計(jì)算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)

閆曉惠　陳新

摘 要 計(jì)算流體力學(xué)在許多理論研究領(lǐng)域和實(shí)際工程應(yīng)用中都扮演著十分重要的角色，但其在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用卻并沒(méi)有受到廣泛的關(guān)注。基于此，簡(jiǎn)要介紹計(jì)算流體力學(xué)的基本原理，歸納并總結(jié)其在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)中的相關(guān)研究與應(yīng)用，并探究此類研究與應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 計(jì)算流體力學(xué)；農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)；應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：O35；X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-890X（2015）15--02

計(jì)算流體力學(xué)是模擬流場(chǎng)特性、熱傳遞、流體擴(kuò)散等應(yīng)用的重要技術(shù)之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)在諸多理論研究領(lǐng)域和實(shí)際工程應(yīng)用里面都獲得了很高的關(guān)注度，其在國(guó)外已被很大程度上投入到了農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)里面，但國(guó)內(nèi)對(duì)于這一方面的研究還不是很成熟還屬于比較落后的狀態(tài)[1]。因此，國(guó)內(nèi)基本上沒(méi)有學(xué)者對(duì)計(jì)算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用展開(kāi)研究和總結(jié)。本文在大概介紹計(jì)算流體力學(xué)的基本原理同時(shí)，闡明其可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)里面的原因；歸納并總結(jié)其相關(guān)應(yīng)用以鼓勵(lì)農(nóng)業(yè)環(huán)境工作者在具體實(shí)際工作里面能夠最大程度的利用這一類型的工具；同時(shí)，探究其未來(lái)的走向用來(lái)激發(fā)以后的學(xué)者對(duì)這一方面展開(kāi)更加深入的研究，促進(jìn)我國(guó)在計(jì)算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的具體運(yùn)用，催動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境的發(fā)展和提高[2]。

1 基本原理

計(jì)算流體力學(xué)主要是將連續(xù)流體離散化并對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行Navier-Stokes及其它相關(guān)方程的求解。連續(xù)、動(dòng)量和能量方程是流體運(yùn)動(dòng)的主要控制方程，其中連續(xù)方程描述了質(zhì)量守恒，動(dòng)量方程由牛頓第二定律推導(dǎo)而得，而能量方程則基于能量守恒。在計(jì)算流體力學(xué)中，解此控制方程的重要一步是將方程離散化從而使偏微分方程轉(zhuǎn)換為離散方程，廣泛應(yīng)用的離散方法有3種：有限差分法、有限元法和有限體積法[3]。其中，有限體積法結(jié)合了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，而且在計(jì)算機(jī)計(jì)算方面有很大的優(yōu)勢(shì)。因此，有限體積法在計(jì)算流體力學(xué)里面是最為常見(jiàn)的。當(dāng)控制方程和離散方法選定后，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件與初始條件則可對(duì)研究問(wèn)題的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，若同時(shí)在計(jì)算中結(jié)合了其它方程，如泥沙運(yùn)輸方程，則可對(duì)研究現(xiàn)象進(jìn)行耦合模擬。綜上，只要根據(jù)具體問(wèn)題選取合適的控制方程、離散方法、邊界條件、初始條件和耦合方程，計(jì)算流體力學(xué)則可以應(yīng)用在此問(wèn)題當(dāng)中，當(dāng)然包括許多農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)的應(yīng)用中。

2 相關(guān)應(yīng)用

計(jì)算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用主要能夠分歸為3類：農(nóng)業(yè)建筑物的設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)水土治理以及氣味與灰塵散播。

2.1 農(nóng)業(yè)建筑物的設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與提高，近幾十年計(jì)算流體力學(xué)已經(jīng)在大量的農(nóng)業(yè)建筑物設(shè)計(jì)中得到了普及推廣與使用，如溫室、禽舍和畜舍的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，在農(nóng)業(yè)水利建筑物的設(shè)計(jì)里面是眾多設(shè)計(jì)里面最為成功。在農(nóng)業(yè)擋水建筑物方面，計(jì)算流體力學(xué)可以預(yù)測(cè)擋水閘的應(yīng)力與表面壓力。閘門運(yùn)動(dòng)與流體分析可以結(jié)合起來(lái)，分析閘門在不同狀態(tài)下的水流及壓力特性，得到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可用于高效地優(yōu)化設(shè)計(jì)擋水閘門。在農(nóng)業(yè)泄水建筑物方面，計(jì)算流體力學(xué)可以用于溢洪道的流量和氣穴分析中。農(nóng)業(yè)灌溉排水渠道的模擬相對(duì)較為復(fù)雜，因?yàn)槠渚哂忻黠@的湍流與三維特性、非規(guī)則的幾何邊界、非光滑的河床以及自由表面。目前，在這方面的模擬一般使用流體體積法進(jìn)行自由表面的追蹤，模擬結(jié)果與測(cè)量或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)的比較證明了此方法的有效性。

