付爍說:“知道了河流為什麽會改變流向。接下來,我想問問,這裏能有什麽辦法模擬水流嗎?”
董趨說:“你是研究流體的嗎?”
付爍說:“不是,我是研究計算機的。”
董趨說:“水流的模擬很困難。模擬出來的和實際的水流位置相差很大。很多因素沒有考慮到,例如風速、土壤和石頭的阻攔,表麵張力。”
流體宏觀模型認為流體是由無數流體元連續地組成的,即連續介質。所謂流體元指的是這樣的小塊流體:它的大小與放置在流體中的實物比較是微不足道的,但比分子的平均自由程卻要大得多,它包含足夠多的分子,能施行統計平均求出宏觀參量,少數分子出入於流體元不會影響穩定的平均值。
另一方麵,對於進行統計平均的時間也應選得足夠大,使得在這段時間內,微觀的性質,例如分子間的碰撞等已進行了許多次,在這段時間內進行統計平均能夠得到穩定的數值。於是,從統計物理中得知,分子的物理量(質量、速度、動量和能量)經過統計平均後變成了流體元的質量,速度,壓力和溫度等宏觀物理量,分子質量、動量和能量等輸運過程,經過統計平均後表現為擴散,粘性,熱傳導等宏觀性質。
描述流體運動一般有兩種方法。
拉格朗日方法:在拉格朗日方法中,注意的中心即著眼點是流體質點,確定所有流體質點的運動規律,即它們的位置隨時間變化的規律。十分明顯,如果知道了所有流體質點的運動規律,那麽整個流體運動的狀況也就清楚了。
將描寫運動的觀點和方法用數學式子表達出來,為此首先必須用某種數學方法區別不同的流體質點。通常利用初始時刻流體質點的坐標作為區分不同流體質點的標誌。設初始時刻t=t0時,流體質點的坐標是a,b,c,它可以是曲線坐標,也可以是直角坐標。
歐拉方法:歐拉方法不直接考慮個別流體質點如何運動,而是用場的觀點研究流體運動。它隻集中注意力於那些發生在空間給定點的流動情況;對於流體質點從什麽地方和如何在給定時刻達到這一點,經過這點以後又會運行到別的什麽地方和怎樣運行到那些地方的,這一切問題從歐拉方法觀點看來並不是基本的。這樣,歐拉方法是把空間某一固定點(x,y,z)的流體質點的速度當作時間的函數來研究的。
由於上式確定的速度函數是定義在空間點上的,它們是空間點坐標x,y,z的函數,所以研究的是場,如速度場等。因此采用歐拉觀點描述運動時,就可以利用場論的知識。
計算流體動力學是通過計算機數值計算和圖像顯示,對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的係統所做的分析。基本思想可以歸結為:把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場,如速度場和壓力場,用一係列有限個離散點上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立起關於這些離散點上場變量之間關係的代數方程組,然後求解代數方程組獲得場變量的近似值。可以看做是在流動基本方程(質量守恆方程、動量守恆方程、能量守恆方程)控製下對流動的數值模擬。
董趨說:“我認為,對於河流來說,可以這樣仿真。有這樣幾個步驟。”
“1.建立河流模型:使用流程仿真軟件建立河流的三維模型,包括河道、河床、水麵和周圍的環境等。可以使用建模工具創建河流模型,也可以從其他軟件中導入河流模型。2.定義水滴:定義水滴的質量、體積、密度和運動速度等參數,並將水滴放置在河流中。3.設置力場:設置河流中的各種力場,例如重力、慣性力、浮力和阻力等,以描述水滴在河流中受到的各種力的作用。4.運行仿真:運行流程仿真軟件,觀察水滴在河流中的運動狀態和受力情況。可以通過軟件中的可視化工具來顯示水滴的運動軌跡和受力情況。5.分析結果:根據仿真結果分析水滴在河流中的運動規律和特性,例如水滴的速度、加速度、流動路徑和停留時間等。可以進一步優化模型和力場,以提高仿真結果的準確性和可靠性。”
付爍說:“但是水的運行過程是很複雜的。怎麽考慮到所有的情況呢?”
展顧約想了想,說:“如果將水的全部循環過程都枚舉出來呢。”
水滴在地球上的循環過程包括蒸發、凝結、降水和地表徑流。
蒸發:太陽能照射到地球表麵上的水體如海洋、江河湖泊、水庫等,使水體表麵上的水分子轉變成氣態水蒸氣,從而進入大氣層。
凝結:水蒸氣在大氣層中上升後會遇到冷空氣,水蒸氣會迅速減少溫度而凝結成小水滴,形成雲塊。
降水:雲塊中的水滴不斷凝結、增大,當水滴變得足夠大時,就會落下降雨或降雪等形式的降水。部分降水會流入河流、湖泊、水庫等水體中。
地表徑流:部分降水會滲入地下,使土壤、岩石等形成地下水層,並滲出地麵稱為地表徑流,主要流入海洋。
以上過程構成了地球上水的循環,水在地球上形成了一個不斷轉化、不斷更新的生態循環係統。
董趨說:“我看你就是喜歡用笨辦法,枚舉法。”
付爍說:“那麽在這個基礎上,可以進一步完善方案。可以將水的各種運動模擬出來,然後測量,和模擬數值對比,然後修改模擬程序。”
展顧約說:“這些我們可以實際測量,然後利用計算網絡來試一試。”
董趨說:“但是最困難的是怎麽測量水滴的實際的狀態,包括流速,壓力,溫度等等。”
展顧約說:“我覺得宏觀的水的流量還是可以檢測的。”
董趨說:“你是研究流體的嗎?”
