閆曉惠　陳新

摘 要 計算流體力學(xué)在許多理論研究領(lǐng)域和實際工程應(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)用卻并沒有受到廣泛的關(guān)注。基于此，簡要介紹計算流體力學(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。

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

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

計算流體力學(xué)是模擬流場特性、熱傳遞、流體擴散等應(yīng)用的重要技術(shù)之一。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算流體力學(xué)在諸多理論研究領(lǐng)域和實際工程應(yīng)用里面都獲得了很高的關(guān)注度，其在國外已被很大程度上投入到了農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)里面，但國內(nèi)對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，國內(nèi)基本上沒有學(xué)者對計算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用展開研究和總結(jié)。本文在大概介紹計算流體力學(xué)的基本原理同時，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)用以鼓勵農(nóng)業(yè)環(huán)境工作者在具體實際工作里面能夠最大程度的利用這一類型的工具；同時，探究其未來的走向用來激發(fā)以后的學(xué)者對這一方面展開更加深入的研究，促進我國在計算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的具體運用，催動我國農(nóng)業(yè)環(huán)境的發(fā)展和提高[2]。

1 基本原理

計算流體力學(xué)主要是將連續(xù)流體離散化并對各個單元進行Navier-Stokes及其它相關(guān)方程的求解。連續(xù)、動量和能量方程是流體運動的主要控制方程，其中連續(xù)方程描述了質(zhì)量守恒，動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，而且在計算機計算方面有很大的優(yōu)勢。因此，有限體積法在計算流體力學(xué)里面是最為常見的。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研究問題的流場進行計算，若同時在計算中結(jié)合了其它方程，如泥沙運輸方程，則可對研究現(xiàn)象進行耦合模擬。綜上，只要根據(jù)具體問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，計算流體力學(xué)則可以應(yīng)用在此問題當(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、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

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與提高，近幾十年計算流體力學(xué)已經(jīng)在大量的農(nóng)業(yè)建筑物設(shè)計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。其中，在農(nóng)業(yè)水利建筑物的設(shè)計里面是眾多設(shè)計里面最為成功。在農(nóng)業(yè)擋水建筑物方面，計算流體力學(xué)可以預(yù)測擋水閘的應(yīng)力與表面壓力。閘門運動與流體分析可以結(jié)合起來，分析閘門在不同狀態(tài)下的水流及壓力特性，得到的動態(tài)數(shù)據(jù)可用于高效地優(yōu)化設(shè)計擋水閘門。在農(nóng)業(yè)泄水建筑物方面，計算流體力學(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較為復(fù)雜，因為其具有明顯的湍流與三維特性、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行自由表面的追蹤，模擬結(jié)果與測量或?qū)嶒灁?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水土質(zhì)量的影響，對合理選用肥料、保證灌溉水源及土壤的健康進行指導(dǎo)。計算一般需要一定的觀測數(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)對地下水的影響及污染物在含水層的散輸?shù)?。除了對水質(zhì)的分析，計算流體力學(xué)也可用于預(yù)測土壤侵蝕。例如，可以整合三維湍流和非均勻泥沙運輸模型并考慮影響河岸侵蝕的其它因素，以此來模擬沖積河道在河岸侵蝕作用下的形態(tài)變化等，對農(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)里面的另一個比較重要內(nèi)容，其對自然環(huán)境尤其是空氣環(huán)境有著非常大的影響作用。計算流體力學(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，也可以模擬其氣味在外部的傳輸散播。對氣味散播的準(zhǔn)確預(yù)測相對難度比較大，因為其范圍及速度在很大程度上取決于氣味散發(fā)點、氣味濃度、地形條件及氣象特性等多種不確定因素。傳統(tǒng)的觀測法可得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但是這個方法難以分析大量的影響條件。經(jīng)過驗證的數(shù)值模型則可以更加經(jīng)濟地對不同情況進行試驗研究，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汀L(fēng)及空氣溫度對氣味散播的影響、噴灑農(nóng)藥后溫室氣味散播對周邊環(huán)境的影響等。另外，計算流體力學(xué)也可以用于模擬灰塵擴散，可對農(nóng)業(yè)荒漠化防治提供參考。

3 發(fā)展趨勢

計算流體力學(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，對于未來的展望，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個方面：第一，將來其一定能在更多的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題里面得到推廣和普及，并且通過具體的實踐與應(yīng)用得到驗證；第二，隨著科學(xué)的不斷前進與發(fā)展，技術(shù)也在不斷的提升，所以進行計算精確度也會有很大的提高，因為會有越來越多的細微的影響因素將會被考慮進模擬系統(tǒng)里面而且其作用機制也會有更深層次的了解和認(rèn)識。此外，隨著計算技術(shù)的進步以及模型操作的大眾化需求，它在計算速度和操作方式的簡易度方面也將會有很大的提高。

4 結(jié)語

計算流體力學(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)計中、農(nóng)業(yè)水土治理中以及氣味及灰塵擴散分析里面。在未來，它將應(yīng)用到更多的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題之中，精度會不斷提高。同時，計算速度與簡易程度也會進一步提升。農(nóng)業(yè)環(huán)境工作者通過計算流體力學(xué)的應(yīng)用能夠在具體實際工作里面最大限度的運用這些工具，用來提升工作效率和工作質(zhì)量。促進我國在計算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的具體運用，促進我國農(nóng)業(yè)環(huán)境的發(fā)展與提高。

參考文獻

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

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

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

（責(zé)任編輯：劉昀）