植物导管壁面增厚结构水动力学模型与流动阻力特性

来源：农业工程学报杂志2015年第19期北京时间：

作者：陈琦,胥芳,艾青林,张立彬,

摘要：针对植物木质部导管壁面增厚结构对流动阻力特性的影响问题，提出一种基于计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）的植物导管流体建模方法。建立了导管内壁增厚结构的伯努利数学模型，分析导管内径、增厚纹宽、纹高、纹间距和倾斜角等几何结构与导管流阻系数之间的关系；基于剪切应力传输（shear stress transport，SST）k-ω湍流模型建立了螺纹与环纹导管流场仿真模型，对不同几何结构的增厚导管内部水分流动的流场进行了数值模拟。结果表明，导管内径，增厚纹间距和纹高等结构对流体阻力影响显著，增厚纹宽、倾斜角等结构的变化对流体阻力影响较小；壁面增厚结构对小导管的流动阻力影响更加明显，纹高为2.3 μm时，在内径为16 μm的导管中增厚结构产生的结构流阻占总流阻的57.0%，而内径50 μm的导管中增厚结构流阻只占总流阻的27.2%；具有相同结构参数的环纹导管与螺纹导管的水分传输效率接近，且随着导管内径增大两者压降越来越接近（相差小于0.5%）。研究结果为深入研究植物导管水动力学传输特性提供理论依据。

关键词：水动力学, 模型, 植物, 木质部导管, 壁面增厚, 伯努利模型, SST k-ω湍流模型, 流动阻力特性