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.     

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。     

三维树冠的结构参数与阻力特性的关系

为深入研究树冠结构形态参数对树冠流动阻力的影响,采用风洞试验对八角金盘、构树、女贞、木芙蓉及梧桐5种树冠结构差异较大的典型树种进行研究,探讨树冠层结构参数中填充率与叶面积指数、光学孔隙率、分形维数之间的关系。采用多元回归分析法,给出5种树冠流动阻力与光学孔隙率和风速的关系表达式。结果表明:叶面积指数与填充率呈线性关系,光学孔隙率、分形维数均与填充率呈幂指数函数关系;树冠流动阻力与光学孔隙率和风速呈非线性关系。     

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.     

沙波阻力分形表征的定床试验研究

针对沙波床面形态具有自相似性的特点,将分形几何方法引入沙波阻力问题研究,提出采用分形维数描述沙波床面的三维特征,并应用改进立方体覆盖法计算分形维数值.床面阻力根据爱因斯坦综合阻力分割方法计算,并按摩阻作用可加性原理划分为沙粒阻力与沙波阻力.在试验基础上,引入沙波几何尺度参数和平面分布参数,建立了沙波阻力系数的表达式.对公式的验证、分析和比较表明,本文公式可定量地综合体现沙波床面的三维特征对沙波阻力的影响,在某种意义上是对现有结果的改进.     

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.     

大隆煤升温氧化时煤表面的介观特性

采用内置样品电加热装置的原子力显微镜对低温氧化过程大隆矿-390 m煤样表面形态进行实验观测,得到不同氧化温度下煤表面形态特征.根据分形理论的功率谱密度法计算煤表面的分形维数,并进行了分析.结果表明,不同氧化温度下煤表面的分形维数值都在2～3,煤低温氧化过程符合一定的分形规律,随着氧化温度的增加,表面分形维数呈增大趋势,表明分形维数的大小可以反映煤氧化的不同程度.而采用原子力显微镜结合分形理论研究煤自燃氧化的微观结构的变化是一个新的研究途径.     

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.     

水下圆柱体带空泡轴向绕流研究(英文)

研究了水下圆柱体带空泡轴向绕流问题.用数值方法研究了不同长细比圆柱体水下运动产生空泡的形态及圆柱体水下带空泡绕流的阻力特性,圆柱体绕流空泡形态以及阻力系数数值计算结果与试验对比,符合较好.圆柱体长细比对空泡形态影响可以忽略.随长细比增大:空化数较高时,阻力系数先减小后增大;空化数较小时,其阻力系数基本保持不变.小空化数条件下,给定长细比,空化数越小,阻力系数越小.     

基于分形理论的河床表面形态量化方法研究

提出以河床表面分形维数从整体上量化河床形态,并依据表面积—尺度法原理,在对现有面分维计算方法的表面积估算、边界处理及无标度区判断等方面进行改进的基础上,给出了适用于具有不规则边界的表面分形维数计算方法,该方法对河床表面分维计算具有较好的适用性.将典型河段的年内冲淤变化、局部河势、河型与河床表面分形维数变化结合起来,说明了河床表面形态具有一定的分形特征,河床表面分形维数可随着河床的冲淤变化而改变,河床形态冲淤起伏愈剧烈,则河床表面分形维数愈大,其能定量反映河床形态的复杂程度,可用于河势量化分析、河型判别以及河道形态阻力计算等相关问题研究.     

河道床面形态分形量化方法比较研究

河道床面形态是河流动力学及河床演变学的基本问题,它与冲积河流的流动结构、水流阻力及泥沙输运等方面有密切联系.河道床面形态是水流、泥沙相互作用的结果,其平面或空间结构具有不规则性,而微观粗糙结构具有自相似性,因此,可采用分形几何学中的分形维数来进行量化,这更能反映粗糙结构的内禀特性.目前粗糙表面分形维数的计算方法有投影覆盖法及其改进方法、立方体覆盖法及其改进方法、小岛法、分形交集公式法以及分数布朗表面的统计性质法等,分析了确定河道床面形态分形维数的可行方法,讨论了不同方法的计算精度,提出改进立方体覆盖法更适于计算各向异性粗糙床面的分形维数,为从微观角度开展河床演变、水流阻力及航道治理等问题的分形研究奠定了基础.     

