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林带断面形状及布置形式对防护林带防风效应影响的大涡模拟

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应用生态学报 2024年

作者：陈忠灿王京学杨长乐杨骁高广磊张学森北京林业大学水土保持学院中国广核新能源控股有限公司

探究不同结构特征的防护林带的风速流场及空气动力学特征，对合理配置防护林带、减轻风沙灾害具有重要意义。本研究将树冠假设为多孔介质，以总高度（H）为7 m、冠层高度为5.8 m、冠层底部宽度为2 m的日本“築地松”林带为例，考虑5种... 详细信息

探究不同结构特征的防护林带的风速流场及空气动力学特征，对合理配置防护林带、减轻风沙灾害具有重要意义。本研究将树冠假设为多孔介质，以总高度（H）为7 m、冠层高度为5.8 m、冠层底部宽度为2 m的日本“築地松”林带为例，考虑5种林带断面形状（矩形、迎风直角三角形、背风直角三角形、等腰三角形和抛物线型）和4种布置形式（单条林带、L型林网、U型林网和矩形林网），采用大涡模拟（LES）湍流模型进行计算流体力学（CFD）数值模拟，揭示不同结构特征的防护林带的平均风速流场及湍流结构，研究林带断面形状和布置形式对防护林带防护距离及防护面积等防风效应指标的影响。结果表明：数值模拟与野外实测得到的不同高度处的平均风速和湍动能的平均相对误差较小，分别为5.5%和12%，多孔介质冠层模型可成功再现林带背风区的平均风速和湍动能。矩形断面林带冠层体积最大，对气流的阻碍作用最显著，在靠近林带附近的背风区中上部（z≥0.5H，z表示高度）区域，平均风速和湍动能显著降低，防护范围最大；抛物线型断面林带的防护范围其次；断面形状呈迎风直角、背风直角和等腰三角形的林带再次。在林带下游水平距离（x）≥10H的区域，不同断面形状林带的平均风速和湍动能趋于相同。对比单条林带、L型、U型和矩形林网的流场结构特征发现，与来流风速垂直方向的林带越多，林带冠层后的风速衰减越明显，气流需要更长的距离方可恢复至来流风速，而与来流风速方向平行的防护林带的防风效应极为有限，因而，U型和矩形林网比单条林带和L型林网的防风效应更显著。研究结果可为防护林带的结构配置与优化布局提供参考。

关键词：防护林林带断面形状布置形式计算流体力学大涡模拟防风效应

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乌兰布和荒漠绿洲风沙特性及防护林防护效应

中国水土保持科学 2024年第3期22卷 136-145页

作者：蔡俊顺王京学肖辉杰辛智鸣王百田李俊然北京林业大学水土保持学院北京100083 内蒙古磴口荒漠生态生态系统国家定位观测研究站内蒙古磴口015200 香港大学地理系中国香港999077

农田防护林在保持水土及土壤风蚀防控方面发挥着重要作用。为了探究真实大气环境下绿洲防护林体系的防风阻沙效益,以乌兰布和荒漠绿洲防护林为研究对象,利用位于荒漠绿洲过渡带和绿洲的近地面沙尘观测塔监测的2019—2020年不同高度处的... 详细信息

农田防护林在保持水土及土壤风蚀防控方面发挥着重要作用。为了探究真实大气环境下绿洲防护林体系的防风阻沙效益,以乌兰布和荒漠绿洲防护林为研究对象,利用位于荒漠绿洲过渡带和绿洲的近地面沙尘观测塔监测的2019—2020年不同高度处的风速、风向和沙尘数据,分析荒漠绿洲过渡带和绿洲的风沙分布统计特性。结果表明:荒漠绿洲过渡带和绿洲主导风向为东北和西南方向,2区域内平均风速均随观测高度增加逐渐增大;从荒漠绿洲过渡带至绿洲,受防护林体系的影响,平均风速整体减弱,≥4~8 m/s的中风速和≥8 m/s的高风速样本比例平均减少约8.8%和7.8%;荒漠绿洲过渡带和绿洲月最大平均风速多出现在夏秋2季以及春季末,且月最大平均风速与平均风速均值呈线性关系;2区域沙通量随着高度的增加逐渐减少,受防护林带影响同观测高度水平沙通量和垂直沙通量分别减少65%和36%;输沙方向整体朝东和东南偏东方向,该方向在绿洲受观测高度影响较小,在荒漠绿洲过渡带不同高度输沙方向会产生差异,输沙势从荒漠绿洲过渡带至绿洲总体降低。防护林体系对区域范围内的风沙活动影响明显,能够减轻风蚀所带来的水土流失,对绿洲可持续发展具有重要价值。

