树冠对大气微细颗粒物（PM2.5）的捕集机理及其与风速相互作用关系

For the important problem of tree canopy collection fine particle and its interaction with wind velocity.this science problem will be researched by experimaent and simulation. The following research content will be conducted for researching mechanism of tree canopy collection fine particle and its interaction with wind velocity: 1) To study the physical mechanism of tree canopy interaction with fine particles and the law of fine particles distribution, concentration diffusion, deposition in surface of tree canopy will be quantitative description; 2)Basing on the micro leve to predicte micro-structure of Tree canopyand plants,Fractal properties of tree canopy and plants, and other correlation parameters and fine particles deposition evolution and fine particles captured process and tree canopy interaction with wind velocity; 3) To study the model of wind and fine particles migration and particles mass transport processes. The way and manner of fine particle migration and fine particulate matter concentration distribution in the neighborhood buildings and vegetation canopy and plants will be studied basing on numerical simulation; 4) To study wind resistant model of tree canopy and the law which exists between the fine particles collection and all paremeter of plants basing on fractal dynamic theory, mathematical model of quantify control fine particles will be given to provide a theoretical basis and foundation for design of urban green space system and prevent dust.

本项目研究树冠对微细颗粒物（PM2.5）捕集机理及其与风速相互作用关系这一重要课题，采用实验与数值模拟相结合手段，研究植物绿化对大气微细颗粒物进行降解和捕集的科学问题,拟开展以下方面的研究工作：1）研究树冠对微细颗粒物捕集的微观物理机理，并定量描述微细颗粒在植被中的分布、浓度扩散、输运与表面沉积现象和规律；2）研究树冠和植被冠层的复杂微观结构及其分形特性表征方法，在微观层面对微细颗粒物在植物表面沉积演化和沉积量与风速的相互作用关系进行量化预测；3）研究微细颗粒在树冠中迁移及质量输运过程规律和风阻数学模型，研究微细颗粒物在街区建筑和植被冠层中浓度分布的数值模拟模拟方法及途径；4）研究植物的种类、分形特征及绿化率与捕集微细颗粒物的关联关系，构建量化控制微细颗粒物和植被冠层的风阻数学模型，为城市绿化系统科学设计和防沙护林提供理论基础和依据。

本课题采用计算机虚拟植物建模及模拟技术与理论和实验相结合方法，对植物冠层捕集微细颗粒物PM2.5捕集机理及风阻进行了模拟和实验研究。完成了微观尺度及宏观尺度的虚拟植物建模可视化程序的编制。开发了十几种虚拟植物模型构建程序，该程序可生成三维的虚拟植物冠层模型，首次创建微观虚拟植物模拟研究空气流动及颗粒物沉积的新研究途径。通过多种植物树叶的测试及微观尺度虚拟植物结构参数的模拟计算和分析，提出了树冠结构参数间的相关关系。开发了树冠动量,k-ε源项计算的UDF程序，为CFD模拟空气在植物内部的流场提供了条件。通过模拟及实验研究获得了植物冠层扩散及惯性碰撞捕集机理的计算显性表达式，同时提出了植物冠层微细颗粒物沉积速度计算数学模型，采用UDF编程及UDS自定义方程求解方法，实现了欧拉方法对植物冠层捕集效率的模拟,模拟结果与文献基本吻合。 . 本课题通过多种植物树叶在风洞进行捕集效率实验测试及虚拟植物的颗粒捕集效率模拟，得出了捕集效率与叶面积指数及风速的关系，并通过对一维树冠模型进行求解分析及对比，提出了植物冠层干沉积速度计算的解析表达式。通过拉格朗日模拟对微观虚拟植物浓度扩散方程求解,提出树冠捕集效率与其主要影响因素的关系,通过3D虚拟植物模拟得出捕集效率模型,此模型改进了二维树冠模型的解析表达式。基于纤维捕集理论提出了冠层层捕集效率模型，提出捕集效率与风速，叶面积指数、颗粒直径及树冠层高度的关系式。此冠层层捕集效率模型为显性计算公式，为冠层捕集颗粒及干沉积计算提供了科学和理论依据。通过微观虚拟植物建模及格子-玻尔兹曼无网格模拟方法，首次实现了几乎接近真实流场的模拟结果，探讨了植物冠层内部风速分布特性，并提出了风阻模型，对多种树叶和人工植物在风洞下进行了阻力测试，植物冠层气流流动的风阻计算模型预测结果与文献及实验测试结果基本一致。