計算流體力學在農業環境科學中的應用及其發展趨勢

閆曉惠　陳新

摘 要 計算流體力學在許多理論研究領域和實際工程應用中都扮演著十分重要的角色，但其在農業環境科學中的應用卻并沒有受到廣泛的關注。基于此，簡要介紹計算流體力學的基本原理，歸納并總結其在農業環境科學中的相關研究與應用，并探究此類研究與應用的發展趨勢。

關鍵詞 計算流體力學；農業環境科學；應用；發展趨勢

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

計算流體力學是模擬流場特性、熱傳遞、流體擴散等應用的重要技術之一。隨著計算機技術的不斷發展，計算流體力學在諸多理論研究領域和實際工程應用里面都獲得了很高的關注度，其在國外已被很大程度上投入到了農業環境科學里面，但國內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[1]。因此，國內基本上沒有學者對計算流體力學在農業環境科學中的應用展開研究和總結。本文在大概介紹計算流體力學的基本原理同時，闡明其可以應用在農業環境科學里面的原因；歸納并總結其相關應用以鼓勵農業環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以后的學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在農業環境中的具體運用，催動我國農業環境的發展和提高[2]。

1 基本原理

計算流體力學主要是將連續流體離散化并對各個單元進行Navier-Stokes及其它相關方程的求解。連續、動量和能量方程是流體運動的主要控制方程，其中連續方程描述了質量守恒，動量方程由牛頓第二定律推導而得，而能量方程則基于能量守恒。在計算流體力學中，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換為離散方程，廣泛應用的離散方法有3種：有限差分法、有限元法和有限體積法[3]。其中，有限體積法結合了前兩種方法的優點，而且在計算機計算方面有很大的優勢。因此，有限體積法在計算流體力學里面是最為常見的。當控制方程和離散方法選定后，設定相應的邊界條件與初始條件則可對研究問題的流場進行計算，若同時在計算中結合了其它方程，如泥沙運輸方程，則可對研究現象進行耦合模擬。綜上，只要根據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，計算流體力學則可以應用在此問題當中，當然包括許多農業環境科學的應用中。

2 相關應用

計算流體力學在農業環境科學中的應用主要能夠分歸為3類：農業建筑物的設計、農業水土治理以及氣味與灰塵散播。

2.1 農業建筑物的設計

隨著科學技術的不斷發展與提高，近幾十年計算流體力學已經在大量的農業建筑物設計中得到了普及推廣與使用，如溫室、禽舍和畜舍的優化設計。其中，在農業水利建筑物的設計里面是眾多設計里面最為成功。在農業擋水建筑物方面，計算流體力學可以預測擋水閘的應力與表面壓力。閘門運動與流體分析可以結合起來，分析閘門在不同狀態下的水流及壓力特性，得到的動態數據可用于高效地優化設計擋水閘門。在農業泄水建筑物方面，計算流體力學可以用于溢洪道的流量和氣穴分析中。農業灌溉排水渠道的模擬相對較為復雜，因為其具有明顯的湍流與三維特性、非規則的幾何邊界、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，模擬結果與測量或實驗數據的比較證明了此方法的有效性。

2.2 農業水土治理

在農業水土方面，計算流體力學可以用于確定污染物在水土中的傳播以及對水土質量的影響，對合理選用肥料、保證灌溉水源及土壤的健康進行指導。計算一般需要一定的觀測數據以確定模擬參數，其結果可以用于分析水資源退化的影響因素、化學物質對地下水的影響及污染物在含水層的散輸等。除了對水質的分析，計算流體力學也可用于預測土壤侵蝕。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變化等，對農業工程選址提供信息。

2.3 氣味與灰塵散播

氣味與灰塵散播是農業環境科學里面的另一個比較重要內容，其對自然環境尤其是空氣環境有著非常大的影響作用。計算流體力學既可以模擬溫室還有禽畜舍內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。對氣味散播的準確預測相對難度比較大，因為其范圍及速度在很大程度上取決于氣味散發點、氣味濃度、地形條件及氣象特性等多種不確定因素。傳統的觀測法可得到準確數據，但是這個方法難以分析大量的影響條件。經過驗證的數值模型則可以更加經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、蒸發和熱量傳輸的氣味傳播模型、風及空氣溫度對氣味散播的影響、噴灑農藥后溫室氣味散播對周邊環境的影響等。另外，計算流體力學也可以用于模擬灰塵擴散，可對農業荒漠化防治提供參考。

3 發展趨勢

計算流體力學在農業環境科學領域里面的應用已經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展，取得更高的成就，具體的主要表現在下面3個方面：第一，將來其一定能在更多的農業環境問題里面得到推廣和普及，并且通過具體的實踐與應用得到驗證；第二，隨著科學的不斷前進與發展，技術也在不斷的提升，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里面而且其作用機制也會有更深層次的了解和認識。此外，隨著計算技術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 結語

計算流體力學可以在農業環境工程的很多地方發揮非常重要的作用，如在農業建筑物的設計中、農業水土治理中以及氣味及灰塵擴散分析里面。在未來，它將應用到更多的農業環境問題之中，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。農業環境工作者通過計算流體力學的應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量。促進我國在計算流體力學在農業環境中的具體運用，促進我國農業環境的發展與提高。

參考文獻

[1]周啟星，魏樹和.農業環境研究及國際發展趨勢 [J]. 作物雜志，2006（2）：1-3.

[2]金杉，莊達民，張向陽.計算流體力學在現代建筑消防設計中的應用[J].消防科學與技術，2003（3）.

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

（責任編輯：劉昀）