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第18章 水流与数字（第1页）

付烁说：“知道了河流什会改变流向。接下，想问问，里能什办法模拟水流吗？”

董趋说：“你研流体吗？”

付烁说：“，研计算机。”

董趋说：“水流模拟很困难。模拟出和实际水流位置相差很大。很多因素考虑到，例如风、土壤和石头阻拦，表面张力。”

流体宏观模型认流体由无数流体元连续地组成，即连续介质。所谓流体元指样小块流体：它大小与放置在流体中实物比较微足道，但比分子平均自由程&xeoo要大得多，它包足够多分子，能施行统计平均求出宏观参量，少数分子出入于流体元会影响稳定平均值。

另一方面，对于进行统计平均时间也应选得足够大，使得在段时间内，微观质，例如分子间碰撞等进行了许多次，在段时间内进行统计平均能够得到稳定数值。于，从统计物理中得知，分子物理量（质量、度、动量和能量）过统计平均变成了流体元质量，度，压力和温度等宏观物理量，分子质量、动量和能量等输运过程，过统计平均表现扩散，粘，热传导等宏观质。

描述流体运动一般两种方法。

拉格朗方法：在拉格朗方法中，注意中心即着点流体质点，确定所流体质点运动规律，即它们位置随时间变化规律。十分明显，如果知道了所流体质点运动规律，那整个流体运动状况也就清楚了。

将描写运动观点和方法用数学式子表达出，此先必须用某种数学方法区别同流体质点。通常利用初始时刻流体质点坐标作区分同流体质点标志。设初始时刻t=to时，流体质点坐标a，b，c，它可以曲线坐标，也可以直角坐标。

欧拉方法：欧拉方法直接考虑个别流体质点如何运动，而用场观点研流体运动。它只集中注意力于那些生在空间给定点流动况；对于流体质点从什地方和如何在给定时刻达到一点，过点以又会运行到别什地方和样运行到那些地方，一切问题从欧拉方法观点看并基本。样，欧拉方法把空间某一固定点（x，y，z）流体质点度当作时间函数研。

由于上式确定度函数定义在空间点上，它们空间点坐标x，y，z函数，所以研场，如度场等。因此采用欧拉观点描述运动时，就可以利用场论知识。

计算流体动力学通过计算机数值计算和图像显示，对包流体流动和热传导等相关物理现象系统所做分析。基本思想可以归结：把原在时间域及空间域上连续物理量场，如度场和压力场，用一系列限个离散点上变量值集合代替，通过一定原则和方式建立起关于些离散点上场变量间关系代数方程组，然求解代数方程组获得场变量近似值。可以看做在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动数值模拟。

董趋说：“认，对于河流说，可以样仿真。样几个步骤。”

“建立河流模型:使用流程仿真软件建立河流三维模型，包括河道、河、水面和周围环境等。可以使用建模工具创建河流模型，也可以从其他软件中导入河流模型。定义水滴:定义水滴质量、体积、密度和运动度等参数，并将水滴放置在河流中。．设置力场:设置河流中各种力场，例如重力、惯力、浮力和阻力等，以描述水滴在河流中受到各种力作用。．运行仿真:运行流程仿真软件，观察水滴在河流中运动状态和受力况。可以通过软件中可视化工具显示水滴运动轨迹和受力况。．分析结果:据仿真结果分析水滴在河流中运动规律和特，例如水滴度、加度、流动路径和停留时间等。可以进一步优化模型和力场，以提高仿真结果准确和可靠。”

付烁说：“但水运行过程很复杂。考虑到所况呢？”

展顾约想了想，说：“如果将水全部循环过程都枚举出呢。”

水滴在地球上循环过程包括蒸、凝结、降水和地表径流。

蒸：太能照到地球表面上水体如海洋、江河湖泊、水库等，使水体表面上水分子转变成气态水蒸气，从而进入大气层。

凝结：水蒸气在大气层中上升会遇到冷空气，水蒸气会迅减少温度而凝结成小水滴，形成云块。

降水：云块中水滴断凝结、增大，当水滴变得足够大时，就会落下降雨降等形式降水。部分降水会流入河流、湖泊、水库等水体中。

地表径流：部分降水会滲入地下，使土壤、岩石等形成地下水层，并渗出地面称地表径流，主要流入海洋。

以上过程构成了地球上水循环，水在地球上形成了一个断转化、断更新生态循环系统。

董趋说：“看你就喜欢用笨办法，枚举法。”

付烁说：“那在个基础上，可以进一步完善方案。可以将水各种运动模拟出，然测量，和模拟数值对比，然修改模拟程序。”

展顾约说：“些们可以实际测量，然利用计算网络试一试。”

董趋说：“但最困难测量水滴实际状态，包括流，压力，温度等等。”

展顾约说：“觉得宏观水流量可以检测。”

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