中国沙漠 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1): 215-228.DOI: 10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00156
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收稿日期:
2024-10-08
修回日期:
2024-11-18
出版日期:
2025-01-20
发布日期:
2025-01-13
通讯作者:
张洁
作者简介:
张洁(E-mail: Zhang-j@lzu.edu.cn)基金资助:
Jialiang Sun(), Ning Huang, Yuhao Zhao, Binbin Pei, Jie Zhang(
)
Received:
2024-10-08
Revised:
2024-11-18
Online:
2025-01-20
Published:
2025-01-13
Contact:
Jie Zhang
摘要:
湍流作用下柔性植物的摆动效应会影响其防风固沙效果。基于传统多孔介质模型,开发描述植物摆动效应的动态阻力系数模型,并对植物柔韧性进行了参数化,提高了防风固沙工程设计的准确性。通过大涡模拟计算,分析不同摆动频率和幅度的植物对冠层流特征区域的影响。结果表明:柔性植物在冠层内部和近尾流区的平均速度更小,但脉动速度和湍动能更大。柔性植物周围的地表剪切应力更小,在尾流区有较好的庇护效果。高柔韧性植物在冠层顶部形成乱流区,在背风侧近尾流区产生强阵风,会降低该区域的防护效果。
中图分类号:
孙嘉梁, 黄宁, 赵昱豪, 裴斌斌, 张洁. 动态阻力系数模型在沙生柔性植物模拟中的应用与验证[J]. 中国沙漠, 2025, 45(1): 215-228.
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图1 植物模型参数和计算域边界条件(A),以及柔性方柱阵列流固耦合(FSI,B)示意图
Fig.1 Schematic diagram of plant model parameters and boundary conditions of computational domain (A), and numerical simulation scheme for FSI using a cylinder array as the plant (B)
图3 不同模型植物内部瞬态速度随时间变化曲线
Fig.3 Transient velocity variation curves within the canopy layer over time, with numerical calculation results incorporating flexible plant sway compared to previous experimental data
工况 | 振幅A | 频率f | 位移L |
---|---|---|---|
工况1 | 2 | 0.1 | 2 |
工况2 | 2 | 0.5 | 2 |
工况3 | 2 | 2 | 2 |
工况4 | 0.5 | 0.1 | 0.5 |
工况5 | 0.25 | 0.1 | 0.75 |
表1 不同植物柔韧性对应的波动方程参数
Table 1 Parameters for the simulation of dynamic resistance coefficients under different operating conditions
工况 | 振幅A | 频率f | 位移L |
---|---|---|---|
工况1 | 2 | 0.1 | 2 |
工况2 | 2 | 0.5 | 2 |
工况3 | 2 | 2 | 2 |
工况4 | 0.5 | 0.1 | 0.5 |
工况5 | 0.25 | 0.1 | 0.75 |
图8 不同植物柔韧性对应的平均速度(A)、瞬态速度(B)与瞬态压力(C)剖面云图
Fig.8 Time-average velocity (A), transient velocity (B), and transient pressure (C) contour plots corresponding to different plant flexibility levels
图10 前端接触区的速度脉动与湍动能(A,点线为脉动速度均方,虚线为湍动能TKE)、速度功率谱密度(B)、瞬态速度(C,D,实线为瞬态流向速度,虚线为时间平均流速)
Fig.10 Fluctuating velocity (A, dot solid lines for RMS values and dashed lines for turbulent kinetic energy), spectrogram of velocity energy density (B), transient velocity (C, D, solid lines for instantaneous and dashed lines for time-averaged velocity) in the front contact zone
图11 冠层内部脉动速度与湍动能曲线(A)、速度功率谱密度(B)、瞬态流速(C, D)
Fig.11 Fluctuating velocity and turbulent kinetic energy (A), velocity energy density spectrum (B) and transient velocity curves (C, D) inside of canopy
图12 近尾流区脉动速度与湍动能(A)、速度功率谱密度(B)与瞬态流速(C)
Fig.12 Fluctuating velocity, mean turbulent kinetic energy (A), velocity power spectral density (B), and instantaneous flow velocity (C) in near wake region
图13 远尾流区脉动速度与湍动能(A)、速度功率谱密度(B)与瞬态流速(C)
Fig.13 Fluctuating velocity, mean turbulent kinetic energy (A), velocity power spectral density (B), and instantaneous flow velocity (C) in far wake region
图15 不同柔韧性的植物在不同流向位置处的风廓线,以及刚性孔隙植物模型与柔性植物模型对风廓线计算的差异
Fig.15 Wind profiles at different streamwise locations, and the differences in wind profile between rigid porous plant models and flexible plant models
图16 不同时刻下的柔性植物附近瞬态地表剪切应力分布注:白色的虚线为植物所在的区域,红色虚线为数据监测的位置
Fig.16 The transient distribution of wall shear stress near flexible plants, the white dashed line represents the area occupied by the plants
图17 不同工况对应的平均地表剪切应力沿流向距离变化曲线(A),以及不同时刻下中轴线位置处瞬态地表剪切应力沿流向距离变化曲线(B)
Fig.17 Variation of average wall shear stress along the flow direction (A), and variation curves of transient wall shear stress along the flow direction (B)
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