通过引入多孔介质参数来优化城市CFD（计算流体动力学）模拟，以更真实地模拟代表性街道树木的生长环境

《Ecological Modelling》：Enhancing urban CFD simulations with porous media parameters for representative street trees

城市街道树木气动阻力参数提取与验证研究提出基于计算流体动力学（CFD）的孔隙介质建模方法，通过数值风洞模拟推导六种常见树种在1-20m/s风速下的惯性与粘性阻力系数，并与全尺寸模型及实测数据对比验证，R2达0.9999，误差<5%。该方法显著降低计算成本，为城市通风、污染扩散及绿色基础设施规划提供量化参数。

　　

安俊贤 | 康俊硕

首尔国立大学土木与环境工程系，韩国首尔08826

摘要

本研究提出了一种基于计算流体动力学（CFD）的方法，用于提取和验证城市环境中常见的六种主要街道树木的流动阻力值。为了在保持空气动力学准确性的同时简化建模过程，复杂的树木几何形状在数值风洞模拟中被多孔介质区域所替代。通过二阶多项式拟合，利用不同入口速度（1–20 m/s）下的压降数据推导出各树种的特定阻力系数。

通过将多孔模型的压降曲线与全尺寸树木模型的压降曲线进行比较，验证了提取的系数，结果显示两者高度一致（决定系数R2 ≈ 0.9999），并且在较高速度下的误差小于5%。研究还发现，空气动力阻力与树冠形态（如叶面积、形状和体积分数）的关系更为密切，而不仅仅是与叶密度有关。

这种方法为将植被效应纳入城市气流模拟提供了一种实用且可扩展的解决方案，显著降低了计算成本。研究结果为将特定树种的特征整合到城市环境规划和设计中提供了有用的框架，包括在城市通风分析、污染扩散建模和绿色基础设施规划中的应用。

引言

城市街道树木是绿色基础设施的重要组成部分，能够提供多种生态和气候效益，包括提供阴凉、调节微气候、减轻空气污染和固碳（Escobedo等人，2011年；McPherson等人，1994年；Nowak等人，2006年）。在密集的城市区域，树木不仅具有美学和生态功能，还对局部气流模式、温度分布和颗粒物扩散有显著影响（Grimmond和Oke，1999年）。因此，越来越多的人关注将植被效应纳入城市环境模拟中，尤其是在使用计算流体动力学（CFD）的模拟中。

在基于CFD的城市微气候建模中，树木的空气动力学和热效应越来越被认识到是关键变量。为了准确预测城市峡谷中的风流和污染物传输，必须考虑植被引起的阻力、尾流形成以及树冠层内的湍流调制（Amorim等人，2013年；Hong等人，2018年；Kim和Kang，2023年）。树木可以以复杂的方式阻挡或改变气流方向，这通常会导致污染物浓度根据空间布局、树种特征和季节性树冠密度而局部增加或减少（Baek等人，2024年）。因此，树木已成为城市规模CFD研究中不可或缺的建模元素。

尽管如此，许多现有的CFD模拟仍然使用高度简化的方法来表示树木。常见的做法是将植被建模为具有均匀阻力的多孔块，或基于叶面积密度（LAD）应用经验阻力函数（Manickathan等人，2018年）。虽然这些方法降低了计算成本，但它们未能捕捉到真实树木的异质性和物种依赖性形态。这种过度简化可能导致预测误差，特别是在涉及行人舒适度、空气质量预测和通风设计等敏感应用时。

此外，植被不仅仅是一个被动的空气动力学障碍物；它通过灵活的树枝和重新配置的树冠与风相互作用（De Langre，2008年）。尽管CFD技术有了显著进步，但在高分辨率建模工具的可用性与其在城市环境中准确表示特定树种的能力之间仍存在明显差距。为了弥合这一差距，需要一种稳健的方法来量化树木引起的阻力特性，以便与可扩展的CFD模拟兼容。作为实际解决方案，本研究采用了一种基于多孔介质的建模方法，将复杂的树木几何形状简化为阻力定义的体积。这种方法能够在保持城市规模CFD计算效率的同时，捕捉到特定树种的空气动力学效应。先前的研究已经证明，这种多孔方法可以有效再现植被的整体空气动力学影响（Moonen等人，2012年；Santiago等人，2007年）。

在城市环境中，通常会有几十到几百棵树，显式解析详细的分支-叶片结构在计算上是不可行的。多孔介质方法提供了一种可行的替代方案，保留了对风流、通风和微气候分析至关重要的主要空气动力学效应。尽管树冠内的小尺度湍流相互作用不可避免地会被平滑处理，但这种限制被可扩展性和效率的实际优势所抵消。此外，通过提取特定树种的阻力系数并与其详细树木模型和测量数据进行验证，本研究增强了该方法在实际城市CFD应用中的适用性。

为了解决这些限制，本研究旨在为韩国常见的六种街道树木提取多孔介质阻力参数——具体来说是惯性和粘性阻力系数。利用从详细几何数据生成的3D树木模型，我们对每种树木进行了高分辨率的虚拟风洞模拟，并根据压力损失和湍流特性推导出流动阻力值。然后将这些结果转化为适用于城市规模CFD模型的多孔介质输入。为了确保这些参数的可靠性，使用了日本黑松（Pinus thunbergii）防风林的现场空气动力学数据进行了验证。通过系统地参数化代表性树种的空气动力阻力，本研究为在更广泛的城市环境评估中纳入真实的植被效应提供了实用参考。

参考文献片段

文献综述

城市植被，特别是树木，在改变局部气流和影响建筑环境中空气污染物的扩散方面起着重要作用。许多研究表明，城市峡谷内的植被可以显著影响微气候的空气动力学和热特性。Grimmond和Oke（1999年）分析了城市地表形态，并强调了植被如何改变空气动力学粗糙度和湍流剖面。Gromke和Ruck（2007年）

工作流程

整个研究流程如图1所示。第一阶段包括模拟准备和背景分析，以确定在CFD中表示城市街道树木的有效方法。文献综述确定了多孔介质方法是一种计算效率高的策略。然而，很少有研究专门针对树木结构提取适当的多孔阻力值的过程。因此，这一阶段包括了多孔介质的回顾

与参考数据的验证

为了评估通过数值风洞程序提取的多孔介质参数的可靠性，将模拟结果与Iwata等人（2003年）报告的Pinus thunbergii的风洞测量结果进行了比较。

图8(a)显示了位于树木模型下游的28个探测位置处的标准化速度比。模拟再现了尾流减少的总体趋势，特别是在中间尾流区域（1H到3H），在那里流动开始

结论

本研究提出了一种基于CFD的方法，用于提取和验证城市环境中常见的六种主要街道树木的多孔阻力参数。通过用多孔介质替代复杂的树木几何形状，本研究旨在简化植被建模，同时保持空气动力学的准确性。利用数值风洞模拟，通过压力-速度曲线拟合得出多孔阻力值，并通过与其他数据的比较验证了其准确性

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来提高某些句子的清晰度和可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

安俊贤：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。康俊硕：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，监督，软件，资源管理，项目管理，方法论，资金获取，概念化。