树叶气动特性研究

树叶气动特性研究在森林风灾、流固耦合、仿生流体力学等方面具有重要意义。国外1980年代末期以来，对脱离开树枝的单片树叶，在顺流放置下的阻力进行了测量，并发现某类树叶具有形状重构以减阻减振的能力。当树叶与树枝相连， 在不同风向角下吹风(接近自然生长条件)时情况会怎样，有没有这种形状重构的能力，目前尚未回答。本项申请旨在通过系统的风洞实验回答上述问题，并利用摄像、流动显示、热线和PIV测量、瞬时气动力测量等等手段，研究树叶形状，树叶与叶柄尺寸、树枝尺寸，以及风速与风向角等因素对树叶变形、振动和气动特性的影响。研究树叶不同的变形与振动形式，及其发生突变的临界风速。在以上研究基础上，进一步开展人造树叶变形与振动实验与数值模拟研究，为树叶重要气动特性的人工模拟研究打下基础。

本项目主要研究了悬铃木、鹅掌楸、玉兰和杨树等四种树叶的气动特性。前两种树叶具有裂片，后两种叶片边缘圆滑，则没有裂片。鹅掌楸和杨树的叶柄较长，悬铃木叶柄中等，而玉兰叶柄很短。杨树叶叶柄横截面为长方形，宽度是厚度的2倍左右，其他树叶叶柄横截面近乎圆形或椭圆形。这些树叶叶片形状各异，每种树叶叶片与叶柄在尺寸方面变化也较大，而且是随机变化，这对研究树叶的气动特性带来困难。对每种树叶在风洞中进行测试，采用摄像方法得到树叶在风中的形态变化，研究树叶的变形、振动状态及其转换的临界雷诺数；通过烟线方法对树叶尾流进行流动显示，研究尾流宽度变化以及旋涡脱落情况；通过PIV测量显示尾流横向流动，以研究叶片前缘涡的情况；通过热线风速仪测量叶片尾流的速度脉动情况，研究树叶振动与静止时尾流的差别；通过图像相关位移测量，研究树叶振幅与振频情况；.通过风洞六分力天平测量，研究树叶的气动力与力矩随风速的变化等等。.所测风速范围内（0-20m/s），悬铃木与鹅掌楸两种有裂片的树叶，具有5种不同的状态，这些状态按风速由小变大依次出现：.（1）由静止悬挂突然发生低频大幅摆动。.（2）叶片摆动停止，叶柄向后弯曲，叶片由垂挂位置向后倾斜，朝水平位置转变；同时叶片左右两侧向上翻卷，形成飞翼状静止状态。.（3）静止状态被打破，叶片出现激烈振动。.（4）振动停止，叶片卷成堆形（或喇叭形）并处于水平位置，形成细长流线体。.（5）叶片再次振动。这5种状态开始出现时的最初风速分别称为第一到第五临界风速，相应的雷诺数（叶片长度取为特征长度）分别称为第一到第五雷诺数。不同种树叶的临界雷诺数各不相同。即使同种树叶，叶片正面迎风和反面迎风的临界雷诺数也有一定差别。.玉兰树叶有飞翼状静止、振动和堆状静止三种状态。杨树叶则仅出现摆动或振动，以及堆形静止两种状态。.以上这些树叶的气动状态及其相应临界风速是首次发现。.当树叶处于飞翼状时，叶片背面出现左右两个反向旋转的前缘涡，延伸到尾流中。当树叶卷成堆状时，在堆状表面出现绕堆体轴线的螺旋流动，并延伸到尾流中。.几十片树叶的测试结果是，悬铃木与鹅掌楸叶片的时均阻力系数随着雷诺数的增大而减少；且当雷诺数大于一定值后，无论是正面迎风还是反面迎风，阻力系数都趋近于0.1。