摘 要

近年来，随着全球气候变化频繁，我国台风极端灾害性天气发生频率和风力强度日益加剧，对人们的自然生活和生产带来了毁灭性的打击。其中，由于我国海南、广东、广西、福建等沿海城市独特的热带地理位置，遭受台风的侵袭尤为频繁，东南沿海区域又是我国重要的橡胶种植区域，橡胶作为我国重要的经济作物和战略储备物资，在军工、航空、交通甚至民用必需品中都具有举足轻重的地位。台风的侵害势必会对当地的橡胶林带来巨大的灾害，造成数以亿计的损失。为了减少台风灾害造成的不可逆损失，本课题将研究在强风力荷载下橡胶的不确定性损伤，此外，基于林木化真实生理量化指标的空气动力学框架的搭建也将为防风林带营造与风沙阻隔的荒漠化防治及立地群落风力阻遏下生态安全性评价提供理论支撑和现实指导意义。

本课题的主要研究内容与目标如下：

（1）基于地面与机载激光点云及视觉计算的橡胶林风害相关的生理特征参数的反演。

（2）基于空气动力学的台风风场模型的构建及与林木交互力学行为的分析。

本文将利用数值模拟技术对三维树木树冠周围以及树冠内的流场分布展开研究，主要的研究工作如下：

（1）首先通过AutoCAD建模软件建立一个具有枝干、叶子的三维微观单株树冠模型。

（2）用CFD技术手段计算出并模拟出三维微观单株树冠模型的流场，分析不同树冠结构周围区域的流场分布。

关键词：空气动力学；风力载荷；微观模型；数值模拟

Based on tree modeling and aerodynamics of typhoon load under rubber Numerical Simulation

ABSTRACT

In recent years, with the global climate change frequently, China's typhoon extreme disaster weather frequency and wind intensity is increasing, people's natural life and production has brought a devastating blow. Among them, due to China's Hainan, Guangdong, Guangxi, Fujian and other coastal cities unique tropical geography, the typhoon was particularly frequent invasion, the southeast coastal area is China's important rubber planting area, rubber as China's important economic crops and strategic reserves , In the military, aviation, transportation and even civilian necessities have a pivotal position. Typhoon damage is bound to bring a huge disaster to the local rubber forest, causing hundreds of millions of losses. In order to reduce the irreversible loss caused by typhoon disaster, this paper will study the damage damage of rubber under strong wind load. In addition, the aerodynamic framework based on the real physiological quantitative index of forest forest will also create a windbreak zone Of the desertification control and site community under the wind resistance to the evaluation of ecological security to provide theoretical support and practical guidance significance.

The main research contents and objectives of this subject are as follows:

(1) Inversion of physiological characteristics related to wind damage of rubber forest based on ground and airborne laser point cloud and visual calculation.

(2) Construction of typhoon wind field model based on aerodynamics and analysis of interaction mechanics of trees.

In this paper, the numerical simulation technique is used to study the distribution of flow field around the canopy and the canopy. The main research work is as follows:

(1) First, a three-dimensional micro-tree crown model with branches and leaves was established by AutoCAD modeling software.

(2) CFD technique was used to calculate and simulate the flow field of the three-dimensional micro-tree crown model, and the flow field distribution in the surrounding area of ​​different canopy structures was analyzed.

Key words：Aerodynamics; wind load; micro model; numerical simulation

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第1章 绪论 - 1 -

1.1 课题的研究背景及意义 - 1 -

1.2 国内外研究现状 - 2 -

1.3 本课题研究的主要内容 - 3 -

第2章 创建三维微观树冠模型 - 4 -

2.1 创建模型 - 4 -

2.2 模型计算 - 5 -

2.3 本章小结 - 9 -

第3章 CFD模拟方法 - 10 -

3.1 引言 - 10 -

3.2 CFD基本控制方程 - 10 -

3.3 湍流流动及数学模型 - 13 -

3.4 主要使用的软件 - 14 -

3.5 本章小结 - 15 -

第4章 微观模型的数值模拟 - 17 -

4.1 模型计算 - 17 -

4.2 不同风速下树冠周围速度场分布 - 20 -

4.3 不同叶面积密度下树冠周围速度场分布 - 23 -

4.4 不同叶面积密度下树冠周围湍流动能 - 26 -

4.5 本章小结 - 27 -

第5章 结论与展望 - 28 -

5.1 研究结论 - 28 -

5.2 前景展望与意见 - 28 -

致 谢 - 30 -

参考文献 - 31 -

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

近年来，随着全球气候变化频繁，我国台风极端灾害性天气发生频率和风力强度日益加剧，橡胶作为我国重要的经济作物和战略储备物资，在军工、航空、交通甚至民用必需品中都具有举足轻重的地位。我国的国有植胶区主要分布于福建、广西、广东、海南等东南沿海地区^[1]。由于植胶区大部分地处沿海区域，因此台风是沿海橡胶林的主要危害，台风的巨大水平力树身重量相互作用于橡胶林木，造成大径级个体严重受损，使得橡胶树风倒频繁发生，主要表现为干断、根折、连根拔起等，遭受风力胁迫的橡胶树产量下降，死皮增加，结构突变产生长期和不可逆的影响。

据统计，登陆中国沿海地区的台风每年平均有7个，最多年份可达12个，登陆时间多在7-9月，正是橡胶林割胶采胶的农忙时期，因此对橡胶产业造成了巨大的经济损失。其中，2005年第18号台风“达维”造成海南垦区受风害3级以上的已开割橡胶树达3372万株，受害率51.0% ^{[2, 3]}。2011年台风“纳沙”对海南农垦未开割橡胶损失达18.2万株，开割树损失达354.5万株 ^[4]。2014台风“威马逊”重创琼粤桂，摧毁大片橡胶林，雷州半岛、海南文昌的橡胶林开割树受灾率100%、断倒率76.12%，完全恢复需要8-10年 ^[5]。因此，橡胶林的在风害情况下的安全隐患日益明显，已引起人们的广泛关注。如何在强风力载荷条件下建立橡胶林分的损伤评价体系与安全评估策略的是亟待解决的难点。

橡胶林在强风力下的损伤成因与安全性评估涉及到空气动力学，流体力学、林学、机器视觉、计算机应用技术等多学科，其中所包含的气固流场耦合、非线性方程求解、真实林木三维机制重建、精细林分生理参数反演等诸多科学问题。空气动力学是计算流体力学的一个分支，最初是用来研究飞行器和其他物体在与气体作相对运动情况时的气体的流动规律、受力特性和运动过程中发生的一系列物理化学变化。对于较规则的物体在强气流载荷下的流固耦合问题，通常建立模型，划分网格，然后构造非线性方程组进行求解。