关键词：防护林风沙运动统计特性防风阻沙乌兰布和荒漠绿洲

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偏心对全金属装配式基础抗拔性能影响研究

地下空间与工程学报 2022年第S1期18卷 209-215,225页

作者：金子皓王京学冀晓东张晓吴春冰北京林业大学水土保持学院北京100083

为探究偏心对全金属装配式基础承载性能的影响,利用AnsysWorkbench建立双轴对称(A类,偏心距e_(x)=e_(y)=0)、单轴偏心(B类,偏心距e_(x)=0,e_(y)=0.1~0.6 m)及双轴偏心(C类,偏心距e_(x)=e_(y)=0.1~0.6 m)三类全金属装配式基础与土体模型... 详细信息

为探究偏心对全金属装配式基础承载性能的影响,利用AnsysWorkbench建立双轴对称(A类,偏心距e_(x)=e_(y)=0)、单轴偏心(B类,偏心距e_(x)=0,e_(y)=0.1~0.6 m)及双轴偏心(C类,偏心距e_(x)=e_(y)=0.1~0.6 m)三类全金属装配式基础与土体模型,以上拔水平力组合荷载为试验工况对基础进行分析,研究基础的位移特性、整体应力及底板变形情况。研究表明,偏心距为0.3 m的单轴偏心基础竖向位移最小为8.83 mm;B、C两类偏心基础屈服时的荷载随偏心距增大呈先增后减的变化,偏心距为0.3 m的单轴偏心基础屈服时荷载最大约为990 kN;基础底板的极差值随偏心距呈先减后增的变化,偏心距为0.3 m的单轴偏心基础底板变形极差值约为1.8 mm。综合比较三类基础发现,单轴偏心基础在组合荷载作用下承载性能较好,其中偏心距为0.3 m的单轴偏心基础是最适宜的全金属装配式基础偏心结构型式。

关键词：数值模拟全金属装配式基础上拔-水平力组合荷载偏心承载性能

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乌兰布和荒漠绿洲风沙特性及防护林防护效应

中国水土保持科学(中英文) 2023年

作者：蔡俊顺王京学肖辉杰辛智鸣王百田李俊然北京林业大学水土保持学院内蒙古磴口荒漠生态生态系统国家定位观测研究站香港大学地理系

农田防护林在保持水土及土壤风蚀防控方面发挥着重要作用。为了探究真实大气环境下绿洲防护林体系的防风阻沙效益，以乌兰布和荒漠绿洲防护林为研究对象，利用位于荒漠绿洲过渡带和绿洲的近地面沙尘观测塔监测的2019—2020年不同高度处... 详细信息

农田防护林在保持水土及土壤风蚀防控方面发挥着重要作用。为了探究真实大气环境下绿洲防护林体系的防风阻沙效益，以乌兰布和荒漠绿洲防护林为研究对象，利用位于荒漠绿洲过渡带和绿洲的近地面沙尘观测塔监测的2019—2020年不同高度处的风速、风向和沙尘数据，分析荒漠绿洲过渡带和绿洲的风沙分布统计特性。结果表明，荒漠绿洲过渡带和绿洲主导风向为东北和西南方向，2区域内平均风速均随高度增加逐渐增大；从荒漠绿洲过渡带至绿洲，受防护林体系的影响，平均风速整体减弱，4～8 m/s的中风速和大于等于8 m/s的高风速样本比例平均减少约8.8%和7.8%；荒漠绿洲过渡带和绿洲月最大平均风速多出现在夏秋2季以及春季末，且月最大平均风速与平均风速均值呈线性关系；2区域沙通量随着高度的增加逐渐减少，受防护林带影响同高度水平沙通量和垂直沙通量分别减少65%和36%；输沙方向整体朝东和东南偏东方向，该方向在绿洲受高度影响较小，在荒漠绿洲过渡带不同高度输沙方向会产生差异，输沙势从荒漠绿洲过渡带至绿洲总体降低。防护林体系对区域范围内的风沙活动影响明显，能够减轻风蚀所带来的水土流失，对维持绿洲可持续发展具有重要价值。

关键词：防护林风沙运动统计特性防风阻沙乌兰布和荒漠绿洲

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不同林带结构的刺槐林防风效应

北京林业大学学报 2022年第8期44卷 39-47页

作者：金子皓王京学任一凡张晓冀晓东北京林业大学水土保持学院北京100083

【目的】刺槐是我国造林常用树种,在黄河入海口地带广泛种植,但该地区易遭受大风侵袭,刺槐由于根系浅容易发生风倒,因此通过合理的林带布置降低林内最大风速,避免林木倒伏,提升刺槐林的防风效应刻不容缓。【方法】该研究以沿海刺槐防护... 详细信息

