计算流体力学在农业环境科学中的应用及其发展趋势

闫晓惠　陈新

摘 要 计算流体力学在许多理论研究领域和实际工程应用中都扮演着十分重要的角色，但其在农业环境科学中的应用却并没有受到广泛的关注。基于此，简要介绍计算流体力学的基本原理，归纳并总结其在农业环境科学中的相关研究与应用，并探究此类研究与应用的发展趋势。

关键词 计算流体力学；农业环境科学；应用；发展趋势

中图分类号：O35；X53 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2015）15--02

计算流体力学是模拟流场特性、热传递、流体扩散等应用的重要技术之一。随着计算机技术的不断发展，计算流体力学在诸多理论研究领域和实际工程应用里面都获得了很高的关注度，其在国外已被很大程度上投入到了农业环境科学里面，但国内对于这一方面的研究还不是很成熟还属于比较落后的状态[1]。因此，国内基本上没有学者对计算流体力学在农业环境科学中的应用展开研究和总结。本文在大概介绍计算流体力学的基本原理同时，阐明其可以应用在农业环境科学里面的原因；归纳并总结其相关应用以鼓励农业环境工作者在具体实际工作里面能够最大程度的利用这一类型的工具；同时，探究其未来的走向用来激发以后的学者对这一方面展开更加深入的研究，促进我国在计算流体力学在农业环境中的具体运用，催动我国农业环境的发展和提高[2]。

1 基本原理

计算流体力学主要是将连续流体离散化并对各个单元进行Navier-Stokes及其它相关方程的求解。连续、动量和能量方程是流体运动的主要控制方程，其中连续方程描述了质量守恒，动量方程由牛顿第二定律推导而得，而能量方程则基于能量守恒。在计算流体力学中，解此控制方程的重要一步是将方程离散化从而使偏微分方程转换为离散方程，广泛应用的离散方法有3种：有限差分法、有限元法和有限体积法[3]。其中，有限体积法结合了前两种方法的优点，而且在计算机计算方面有很大的优势。因此，有限体积法在计算流体力学里面是最为常见的。当控制方程和离散方法选定后，设定相应的边界条件与初始条件则可对研究问题的流场进行计算，若同时在计算中结合了其它方程，如泥沙运输方程，则可对研究现象进行耦合模拟。综上，只要根据具体问题选取合适的控制方程、离散方法、边界条件、初始条件和耦合方程，计算流体力学则可以应用在此问题当中，当然包括许多农业环境科学的应用中。

2 相关应用

计算流体力学在农业环境科学中的应用主要能够分归为3类：农业建筑物的设计、农业水土治理以及气味与灰尘散播。

2.1 农业建筑物的设计

随着科学技术的不断发展与提高，近几十年计算流体力学已经在大量的农业建筑物设计中得到了普及推广与使用，如温室、禽舍和畜舍的优化设计。其中，在农业水利建筑物的设计里面是众多设计里面最为成功。在农业挡水建筑物方面，计算流体力学可以预测挡水闸的应力与表面压力。闸门运动与流体分析可以结合起来，分析闸门在不同状态下的水流及压力特性，得到的动态数据可用于高效地优化设计挡水闸门。在农业泄水建筑物方面，计算流体力学可以用于溢洪道的流量和气穴分析中。农业灌溉排水渠道的模拟相对较为复杂，因为其具有明显的湍流与三维特性、非规则的几何边界、非光滑的河床以及自由表面。目前，在这方面的模拟一般使用流体体积法进行自由表面的追踪，模拟结果与测量或实验数据的比较证明了此方法的有效性。

2.2 农业水土治理

在农业水土方面，计算流体力学可以用于确定污染物在水土中的传播以及对水土质量的影响，对合理选用肥料、保证灌溉水源及土壤的健康进行指导。计算一般需要一定的观测数据以确定模拟参数，其结果可以用于分析水资源退化的影响因素、化学物质对地下水的影响及污染物在含水层的散输等。除了对水质的分析，计算流体力学也可用于预测土壤侵蚀。例如，可以整合三维湍流和非均匀泥沙运输模型并考虑影响河岸侵蚀的其它因素，以此来模拟冲积河道在河岸侵蚀作用下的形态变化等，对农业工程选址提供信息。

2.3 气味与灰尘散播

气味与灰尘散播是农业环境科学里面的另一个比较重要内容，其对自然环境尤其是空气环境有着非常大的影响作用。计算流体力学既可以模拟温室还有禽畜舍内部的空气流通的具体特点，也可以模拟其气味在外部的传输散播。对气味散播的准确预测相对难度比较大，因为其范围及速度在很大程度上取决于气味散发点、气味浓度、地形条件及气象特性等多种不确定因素。传统的观测法可得到准确数据，但是这个方法难以分析大量的影响条件。经过验证的数值模型则可以更加经济地对不同情况进行试验研究，此类研究的例子有：考虑了降雨、蒸发和热量传输的气味传播模型、风及空气温度对气味散播的影响、喷洒农药后温室气味散播对周边环境的影响等。另外，计算流体力学也可以用于模拟灰尘扩散，可对农业荒漠化防治提供参考。

3 发展趋势

计算流体力学在农业环境科学领域里面的应用已经取得了非常大的成功，对于未来的展望，它一定能够获得更大程度上的发展，取得更高的成就，具体的主要表现在下面3个方面：第一，将来其一定能在更多的农业环境问题里面得到推广和普及，并且通过具体的实践与应用得到验证；第二，随着科学的不断前进与发展，技术也在不断的提升，所以进行计算精确度也会有很大的提高，因为会有越来越多的细微的影响因素将会被考虑进模拟系统里面而且其作用机制也会有更深层次的了解和认识。此外，随着计算技术的进步以及模型操作的大众化需求，它在计算速度和操作方式的简易度方面也将会有很大的提高。

4 结语

计算流体力学可以在农业环境工程的很多地方发挥非常重要的作用，如在农业建筑物的设计中、农业水土治理中以及气味及灰尘扩散分析里面。在未来，它将应用到更多的农业环境问题之中，精度会不断提高。同时，计算速度与简易程度也会进一步提升。农业环境工作者通过计算流体力学的应用能够在具体实际工作里面最大限度的运用这些工具，用来提升工作效率和工作质量。促进我国在计算流体力学在农业环境中的具体运用，促进我国农业环境的发展与提高。

参考文献

[1]周启星，魏树和.农业环境研究及国际发展趋势 [J]. 作物杂志，2006（2）：1-3.

[2]金杉，庄达民，张向阳.计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用[J].消防科学与技术，2003（3）.

[3]陈耀松，单肖文，陈沪东.计算流体力学的新方向及其在工业上的应用[J].中国科学，2007（9）.

（责任编辑：刘昀）