樹(shù)木流場(chǎng)的LBM數(shù)值模擬

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1、學(xué)校代號(hào)10532學(xué)號(hào)S150100123分類號(hào)S731.9密級(jí)公開(kāi)碩士學(xué)位論文樹(shù)木流場(chǎng)的LBM數(shù)值模擬學(xué)位申請(qǐng)人姓名蔡笑影培養(yǎng)單位土木工程學(xué)院導(dǎo)師姓名及職稱李正農(nóng)教授學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)工程研究方向樹(shù)木流場(chǎng)的CFD計(jì)算論文提交日期2018年5月22日學(xué)校代號(hào)：10532學(xué)號(hào)：S150100123密級(jí)：公開(kāi)湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文樹(shù)木流場(chǎng)的LBM數(shù)值模擬國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51678233）學(xué)位申請(qǐng)人姓名：蔡笑影導(dǎo)師姓名及職稱：李正農(nóng)教授培養(yǎng)單位：土木工程學(xué)院專業(yè)名稱：結(jié)構(gòu)工程論文提交日期：2018年5月22日論文答辯日期：2018年5月25日答辯委員會(huì)主席：汪夢(mèng)甫

2、教授ThenumericalsimulationofflowfieldsonthetreesbylatticeBoltzmannmethodbyCAIXiaoyingB.E.（HenanUniversityofScienceandTechnology）2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinStructuralEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySuper

3、visorProfessorLiZhengnongMay,2018樹(shù)木流場(chǎng)的LBM數(shù)值模擬摘要我國(guó)風(fēng)災(zāi)頻發(fā)，不管是沿海地區(qū)的臺(tái)風(fēng)，還是內(nèi)陸地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害，都對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大影響，同時(shí)樹(shù)木在強(qiáng)風(fēng)作用下易發(fā)生折斷倒伏，嚴(yán)重威脅了人們的財(cái)產(chǎn)以及生命安全。所以研究樹(shù)木風(fēng)場(chǎng)的意義重大。格子玻爾茲曼法（LatticeBoltzmannMethod,LBM）是基于計(jì)算流體力學(xué)的一類高效的數(shù)值仿真方法。本文運(yùn)用該方法模擬樹(shù)木簡(jiǎn)化模型的流場(chǎng)。首先，通過(guò)多松弛時(shí)間的LBM模擬了二維實(shí)心方柱繞流和多孔方柱繞流，描述了幾種典型的雷諾數(shù)下模擬的結(jié)果，對(duì)其中典型的參數(shù)做

4、了詳細(xì)的分析，并將其與其他文獻(xiàn)研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明了通過(guò)LBM仿真的可實(shí)現(xiàn)性以及編程的正確性。其次，通過(guò)多松弛時(shí)間格式的LBM對(duì)二維立面樹(shù)木流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值研究，樹(shù)木被簡(jiǎn)化為表征元尺度下的多孔介質(zhì)。為了研究高雷諾數(shù)下的流場(chǎng)，將大渦模擬結(jié)合LBM得到樹(shù)木周圍的流速和風(fēng)壓，并與前人的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比，驗(yàn)證了LBM模擬樹(shù)木流場(chǎng)是精準(zhǔn)可靠的；然后在模型前設(shè)置格柵，以此制造擾動(dòng)并模擬B類場(chǎng)地下的樹(shù)木流場(chǎng)，著重闡述了B類地貌下，樹(shù)木下游風(fēng)速和湍流度的變化規(guī)律。LBM的高效并行算法、快速的求解速度、加之計(jì)算結(jié)果的可靠性等優(yōu)勢(shì)，使其有望成為一種高效的用于解決樹(shù)木風(fēng)場(chǎng)等實(shí)際問(wèn)

5、題的數(shù)值模擬方法。最后，在以上研究的基礎(chǔ)上，用相同的模擬方法，采用LBM編寫(xiě)C++程序?qū)ΧS水平面的樹(shù)木流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，首先對(duì)單棵樹(shù)木模擬的速度做數(shù)值驗(yàn)證，證明LBM程序的正確性和模型應(yīng)用的合理性，并研究模型長(zhǎng)寬比的變化對(duì)樹(shù)木下游風(fēng)速和流場(chǎng)風(fēng)壓的影響；其次模擬了多棵樹(shù)木模型的流場(chǎng)，分析了不同種植模式對(duì)樹(shù)木疏風(fēng)擋風(fēng)性能的影響。關(guān)鍵詞：樹(shù)木；流場(chǎng)；格子玻爾茲曼方法；方柱；多孔介質(zhì)II碩士學(xué)位論文AbstractThedamagecausedbywinddisastersoccurredfrequently.whetheritistyphooninthec

6、oastalareaorthestrongwinddisastersininlandareas,allhasagreatimpactonthestabilityoftheforestecosystem.Meanwhile,thetreesarepronetobreakingandlodgingundertheactionofstrongwind,whichmakesthepedestrians'lifeandpropertysecurityseriouslythreatened.Therefore,itisimportanttostudythewindfi

7、eldoftrees.LatticeBoltzmannmethod(LBM)isanefficientnumericalsimulationmethodbasedoncomputationalfluiddynamics.Thismethodisusedtosimulatetheflowfieldofasimplifiedtreemodelinthispaper.Firstly,thetwo-dimensionalsolidsquarecolumnandtheporoussquarecylinderaresimulatedbyLBMintheformatof

8、multiplerelaxationtimes.Theresult