(RSM)在数值模拟热分层流场方面进行了优化,即在Reynolds应力方程和湍动能耗散方程的基础上加入标量通量方程和温度扰动方程,使原来的7方程成为了11方程。优化后的模型可以通过精确计算湍流通量输运方程来求解加热湍流中重要的热浮力项。采用7方程RSM、11方程RSM,并用k-ε湍流模型作为参考,对平板间非稳定热分层流动和模拟池式快堆堆心上方的腔室内受迫对流和热分层之间的混合流动进行数值模拟和比较分析,并将计算结果与现有实验数据相比较。结论是:优化后的11方程RSM比其他的湍流模型更适合于计算各向异性的热分层流动。     

一种近壁湍流封闭的理论模型

提出在湍流边界层近壁区采用共振三波的理论模型描述湍流相干结构,根据理论模型系统计算了湍能耗散率输运方程各项的分布,由计算所得理论ε值和ω值计算了平均速度分布.对于靠近壁面的黏性作用层,计算所得理论值与直接数值模拟符合很好,表明该理论模型不仅有益于对湍流机制的了解,而且可能为近壁湍流模型开辟一条新的途径.     

压缩折角激波-湍流边界层干扰直接数值模拟

进行了来流Mach数2．9,24°压缩折角激波．湍流边界层干扰的直接数值模拟,在上游的平板添加扰动以激发边界层转捩到湍流．计算得到的统计结果与实验吻合,验证了结果的可靠性．分析了角部分离区附近湍能的生成、耗散及分配机制．结果显示角部区域激波与湍流边界层相互作用造成大量湍动能产生,而湍动能的主要耗散区仍在近壁．湍流输运项起到了主要的平衡机制,把湍动能由外层输运到近壁区．通过对激波后及壁面瞬时压力的分析,认为激波低频振荡并非上游扰动弓』起,而是由于分离泡本身不稳定振荡产生的．     

铝电解槽内金属循环的数值模拟

本文对铝电解槽内熔融金属在电磁力作用下的流场进行了研究,分别采用常湍流粘性系数模型和k-ε模型联立求解N-S方程,用SIMPLE方法,数值求解得到铝电槽内的金属流速、湍动能、湍动能耗散及湍流粘性系数的分布。计算结果与现场测定结果相吻合。     

泄洪洞出口扭曲斜切挑坎挑流数值模拟

采用RNGκ-ε湍流模型与VOF多相模型对扭曲斜切型挑坎进行水气两相流三维数值模拟,模拟了挑流水舌的空中形态,水舌挑距,水舌挑高,以及水舌速度分布、湍动能k与湍动能耗散率ε的分布情况.数值模拟成果与模型试验观测数据吻合良好,验证了该数值模拟方法的可靠性和合理性,可以为工程优化设计提供科学依据.     

城市冠层植被大气环境特性大涡模拟

 植被通过生物物理过程影响着周围微气候环境,对于城市植被环境流动的研究需要建立合理的植被模型。本研究发展了一套适于模拟植被边界层流动的大涡模拟数值方法,并通过水平均匀模型植被算例对其进行了验证。在此基础上,对空气流过三维非均匀分布钝体元阵列模型植被进行了大涡模拟,并将不同植被数值模型的计算结果与相应的风洞实验数据进行了比较。结果表明,树干部分采用刚性圆柱模拟、树冠用阻力模型的“阻力冠”方法相比于传统的“阻力元”方法能更好反映植被流动的影响。     

人工林内温、湿特性的数值模拟

<正>本文根据气象学中描述热力-动力学过程的湍流运动方程组,给出了模拟人工林内温度(包括地温)、湿度变化的数值模型。与通用的气象学模式不同的是,本文重点考虑了林冠内部的太阳辐射和热辐射过程、树木的蒸腾作用、冠层几何学特点以及叶子的生理学特性等。将模式的输出结果与实测资料相比较,其一致性是令人满意的。     

基于ULS、 TLS和超声测高仪的天然次生林中不同林冠层树高估测

【目的】应用不同数据源分析不同林冠层中探测提取树高的异同,探索适用于中国北方天然次生林树高估测的方法。【方法】以东北林业大学帽儿山实验林场中林施业区0.25 hm²样地为研究区域,基于无人机激光雷达(unmanned aerial vehicle laser scanning, ULS)、地基激光雷达(terrestrial laser scanning,TLS)和Vertex IV超声测高仪实测单木树高,根据冠层高度分布(canopy height distribution, CHD)对林冠层进行分层,对不同林冠层(上层和下层)、不同树木类型(针叶树和阔叶树)探测提取的树高进行对比与分析。【结果】由CHD计算得到的冠层分层阈值为8.5 m。树高的离群值大多产生在林冠上层,阔叶树比针叶树更容易产生离群值,ULS比TLS更容易产生离群值。在林冠上层,ULS比TLS估测树高的相对均方根误差(rRMSE)低2.56%,ULS提取针叶树树高的rRMSE比阔叶树低2.68%;在林冠下层,ULS仅能探测到少量树木,ULS比TLS探测提取树高的 rRMSE高6.31%,TLS提取针叶树树高的rRMSE比阔叶树低1.16%。【结论】针叶树的树高估测精度普遍高于阔叶树;当TLS和ULS均能对单木进行完全扫描时,具有准确提取树高的潜力;树高离群值多由冠型不规则或相互交叉的阔叶树产生,而大部分针叶树,由于具有规则的冠型,所以产生的离群值较少;基于CHD对林冠层进行划分能够较好地反映不同数据源估测树高的适用范围,具有一定的推广意义。     

