灌木沙障对气流场的影响与结构参数优化

Shrub windbreaks are effective in controlling wind erosion and aeolian hazard, due to shrub’s flexibility and long-time efficiency in wind velocity reduction. Previous abundant researches studied airflow field around a certain shrub only based on field measurement, wind-tunnel experiment or numerical simulation. However, previous research did not consider effect of shrub flexibility on airflow field and lacked cross-validation of multiple methods. Therefore, On the basis of field survey and wind-tunnel measurements, this project mainly using numerical simulation study the effect of shrub flexibility on airflow field and optimizing structural parameters for shrub windbreaks. According to morphological characteristics of field shrub branches and stems, 3D windbreak models and computational domains are constructed. Numerical simulation is validated against wind-tunnel measurement to ensure its accuracy. First, comparing different shrub branches’ disturbance on airflow field around to clarify the effect of shrub flexibility and its morphological characteristics on airflow field. Second, illustrating the relationship between shelter effect and structural parameters to determine the optimized structural parameters (plant spacing, row number, row spacing, belt number and belt spacing) for shrub windbreaks and the optimized layout for high and low shrubs coexisting windbreaks. This project hopes to provide theoretical basis for designing shrub windbreaks in aeolian engineering.

由于灌木的柔韧性和防风功能的长效性，灌木沙障在控制土壤风蚀、阻止风沙危害方面有显著优势。通过野外观测、风洞实验或者数值模拟单一研究方法，针对特定灌木周围风流场的研究报道较多。但是，前人研究没有考虑灌木柔韧性对周围气流场的影响，也缺乏多种方法的相互验证。据此，本项目以野外调查观测和风洞实验为依据，以数值模拟计算为主，研究柔性灌木沙障对气流场的影响及其结构参数优化。基于野外调查测得的灌木植株形态和枝干特征，设计三维灌木沙障的几何模型和模拟域。通过对比典型状态下风洞实测的气流场结果，在确保数值模拟精度的前提下，首先通过比较不同灌木植株对周围气流的扰动，阐明植株柔韧性及其形态特征对周围气流场的影响；其次阐明沙障各结构参数与沙障防风效益的关系，确定最佳结构参数（株距、行数、行间距、带数、带间距等）以及高矮灌木的最佳组合配置。本项目研究以期为灌木沙障的设计提供理论基础。

由于灌木的柔韧性和防风功能的长效性，灌木沙障在控制土壤风蚀、阻止风沙危害方面有显著优势。但是，前人针对灌木沙障的研究，没有考虑灌木植株柔韧性对周围气流场的影响，而且缺乏对灌木沙障结构参数的系统优化。据此，本项目以干旱区常见的灌木作为研究对象，利用复杂网格生成技术首次构建了几何形态更加真实的植物几何模型；利用OpenFOAM软件，基于流体和固体运动的控制方程，建立了气流-柔性植株流固耦合模型框架；采用RANS模拟气流场，利用LES大涡模拟求解植株周围湍流场。研究取得的重要结果如下：（1）创新性地提出了三个新的防风效能评价指标：多重沙障有效指数（mBEI）、多重削弱因子（mRc）和下风向风速百分比（DSP），分别评价沙障防护距离、风速削弱程度和防沙效益。（2）首次系统优化了灌木沙障的结构参数和配置。植物沙障的最佳行间距为植物高度的1-3倍，最佳行数为3行；三行植物沙障优于双行植物沙障；低风速下，双行沙障即可满足防护需求；中风速下，两行一带行带式系统最佳；高风速下，三行一带行带式系统最佳。植物沙障的最佳排列方式是错开排列；共生沙障防护效果优于非共生沙障。（3）首次系统优化了灌木组合沙障、机械-灌木组合沙障的的配置方案。机械-植物组合沙障的防风效益要优于纯机械沙障和纯野生植物沙障；人工种植的植物沙障防风效益要优于组合沙障。（4）基于杨氏模量，首次对典型沙生灌木柔韧性进行了定量的数值模拟研究，发现在一定的范围内，植株的柔韧性越强，其防风效果越好。（5）系统地研究了植物柔韧性对其摆动幅度的影响，发现最大摆动幅度与杨氏模量之间存在负指数函数关系。基于此，建立了植物枝条的杨氏模量与不同径级简化模型的杨氏模量之间的函数模型，即柔性模型。（6）定量对比分析了不同柔韧性沙生灌木的摆动特征和防护效果。上述研究结果可以为我国干旱、半干旱地区防沙工程中灌木防护林种植与设计提供直接的理论参考。