碳酸盐岩酸蚀蚓孔分形模型及酸化参数优化

碳酸盐岩基质酸化的主要特征是形成酸蚀蚓孔,蚓孔在欧氏空间上被认为是无序和杂乱无章的,采用经典数学方法对蚓孔进行实验模拟和数学描述难度较大,但准确描述酸蚀蚓孔的穿透深度对施工参数的优化和提高酸化效果具有重要意义。基于此目的,首先完成了多组岩芯酸化流动实验,采用CT扫描得到了蚓孔的真实形态,引入“盒维数”计算方法,对实验得到蚓孔的分形性进行了验证,并求取了不同蚓孔形态的Hausdorff分形维数。结果表明,实验得到的酸蚀蚓孔具有较好的分形性,且分形维随着溶蚀形态的变化而不同,范围在1.19~1.98,最优排量对应的分形维数在1.6左右。其次,将室内实验和分形几何数学方法相结合,建立了酸蚀蚓孔等效长度分形计算模型,并对影响蚓孔等效长度的因素进行了敏感性分析。     

骨X射线图像纹理的分形特征分析

将骨X射线图像的投影功率谱视为分数布朗运动，由此提出一种新的分形维数的定义，即沿不同方向，对功率谱密度空间的投影功率谱运用线性递归方法计算方向分形维数，并将最大和最小方向分形维数的比值定义为一项各向异性特征，该比值反映了骨小梁模式各向异性的程度。实验结果表明，这项各向异性指数对两类骨质疏松X射线图像有较好的分辨力，可用于模式分类。结合骨小梁模式的谱特征，定义的方向分形维数以及由其得到的各向异性指数所形成的特征集应用于骨质疏松的定量分类，具有潜在的价值。     

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.     

基于分形理论的爆破地震信号盒维数研究

基于分形理论,针对爆破地震信号的传播规律和特征,建立了其分形盒维数模型,应用这一模型计算出在岩石场地进行深孔爆破试验时所采集的爆破地震信号的分形盒维数值D。通过分析所得的分形盒维数值D的数理意义及其与场地介质的关系,研究爆破地震信号的分形特征。结果表明,爆破震动信号的分形盒数值D可作为描述爆破地震信号一个新的重要参数,该参量能够反映爆破地震波传递介质岩体性质的系统信息。     

粗集料棱角性的图像评价方法

利用自行研制的粗集料形态特征研究系统,分别采用颗粒周长法与分形几何法,提出粗糙度与分形维数2个指标对粗集料的棱角特征进行评价.将其计算结果与目前侵蚀膨胀法的表面参数指标进行了对比分析,并采用粗集料松装空隙率对粗糙度与分形维数2个图像指标进行了验证,研究表明:粗集料的粗糙度、分形维数与表面参数具有良好的一致性,均可以较好地表征粗集料的棱角性,粗集料的棱角特性与集料的粒径尺寸具有一定的相关性,集料粒径越大,其棱角性越弱,对于所采用的材料,卵石的棱角性最差,石灰岩、花岗岩、玄武岩与安山岩4个集料的棱角性差异并不显著.     

煤颗粒热解过程中孔隙分形维数变化的数值模拟

为研究煤粉热解过程中孔隙分形维数的变化规律,更好地预测煤焦的燃烧行为,建立了基于颗粒分形孔隙的热解模型,对煤颗粒热解过程中孔隙分形维数的变化进行数值模拟.模型生成的颗粒在孔隙分形维数、孔隙率和颗粒密度方面与真实的煤粉颗粒相同.模型中采用官能团的裂解来描述热解中的化学反应,颗粒的膨胀由气体压力造成,热解模拟条件与沉降炉的实验条件相同.与实验结果相比,数值模拟能够定性地反映煤粉热解过程分形维数的变化规律.     

致密砂岩气藏气水相对渗透率曲线

以分形几何原理为基础,考虑流体润湿性及毛细管内气水两相流动,建立致密砂岩气水相对渗透率计算模型,通过求解得到气水相对渗透率解析计算公式。研究结果表明:本文模型计算结果与文献实验结果吻合度较高,从而验证了本文模型正确性。气水相对渗透率受到束缚水膜厚度、孔隙结构参数(孔隙分形维数、迂曲度分形维数)和气水黏度比影响。气水相对渗透率曲线随着束缚水膜厚度增大而向右平移。孔隙分形维数越大,气水相对渗透率越大,而迂曲度分形维数越大,气水相对渗透率越低。随着气水黏度比的增大,水相相对渗透率曲线几乎不发生变化,而气相相对渗透率曲线向右上方平移。     

基于形态学理论的土体裂隙边缘分形维数计算

为了精确描述土体裂隙的形态特征，基于数学形态学理论，编制了计算机数字图像信息处理软件，对拍摄的土体裂隙图像进行处理，提取图像中的裂隙边缘曲线，并计算不同裂隙发育状态下的裂隙边缘分形维数。进行了土体开裂观测试验，结果表明，裂隙边缘分形维数与裂隙宽度有较好的负线性关系，分形维数随裂隙宽度增大而减小，这为土体裂隙发育形态的预测和数值仿真提供可靠依据。初步探讨了将裂隙边缘分形维数应用在立方定律修正问题上的合理性，并指出需进一步解决的问题。