2.2 農(nóng)業(yè)水土治理

在農(nóng)業(yè)水土方面，計(jì)算流體力學(xué)可以用于確定污染物在水土中的傳播以及對(duì)水土質(zhì)量的影響，對(duì)合理選用肥料、保證灌溉水源及土壤的健康進(jìn)行指導(dǎo)。計(jì)算一般需要一定的觀測(cè)數(shù)據(jù)以確定模擬參數(shù)，其結(jié)果可以用于分析水資源退化的影響因素、化學(xué)物質(zhì)對(duì)地下水的影響及污染物在含水層的散輸?shù)?。除了?duì)水質(zhì)的分析，計(jì)算流體力學(xué)也可用于預(yù)測(cè)土壤侵蝕。例如，可以整合三維湍流和非均勻泥沙運(yùn)輸模型并考慮影響河岸侵蝕的其它因素，以此來(lái)模擬沖積河道在河岸侵蝕作用下的形態(tài)變化等，對(duì)農(nóng)業(yè)工程選址提供信息。

2.3 氣味與灰塵散播

氣味與灰塵散播是農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)里面的另一個(gè)比較重要內(nèi)容，其對(duì)自然環(huán)境尤其是空氣環(huán)境有著非常大的影響作用。計(jì)算流體力學(xué)既可以模擬溫室還有禽畜舍內(nèi)部的空氣流通的具體特點(diǎn)，也可以模擬其氣味在外部的傳輸散播。對(duì)氣味散播的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)相對(duì)難度比較大，因?yàn)槠浞秶八俣仍诤艽蟪潭壬先Q于氣味散發(fā)點(diǎn)、氣味濃度、地形條件及氣象特性等多種不確定因素。傳統(tǒng)的觀測(cè)法可得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但是這個(gè)方法難以分析大量的影響條件。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)值模型則可以更加經(jīng)濟(jì)地對(duì)不同情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，此類研究的例子有：考慮了降雨、蒸發(fā)和熱量傳輸?shù)臍馕秱鞑ツＰ?、風(fēng)及空氣溫度對(duì)氣味散播的影響、噴灑農(nóng)藥后溫室氣味散播對(duì)周邊環(huán)境的影響等。另外，計(jì)算流體力學(xué)也可以用于模擬灰塵擴(kuò)散，可對(duì)農(nóng)業(yè)荒漠化防治提供參考。

3 發(fā)展趨勢(shì)

計(jì)算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域里面的應(yīng)用已經(jīng)取得了非常大的成功，對(duì)于未來(lái)的展望，它一定能夠獲得更大程度上的發(fā)展，取得更高的成就，具體的主要表現(xiàn)在下面3個(gè)方面：第一，將來(lái)其一定能在更多的農(nóng)業(yè)環(huán)境問(wèn)題里面得到推廣和普及，并且通過(guò)具體的實(shí)踐與應(yīng)用得到驗(yàn)證；第二，隨著科學(xué)的不斷前進(jìn)與發(fā)展，技術(shù)也在不斷的提升，所以進(jìn)行計(jì)算精確度也會(huì)有很大的提高，因?yàn)闀?huì)有越來(lái)越多的細(xì)微的影響因素將會(huì)被考慮進(jìn)模擬系統(tǒng)里面而且其作用機(jī)制也會(huì)有更深層次的了解和認(rèn)識(shí)。此外，隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步以及模型操作的大眾化需求，它在計(jì)算速度和操作方式的簡(jiǎn)易度方面也將會(huì)有很大的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算流體力學(xué)可以在農(nóng)業(yè)環(huán)境工程的很多地方發(fā)揮非常重要的作用，如在農(nóng)業(yè)建筑物的設(shè)計(jì)中、農(nóng)業(yè)水土治理中以及氣味及灰塵擴(kuò)散分析里面。在未來(lái)，它將應(yīng)用到更多的農(nóng)業(yè)環(huán)境問(wèn)題之中，精度會(huì)不斷提高。同時(shí)，計(jì)算速度與簡(jiǎn)易程度也會(huì)進(jìn)一步提升。農(nóng)業(yè)環(huán)境工作者通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用能夠在具體實(shí)際工作里面最大限度的運(yùn)用這些工具，用來(lái)提升工作效率和工作質(zhì)量。促進(jìn)我國(guó)在計(jì)算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的具體運(yùn)用，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境的發(fā)展與提高。

參考文獻(xiàn)

[1]周啟星，魏樹(shù)和.農(nóng)業(yè)環(huán)境研究及國(guó)際發(fā)展趨勢(shì) [J]. 作物雜志，2006（2）：1-3.

[2]金杉，莊達(dá)民，張向陽(yáng).計(jì)算流體力學(xué)在現(xiàn)代建筑消防設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2003（3）.

[3]陳耀松，單肖文，陳滬東.計(jì)算流體力學(xué)的新方向及其在工業(yè)上的應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)，2007（9）.

（責(zé)任編輯：劉昀）