唐家河自然保护区斑羚春冬季对生境的选择

1998年3－4月和1999年1－2月，作者在四川省青川县唐家河自然保护区，应用主成分分析和判别分析的方法，对斑羚（Naemorhedusgoral）春冬季对生境的利用进行了研究。研究结果表明：影响斑羚春季生境选择的主要生态因子为人干扰度、植被型、坡位、郁闭度、水源乔木距离、乔木大小、灌木距离、坡度、灌木大小、坡度、食物丰富度、乔木密度；斑羚春冬季生境选择的分离主要表现为植被型、郁闭度、水源、坡位、坡度、乔木大小、乔木距离、灌木密度等生态因子的分离。     

基于地面激光雷达点云的树木冠层变化定量分析

采用切片形式的Alpha Shape 3D法估算树木冠层体积,从不同相对位置分析体素空间分布状态的变化.基于网格模型提取变化点云,研究冠层组分的空间变化,以受台风玛利亚破坏树木冠层为例,应用所提出的方法进行定量分析.通过多角度分析可知,该台风对目标树木总体破坏较小,树木冠层垂直方向的中下部受损较大,枝叶受损多集中于距离冠层中心水平方向2.0～2.5 m区间.分析结果表明,该定量分析方法可以反映树木冠层分布及体积变化情况.     

基于三维模型的枇杷冠层光截获模拟与分析

利用点云数据与L-系统规则结合建模的方法,生成精细与高真实感的枇杷果树模型;利用辐射度模型模拟计算了枇杷冠层截获的光合有效辐射（PAR）,并从受光面积与光合速率的角度对不同冠形的枇杷冠层光截获效率进行了定量化分析。结果表明：植物冠形对于入射光的响应有明显差异;经过比较,枝叶排列较为开阔且均匀的冠形光截获量与光合速率更优,冠层整体日平均直射PAR与散射PAR分别为154.77 umol·m-2·s-1与47.20 umol·m-2·s-1,日最高光合速率为3.97umol·m-2·s-1。模拟结果与实际情况基本一致,合理可信。研究结果可为农业生产管理以及果树形态设计提供了科学依据与参考。     

基于无人机LiDAR的单木生物量估测

单木生物量是遥感反演大尺度森林生物量的基础,为提高森林单木生物量估测精度和效率,利用无人机LiDAR点云精确估算桉树、马尾松的单木生物量。首先通过优化算法,提取树高和冠幅,然后采用改进的凸包算法计算树冠面积与体积,把单木结构参数引入CAR模型,构建单木生物量估测模型,并与线性模型进行比较。结果表明：（1）桉树样地树高、冠幅相关性系数R2分别为0.92、0.72;马尾松样地相关性系数R2分别为0.94、0.78,算法提取的树木参数与实测数据相关性较好。（2）改进的CAR模型的精度优于线性模型,桉树和马尾松样地R2分别为0.821、0.830,RMSE分别为17.731、19.149 kg/株。（3）CAR模型引入冠幅面积、体积等树冠因子的生物量模型拟合度更好、精度更高,其中桉树、马尾松样地R2提高了0.102、0.115,RMSE下降了4.484、5.683 kg/株。利用无人机LiDAR数据提取单木结构参数进行生物量估测可取得很好拟合优度和精度。     

兴安落叶松林降雨再分配及其穿透雨的空间异质性

【目的】探究大兴安岭北部兴安落叶松林对降雨的截留再分配及树冠下穿透雨空间分布规律,了解兴安落叶松林生态水文过程。【方法】通过长期定位观测研究的方法,获取了2013年兴安落叶松林19场降雨事件的林外降雨、穿透雨和树干径流的观测数据,采用相关分析,总结了兴安落叶松林降雨再分配规律,比较了树冠下不同位置处穿透雨的变异性。【结果】观测期内兴安落叶松林的林冠截留量、穿透雨量和树干径流量依次为35.14、148.61和0.250 7 mm,分别占大气降雨量的19.10%、80.77%和0.14%; 不同降雨事件中,树冠不同位置处的穿透雨具有空间异质性; 当降雨量、温度等气象因子一致时,3/4树冠半径处的穿透雨变异最小,树冠外缘(4/4树冠半径处)变异最大; 当冠层结构稳定时,穿透雨的变异程度均随降雨量的增加而减小,二者呈一定的负相关性(P<0.01)。【结论】穿透雨是兴安落叶松林降雨再分配的主要水文分量(约占降雨量的81%),选择变异最小、最接近林分穿透雨率(误差约1%)的3/4树冠半径处布设穿透雨收集装置,能够适当减少野外工作量,提高科研观测效率,可为落叶松林区森林水文模型的参数化提供依据。     

盐水实验模型盐源入口湍流强化设计研究

针对盐水实验盐源入口存在初始动量的问题,设计了盐源入口的湍流强化装置。通过计算的方法,确定不同热源强度下的盐源入口尺寸;采用CFD模拟的方法,利用湍流强度和速度均匀性指标来确定湍流强化装置的设计构造,实现盐源注入口小动量和大湍流度的注入条件。实验结果表明,能有效地减小其初始动量问题,提高了盐水实验在模拟热源附近羽流发展的准确性。