Table of Contents
הקדמה ל-CDCD ל- Agricultural Windbreaks
שעוני הרוח - לינאריות של עצים, שיחים או מבנים מלאכותיים - שימשו זמן רב כדי להגן על היבולים מפני נזק רוח ולשנות מיקרו-מיליטר שדה. אינטראקציה אווירודינמית בין שבירה רוח ורוח הסובבת יוצרת אזור מוגן שבו מהירות רוח, ערבוב סוערת של תאים ספציפיים, והחלפת לחות משתנה.
יסודות של Windbreak Aerodynamics
כיצד רוח זורעת אלטר אוויר
כאשר הרוח השוררת נתקלה בשבר רוח, חלק מהזרם מולץ מעל המחסום, חלק מושעה סביב הקצוות שלה, וחלק חודר דרך המחסום (במיוחד עבור שפורצים רוח כמו עצים או גדרות מרשמים) דפוס זרימת האוויר וכתוצאה מכך הוא מצמצם במהירות רוחית ממוצעת בצד היבש, המשתרעת על פני כמה פעמים גובה שבירה הרוח (H) הפחתה משולבת, בשילוב עם נפיחות, ואפקטים של חום, עלולים, ואפקטים, ממזג אוויריים, ממזגים, עלולים, ממזגים, ממזגים, ומשתנים, ומשתנים, ממזגים, ממזגים, ממזגים, ממזגים, ממזגים, ממזגים, ממזגים, ממזגים, עלולים, ממזגים, ממרחקים, ממרחקים, ממזגים, ממרחקים, ממזגים, ומשתנים, ממרחקים, ממזגים, ממזגים, ומשתנים, ממרחקים, ממרחקים, ממרחקים, עלולים, ממרחקים, ומשתנים, ממרחקים, ממרחקים, ממרחקים, ממרחקים, ממרחקים, מעצימים, ממרחקים, מעצימותקים, ומשתנים
מושג אזור המקלט וצמצום מהירות הרוח
האזור המחוספס מטה הרוח של שבירת רוח מאופיין על ידי אזור שבו מהירות הרוח היא פחות מ 50-60% של מהירות הרוח הלא מופרעת.האורך והצורה של אזור זה תלוי בעיקר על רוח שבירה, גובה, וחוספס רוח גבוה יותר (לדוגמא בינונית-פוכות) של גלידת רוח בינונית (פוחיות סביב 40–50%), ההפחתה מקסימלית מתרחשת בסביבות 2-5 למטה, וניתן גם לקצר את אפקט ההגנה על ידי אטמוספירה (R) כדי לקצר את ה- 15-) כדי להפחתה מהירה יותר.
תופעות לוואי ואפקטים מתעוררים
Windbreaks לייצר אזור מתעורר המסומן על ידי אינטנסיביות סוערת מוגברת. alevated זעזוע יכול לשפר את תערובת של חום ולחות ליד היבול, לפעמים מקלקל את היתרון של מהירות רוח נמוכה יותר. באקליםריד, תערובת מוגזמת עלולה להגביר את התערובת של הביקוש הטבולי ואת הלחץ מים היבולי שלה.
קביעת סימפוזיון CFD ב- ANSYS Fluent
יצירת גאומטריה וגודל דומיין
התחום החישובי צריך להרחיב מספיק גבוה (בדרך כלל 5-10 H) ולמטה (50- H) כדי להימנע מהתערבות מהגבולות פנימה והיציאה.הרוחות שבירת עצמה מיוצגת כאזור דק או כמבנה מוצק מפורש בהתאם לנקבוביות שלה.עבור שריון רוח עץ, התותחים לעתים קרובות מתודגם כמדיום ⁇ עם פרופיל גרורתי ונקבוביות מוגדרות, אשר ניתן להשתמש ב-Aptedtortortortortortortortortortototortortos.
תנאים
מצב גבול מהירות עם פרופיל רוח לוגיסטי (מבוסס על מגוחות על פני השטח) הוא בדרך כלל מיושם.היציאה נקבעת כלחץ החוצה (לחץ יחסי = 0) הגבולות העליון והצדדים יכולים להיות מטוסים סימטריה או קירות עם תנאים חלקים, להבטיח שהתחום מופעל מספיק גדול כי גבולות אלה אינם משפיעים על זרימת השמש ליד מפרק הרוח.
אסטרטגיות לדיפלומטיה וכלכלה
מאפר באיכות גבוהה חיוני ללכידת ⁇ s מהירות וזעזועים ליד משב רוח ויבול קנופי.זה מומלץ להשתמש מרשה hexahedral מובנה בתחום הרחוק ו unstructured או פוליhedral mesh ליד ספירות גיאומטריות מורכבות (שכבות) מתווספים באדמה ומשטחי רוח לפתרון מול שכבת הרוח האופיינית ל-5% (בסביבות 2Dir) על ידי מודלים של תאים נמוכים יותר מ- 2Druptird).