【目的】刺槐是我国造林常用树种,在黄河入海口地带广泛种植,但该地区易遭受大风侵袭,刺槐由于根系浅容易发生风倒,因此通过合理的林带布置降低林内最大风速,避免林木倒伏,提升刺槐林的防风效应刻不容缓。【方法】该研究以沿海刺槐防护林为研究对象,基于双向流固耦合技术利用Ansys Workbench平台建立风场与刺槐的计算模型,探讨不同林带结构刺槐林的防风效应。【结果】(1)建立刺槐流固耦合仿真模型,经现场实测数据验证,模型水平归一化风速误差为13%,垂直归一化风速误差为6%,枝干风振位移相对稳定时误差为7 mm,模型具有较高的仿真精度。(2)模拟试验表明首行刺槐对风速减弱的效果明显,在固定行间距5 m的工况下每增加1行刺槐,风速对比前1行刺槐依次降低0.12v 0、0.07v 0、0.03v 0和0.01v 0(v 0为林前初始风速)。(3)相邻的两行刺槐随着行间距的增加,整体防风效果逐渐降低,风经过行间距分别为0.4H、0.5H、0.7H、1.0H和1.5H两行刺槐(H为刺槐树高),第2行风速分别比第1行减小0.15v 0、0.12v 0、0.07v 0、0.04v 0和0.01v 0。(4)交错排列的刺槐林防风效果优于方形排列,并且交错排列刺槐分枝的风振振幅更小。【结论】不同的林带结构对刺槐林的防风效应会产生较大的影响,通过数值模拟技术对不同林带结构的防风效应进行评估是一种有效的研究手段,研究结果能够为该地区后续合理造林提供科学支持。

关键词：林带结构刺槐防护林防风效应脉动风场双向流固耦合

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防护林防风效应风洞模拟试验研究进展

中国农业大学学报 2023年第12期28卷 162-176页

作者：王京学王秀龙冀晓东李丹煜赵国烨孙禹枫北京林业大学水土保持学院北京100083 国家电网有限公司北京100031 中国电力科学研究院有限公司北京100192

林木几何形态特征复杂,且较为轻柔,在风荷载作用下会发生变形和振动,空气动力学效应复杂。针对如何通过风洞试验尽可能真实地模拟防护林在实际风场中的防风效应问题,通过梳理已有国内外相关文献,从模型设计、来流模拟和测试技术3个方面... 详细信息

林木几何形态特征复杂,且较为轻柔,在风荷载作用下会发生变形和振动,空气动力学效应复杂。针对如何通过风洞试验尽可能真实地模拟防护林在实际风场中的防风效应问题,通过梳理已有国内外相关文献,从模型设计、来流模拟和测试技术3个方面对灌木和乔木防护林防风效应风洞模拟试验的研究进展进行综述。结果表明:防护林风洞试验模型几何缩尺比的确定要综合考虑林木和风洞截面的尺寸,阻塞比一般应控制在5%以下;考虑到林木在风荷载作用下产生的变形和振动会进一步影响周围流场,模型设计时除了要考虑几何相似,还要加强对动力相似的考虑;在防护林风洞试验来流模拟及周围风速测定中,在平均风速的基础上,应加强对脉动风速统计特性的考虑;当采用天平测定林木气动力系数时,应结合林木风洞模型自身频率确定采样频率,避免2个频率过于接近造成结果失真。

关键词：防护林风洞试验相似条件模型设计来流模拟测试技术

矿区风场CFD数值模拟研究——以中国内蒙古乌海市新星煤矿为例

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Journal of Resources and Ecology 2023年第4期14卷 706-716页

作者：齐浩然王京学赵廷宁胡平李峰王景华张艳闫磊北京林业大学水土保持学院北京100083 云南建设基础设施投资股份有限公司昆明650217 乌海市新星煤炭有限责任公司内蒙古乌海016000 北京林业大学工学院北京100083

在中国西北干旱区,大量煤矿开采导致植被退化,强风发生概率增大。风场特征直接影响着沙尘的输运过程。为获取矿区风场特征,本文以内蒙古乌海新星煤矿为例,采用RANS湍流模型,利用开源软件OpenFOAM进行了CFD数值模拟。基于矿区多个观测点... 详细信息