付爍說:“不是,我是研究計算機的。”
董趨說:“水流的模擬很困難。模擬出來的和實際的水流位置相差很大。很多因素沒有考慮到,例如風速、土壤和石頭的阻攔,表麵張力。”
流體宏觀模型認為流體是由無數流體元連續地組成的,即連續介質。所謂流體元指的是這樣的小塊流體:它的大小與放置在流體中的實物比較是微不足道的,但比分子的平均自由程卻要大得多,它包含足夠多的分子,能施行統計平均求出宏觀參量,少數分子出入於流體元不會影響穩定的平均值。
另一方麵,對於進行統計平均的時間也應選得足夠大,使得在這段時間內,微觀的性質,例如分子間的碰撞等已進行了許多次,在這段時間內進行統計平均能夠得到穩定的數值。於是,從統計物理中得知,分子的物理量(質量、速度、動量和能量)經過統計平均後變成了流體元的質量,速度,壓力和溫度等宏觀物理量,分子質量、動量和能量等輸運過程,經過統計平均後表現為擴散,粘性,熱傳導等宏觀性質。
描述流體運動一般有兩種方法。
拉格朗日方法:在拉格朗日方法中,注意的中心即著眼點是流體質點,確定所有流體質點的運動規律,即它們的位置隨時間變化的規律。十分明顯,如果知道了所有流體質點的運動規律,那麽整個流體運動的狀況也就清楚了。
將描寫運動的觀點和方法用數學式子表達出來,為此首先必須用某種數學方法區別不同的流體質點。通常利用初始時刻流體質點的坐標作為區分不同流體質點的標誌。設初始時刻t=t0時,流體質點的坐標是a,b,c,它可以是曲線坐標,也可以是直角坐標。
歐拉方法:歐拉方法不直接考慮個別流體質點如何運動,而是用場的觀點研究流體運動。它隻集中注意力於那些發生在空間給定點的流動情況;對於流體質點從什麽地方和如何在給定時刻達到這一點,經過這點以後又會運行到別的什麽地方和怎樣運行到那些地方的,這一切問題從歐拉方法觀點看來並不是基本的。這樣,歐拉方法是把空間某一固定點(x,y,z)的流體質點的速度當作時間的函數來研究的。
由於上式確定的速度函數是定義在空間點上的,它們是空間點坐標x,y,z的函數,所以研究的是場,如速度場等。因此采用歐拉觀點描述運動時,就可以利用場論的知識。
計算流體動力學是通過計算機數值計算和圖像顯示,對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的係統所做的分析。基本思想可以歸結為:把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場,如速度場和壓力場,用一係列有限個離散點上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立起關於這些離散點上場變量之間關係的代數方程組,然後求解代數方程組獲得場變量的近似值。可以看做是在流動基本方程(質量守恆方程、動量守恆方程、能量守恆方程)控製下對流動的數值模擬。
董趨說:“我認為,對於河流來說,可以這樣仿真。有這樣幾個步驟。”
“1.建立河流模型:使用流程仿真軟件建立河流的三維模型,包括河道、河床、水麵和周圍的環境等。可以使用建模工具創建河流模型,也可以從其他軟件中導入河流模型。2.定義水滴:定義水滴的質量、體積、密度和運動速度等參數,並將水滴放置在河流中。3.設置力場:設置河流中的各種力場,例如重力、慣性力、浮力和阻力等,以描述水滴在河流中受到的各種力的作用。4.運行仿真:運行流程仿真軟件,觀察水滴在河流中的運動狀態和受力情況。可以通過軟件中的可視化工具來顯示水滴的運動軌跡和受力情況。5.分析結果:根據仿真結果分析水滴在河流中的運動規律和特性,例如水滴的速度、加速度、流動路徑和停留時間等。可以進一步優化模型和力場,以提高仿真結果的準確性和可靠性。”
付爍說:“但是水的運行過程是很複雜的。怎麽考慮到所有的情況呢?”
展顧約想了想,說:“如果將水的全部循環過程都枚舉出來呢。”
水滴在地球上的循環過程包括蒸發、凝結、降水和地表徑流。
蒸發:太陽能照射到地球表麵上的水體如海洋、江河湖泊、水庫等,使水體表麵上的水分子轉變成氣態水蒸氣,從而進入大氣層。
凝結:水蒸氣在大氣層中上升後會遇到冷空氣,水蒸氣會迅速減少溫度而凝結成小水滴,形成雲塊。
降水:雲塊中的水滴不斷凝結、增大,當水滴變得足夠大時,就會落下降雨或降雪等形式的降水。部分降水會流入河流、湖泊、水庫等水體中。
地表徑流:部分降水會滲入地下,使土壤、岩石等形成地下水層,並滲出地麵稱為地表徑流,主要流入海洋。
以上過程構成了地球上水的循環,水在地球上形成了一個不斷轉化、不斷更新的生態循環係統。
董趨說:“我看你就是喜歡用笨辦法,枚舉法。”
付爍說:“那麽在這個基礎上,可以進一步完善方案。可以將水的各種運動模擬出來,然後測量,和模擬數值對比,然後修改模擬程序。”
展顧約說:“這些我們可以實際測量,然後利用計算網絡來試一試。”
董趨說:“但是最困難的是怎麽測量水滴的實際的狀態,包括流速,壓力,溫度等等。”
展顧約說:“我覺得宏觀的水的流量還是可以檢測的。”