בחירת מודל שבץ
המודל הסטנדרטי של k ⁇ עם טיפול קיר משופר משמש לעתים קרובות עבור האינטנסיביות שלה ועלות חישובית נמוכה יחסית, למרות שזה עשוי over-predict turbulent ערבוב להתעורר.מודל k ⁇ SST מספק דיוק משופר עבור זרמים נפרדים ודימום לחץ שלילי והוא בחירה נפוצה עבור סימולציות רוח. עבור מחקר הדורש סימולציה transient, גדול בקנה מידה גדול, edd, DD או s (ד) מאחורי בדיקות רוח גבוהה יותר, אבל הוא כבר סלקציה על ידי s.
מודלים של Crops ו Canopy
היבול עצמו יכול להיות מטופלים כמדיום ⁇ או כגורם גס נוסף. עבור יבול אחיד, הנגר יכול להיות מיושם באמצעות מונח מקור במשוואות המומנטום, עם גרור coefficient (Cd) ו צפיפות שטח על שטח (LAD) המבוסס על סוג היבול ואת שלב הצמיחה. טמפרטורה ודלקת מים מן היבול משולבים באמצעות מין ומקור אנרגיה, קישור פיזיולוגיה (LAD) לאזור היבול, עמידות מיקרו-קומית) לאינדקס.
הגדרות Solver ו- Convergence Criteria
ההפיכה בלחץ מטופלת עם ה- SIMPLE או מזחלת יחד.עבור זרמי מבוהלים (למשל, בתנאים יציבים של הלילה), את השלד לחץ במשקל הגוף מומלץ. Convergence נשפט על ידי ניטור שאריות (לדוגמה, 1×104 עבור המשכיות, 1×105 לאנרגיה) ולהבטיח כי הם משולבים כמו נפח ממוצע של טמפרטורה.
סימלציה של השפעות מיקרוקליות: טמפרטורה ואלימות
אנרגיה ומינים תחבורה
כדי לדמות כיצד רוח שוברת משנה את המיקרוקליד המקומי, משוואה האנרגיה ומשוואה תחבורה מינים (לריכוז מים פנוי) יש לפתור יחד עם שדה זרימה. משטח הקרקע ו Canopy היבול מוקצים מקורות חום ולחות מתאימים המבוססים על קרינה נטו, חום חום חום פלוקס, ומודלים evatranspiration. an anSYSent מאפשר פונקציות מוגדרות למשתמש (UD) לשלב את תנאי Pen-Oth-FA, בתנאי ® , או ®.
קרינה מודל
מודל הקרינה הסולארית בחליל כולל מרכיבים ישירים ומקובעים, עם אפקטים מתפתלים וצללים של משב הרוח. Albedo וערכי השליחות לקרקע, יבול וחומרי שבירה רוח מוגדרים. אטמורציה של קרינה דרך הקנופיה (באמצעות חוק הבירה) ניתן ליישם באמצעות מודל קרינה תקין של UDFs הוא קריטי כי התפרצויות הרוח משנה את הרשת במאזן הגיוני, המשפיע על פני השטח היבולים וחום מאוחר.
שכנוע וסויל-פתן-Atmosphere Continuum
תחבורה מים פנויה מן היבול canopy הוא מודלed או כמו משטח אחיד פלוקס או דרך מודל רב שכבתי מפורט יותר כי מחיצות evapotranspiration בין evaporation אדמה ו transpiration צמחי.השבור הרוח משנה את הגירעון בלחץ vapor ליד העלים על ידי צמצום מהירות רוח וטמפרטורת האוויר, אשר בתורם משפיע על התנהגות סטומטית.
ניתוח תוצאות סימבול
Velocity Contours ו- Vector Fields
עיבוד פוסט ב- ANSYSent (או CFD-Post) מגלה את היקף האזור המחוסן.קונטור מגרשים של גודל מהירות ממוצע להראות את האזור בצורת רצף האופייני של מהירות רוח נמוכה מטה הרוח. Vector מבסס את אזור השיקום מיד מאחורי שבירת רוח צפופה וההחלמה הדרגתית של מהירות קדימה למטה.
לחץ ועינויים
ירידה בלחץ על פני משב רוח היא מדד ישיר של צינור האנרגיה הקינטית של גרור. Turbulence, מסייע לזהות אזורים של ערבוב גבוה.לדוגמה, שבירה רוח עם פורוזיות נמוכה (גרור גבוה) עלולה לייצר שכבת זאר חזקה בחלק העליון של המחסום, יצירת התעוררות סוערת המשתרעת הרבה למטה.