在中国西北干旱区,大量煤矿开采导致植被退化,强风发生概率增大。风场特征直接影响着沙尘的输运过程。为获取矿区风场特征,本文以内蒙古乌海新星煤矿为例,采用RANS湍流模型,利用开源软件OpenFOAM进行了CFD数值模拟。基于矿区多个观测点的风场实测结果,对数值模拟结果进行了验证,并讨论了西风、西北风和东风三个风向下矿区平均风速和湍动能的分布规律。结果表明:矿区东西两侧凸起的高山或丘陵对矿区平均风速分布影响较大;当风从西或东方向来袭时,由于尾流效应的影响,高地下游平均风速相对较小;而湍流动能则表现出较大的数值。对于西北风向,山或丘陵的尾流效应不太明显;同样,在低洼矿坑附近,平均风速减小,湍流动能增大。本研究可为矿区风沙防治及风沙建设提供理论依据。

关键词： CFD数值模拟 RANS湍流模型平均风速湍动能矿区

基于2013年马甸桥北气象塔实测数据的北京城区地貌风速谱分析

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工程力学 2020年第2期37卷 250-256页

作者：王京学杨庆山孙霖李波刘敏北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 结构风工程与城市风环境北京市重点实验室北京100044 重庆大学土木工程学院重庆400044

基于实测的风场特性研究是结构抗风中的基础性工作之一。脉动风速谱作为风场特性的主要参数之一,描述了风的能量在频率上的分布情况。Van der Hoven最先测得的包括宏观气象尺度峰值和微观气象尺度峰值的风速谱在风工程领域具有奠基性贡... 详细信息

基于实测的风场特性研究是结构抗风中的基础性工作之一。脉动风速谱作为风场特性的主要参数之一,描述了风的能量在频率上的分布情况。Van der Hoven最先测得的包括宏观气象尺度峰值和微观气象尺度峰值的风速谱在风工程领域具有奠基性贡献。由于早期采集设备精确性不高、计算分析水平不足,以及近年来城市化进程加快,城市地貌下全频率范围的风速谱有待进一步考查。该文采用2013年北京气象塔47 m、80 m和140 m高度处超声风速仪测得的风速数据,计算分析了反映宏观和微观气象尺度变化的全频率风速谱,并和Van der Hoven风速谱以及其他学者的实测谱进行了对比。结果表明:反映宏观气象尺度变化的低频风速谱除了在周期约为4天处存在峰值外,在周期约为1天(24小时)处的峰值非常明显,而在12小时周期处的峰值相对微弱;与宏观气象尺度峰值相比,高频微观气象尺度峰值较为微弱,且随高度增加,宏观气象尺度峰值逐渐增加,而微观气象尺度峰值相差不多。考虑到结构抗风设计时关注的是强风条件下的高频段风速谱,该文挑选平均风速大于8 m/s的风速样本,对其微观气象尺度风速谱进行了讨论,并和经典风速谱进行了对比,发现不同高度处的实测高频风速谱曲线相互吻合,且实测谱与Kaimal谱接近。

关键词：风场观测脉动风速谱宏观气象尺度峰值微观气象尺度峰值 Van der Hoven风速谱

平屋盖及双坡屋盖光伏系统风荷载特性试验研究

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建筑结构学报 2018年第10期39卷 21-28页

作者：王京学杨庆山刘敏张建北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学结构风工程与城市风环境北京市重点实验室北京100044 重庆大学土木工程学院重庆400044

屋顶光伏系统在强风或极端风气候中破坏的现象时有发生,其风荷载是主要控制荷载之一。为研究平屋盖及双坡屋盖光伏系统的风荷载特性,通过刚性模型测压试验,分析这两种典型屋盖光伏板上、下表面风压及净风压的风压特性,给出全风向角下最... 详细信息

屋顶光伏系统在强风或极端风气候中破坏的现象时有发生,其风荷载是主要控制荷载之一。为研究平屋盖及双坡屋盖光伏系统的风荷载特性,通过刚性模型测压试验,分析这两种典型屋盖光伏板上、下表面风压及净风压的风压特性,给出全风向角下最不利极值吸力随附属面积的衰减曲线,并与美国加州结构工程协会（SEAOC）制定的平屋盖光伏设计规范以及已有文献建议的光伏板净风压随面积的折减曲线进行了对比。结果表明：平屋盖上光伏板的最不利净风压极值吸力大于双坡屋盖,随附属面积增加而衰减加快;平屋盖上光伏板的净风压与SEAOC规范给出的净风压设计值较为接近;当附属面积较大时,已有研究建议的光伏板设计风荷载取值偏于保守。

关键词：平屋盖双坡屋盖光伏系统风洞试验风荷载净风压极值风压