树木流场的LBM数值模拟

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1、学校代号10532学号S150100123分类号S731.9密级公开硕士学位论文树木流场的LBM数值模拟学位申请人姓名蔡笑影培养单位土木工程学院导师姓名及职称李正农教授学科专业结构工程研究方向树木流场的CFD计算论文提交日期2018年5月22日学校代号：10532学号：S150100123密级：公开湖南大学硕士学位论文树木流场的LBM数值模拟国家自然科学基金资助（51678233）学位申请人姓名：蔡笑影导师姓名及职称：李正农教授培养单位：土木工程学院专业名称：结构工程论文提交日期：2018年5月22日论文答辩日期：2018年5月25日答辩委员会主席：汪梦甫

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

3、visorProfessorLiZhengnongMay,2018树木流场的LBM数值模拟摘要我国风灾频发，不管是沿海地区的台风，还是内陆地区的强风灾害，都对森林生态系统的稳定性造成很大影响，同时树木在强风作用下易发生折断倒伏，严重威胁了人们的财产以及生命安全。所以研究树木风场的意义重大。格子玻尔兹曼法（LatticeBoltzmannMethod,LBM）是基于计算流体力学的一类高效的数值仿真方法。本文运用该方法模拟树木简化模型的流场。首先，通过多松弛时间的LBM模拟了二维实心方柱绕流和多孔方柱绕流，描述了几种典型的雷诺数下模拟的结果，对其中典型的参数做

4、了详细的分析，并将其与其他文献研究的数据进行对比，证明了通过LBM仿真的可实现性以及编程的正确性。其次，通过多松弛时间格式的LBM对二维立面树木流场进行数值研究，树木被简化为表征元尺度下的多孔介质。为了研究高雷诺数下的流场，将大涡模拟结合LBM得到树木周围的流速和风压，并与前人的实测数据作对比，验证了LBM模拟树木流场是精准可靠的；然后在模型前设置格栅，以此制造扰动并模拟B类场地下的树木流场，着重阐述了B类地貌下，树木下游风速和湍流度的变化规律。LBM的高效并行算法、快速的求解速度、加之计算结果的可靠性等优势，使其有望成为一种高效的用于解决树木风场等实际问

5、题的数值模拟方法。最后，在以上研究的基础上，用相同的模拟方法，采用LBM编写C++程序对二维水平面的树木流场进行数值模拟研究，首先对单棵树木模拟的速度做数值验证，证明LBM程序的正确性和模型应用的合理性，并研究模型长宽比的变化对树木下游风速和流场风压的影响；其次模拟了多棵树木模型的流场，分析了不同种植模式对树木疏风挡风性能的影响。关键词：树木；流场；格子玻尔兹曼方法；方柱；多孔介质II硕士学位论文AbstractThedamagecausedbywinddisastersoccurredfrequently.whetheritistyphooninthec

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

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

8、multiplerelaxationtimes.Theresult