植物木質(zhì)部導(dǎo)管與管胞微結(jié)構(gòu)流場(chǎng)建模與流阻特性研究.pdf

1、水分是植物細(xì)胞的重要成分，也是植物光合、呼吸作用的原料和各種生理生化反應(yīng)和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)，水分必須從植物根部沿著體內(nèi)木質(zhì)部通道運(yùn)輸?shù)焦趯硬拍軈⑴c這些反應(yīng)。深入研究植物內(nèi)水分傳輸機(jī)理對(duì)有效地提高植物水分利用效率具有重要意義。
　　長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)植物體內(nèi)水分傳輸?shù)难芯恐饕峭ㄟ^(guò)植物學(xué)解剖和觀測(cè)試驗(yàn)，由于植物體內(nèi)輸水管道尺寸微小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單憑傳統(tǒng)的植物生理學(xué)手段很難從微觀角度探析植物體內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象和傳輸機(jī)理。因此，本文以植物木質(zhì)部導(dǎo)

2、管和管胞輸水微結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，從流體力學(xué)的角度分析植物體內(nèi)水分傳輸機(jī)理。采用流體建模、數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的研究方法，探析體內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)分布情況以及各種組織結(jié)構(gòu)對(duì)植物流阻特性的影響，為更深入地研究植物體內(nèi)水分運(yùn)移的機(jī)理提供重要的理論依據(jù)。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）分析了植物木質(zhì)部導(dǎo)管和管胞等輸導(dǎo)組織的結(jié)構(gòu)特征和水動(dòng)力特性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)影響植物導(dǎo)管和管胞水分流動(dòng)性能的沿程阻力因素和局部阻力因素進(jìn)行分析，并研究

3、了管道直徑大小和截面形狀對(duì)導(dǎo)管和管胞流動(dòng)性能的影響。
　　（2）為研究木質(zhì)部導(dǎo)管、管胞中微結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)特性的影響，對(duì)管壁增厚、端壁梯狀穿孔板和塞-緣結(jié)構(gòu)具緣紋孔等結(jié)構(gòu)分別建立了伯努利流體動(dòng)力學(xué)模型，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)與流阻系數(shù)之間的關(guān)系，并通過(guò)數(shù)值模擬研究了植物體內(nèi)水分傳輸?shù)膲航?、速度和流量等流?chǎng)分布情況，以及不同的木質(zhì)部結(jié)構(gòu)對(duì)流阻特性的影響規(guī)律。
　?。?）針對(duì)管胞紋孔水分流動(dòng)過(guò)程中紋孔膜的受力變形問(wèn)題，考慮水分流動(dòng)和紋孔膜受

4、力變形的耦合作用，基于雙向同步求解方法對(duì)紋孔內(nèi)部流場(chǎng)和紋孔膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合求解，分析了不同的入口壓力驅(qū)動(dòng)下紋孔內(nèi)流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性以及紋孔膜的應(yīng)力和變形情況，并討論了流固耦合作用對(duì)紋孔流量的影響。
　?。?）根據(jù)流體力學(xué)相似性原理，搭建了植物組織輸水模擬實(shí)驗(yàn)裝置。采用選擇性激光燒結(jié)快速成型加工方法（Selective Laser Sintering,SLS），對(duì)導(dǎo)管、管胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行整體成型加工，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)分析管壁增厚、穿孔板和紋