טמפרטורה וחיפושיות
סיורים של טמפרטורה אווירית ולחות ספציפיות בגובה היבול מספקים תובנה ישירה של שינוי מיקרו-קלידי.בסימולציות רבות, אזור מוגן מציג טמפרטורות גבוהות יותר בשעות היום (בשל קירור מצטבר מופחת) ולחות גבוהה יותר (בשל צמצום נפיחות במים סוערים החלפת ריצוף) שינויים אלה יכולים להיות מועילים באקלים קריר (התחילת העונה הגוברת) או מזיקה באקלים חם (הפחתת לחץ דם יכול להיות עם השפעות פוטנציאליות).
צמצום ההשפעה של Crop Yield באמצעות Microclimate Parameters
בעוד CFD אינו מדמה ישירות פיזיולוגיה של היבול, נגזר משתנה מיקרו-קלידיים - כגון מהירות רוח ממוצעת, טמפרטורה וגירעון לחץ ריק - יכול להיות קלט לתוך מודלים יבוליים או מבוסס תהליך. לדוגמה, ירידה במהירות רוח מפחיתה נזק מכני וסיכון לינה, בעוד לחות מוגברת יכול להפחית את הנשימה ולשפר את יעילות השימוש במים.
המונחים: Field Measurements
מחקרים CFD Credible חייבים להיות מאומתים נגד נתונים ניסיוניים.מדד אימות כללי כוללים פרופילים מהירות רוח נמדד עם anemometers sonic במרחקים רבים של ירידה במשקל, כמו גם טמפרטורת האוויר ונתוני לחות מתחנות מזג אוויר אוטומטיות. הסכמה טובה בין פרופילים מדומים וממדדים (RMSE < 10% של ירידה מהירה מקסימלית) היא יעילה כאשר תנאי הפרפר רוח ומטאורולוגיים הם מאופיין במדויק.
מחקרים ויישומים מעשיים
Windbreaks in Arid and Semi-Arid Zones
ביבשות, שחיקה רוח ומתח מים הם מגבלות עיקריות.CD מחקרים בסהל והמישורים הגדולים הראו כי שברי רוח עם נקבוביות של 40–50% יכולים להפחית את מהירות הרוח ב -40-60% על פני מרחק של 10 H, ירידה בשחיקת הקרקע ואובדן מים evaporative. Simulations גם מצביעה על כך ששילוב של שברי רוח עם שימור או שימור משפר עוד יותר את רמת לחות:0DFD.
אפשרויות לHoticultural Crops
בהנדסת שיער גבוהה (למשל, כרמים, מטעים), פריצים רוח משמשים כדי להפחית את הנזק הפירות ולשפר את הכיסוי הזיוף. סימולציות CFD יכול לחזות כיצד שפורצים רוח משפיעים על מגמת הגדלים על ידי שינוי דפוסי זרימת האוויר. A מחקר על ידי FLT:0endalew et al.) LT 1LT 1 השתמש בשפעת כדי לדמות ממטרד רוח מפורצת כרמים מלאכותיים.
השוואת חומרים שונים של Windbreak
טבעי (עץ) וסגולות (msh, פלסטיק) יש תכונות אווירודינמיקה ורמימיות תרמיות.CDCD מאפשר השוואה ישירה: עץ ⁇ יכול לספק ירידה הדרגתית רוח לייצר פחות זעזוע מאשר גדר מוצק, בעוד גדר מוצקה גורמת לאזור רפוי חזק שעשוי לגרום לגלישה אווירית קרת על לילות רגועים.
מגבלות ואתגרים של סימונים של CFD עבור Windbreaks
עלויות פיצויים וסימולציות
סימולציות של שדה מלא עם מספר רב של רוחות עשוי לדרוש אלפי שעות ליבה וזיכרון מעבר ליכולות הפעלה אופייניות. רוב המחקרים המעשיים מסתמכים על דגמי RANS, אשר עשויים להוציא לשפוך טורנטקס חלקה המשפיע על המיקרוקליבי הקרוב.בנוסף, ההנחה של יציבות אטמוסאלית היא מודלים נפוצים, יציבים או בלתי יציבים באופן משמעותי, באמצעות סימולציה עתידית, צריך לשלב סימולציה מתקדמת.
חוסר ודאות ב-Input Parameters
Windbreak porosity, עלות צפיפות שטח, וגרור coefficient הם לעתים קרובות מוערך ערכי ספרות, אבל ערכים בפועל משתנים עם מינים, העונה, וניהול. ניתוח רגישות של SCTD הראה כי 10% שינוי ב porosity יכול לשנות את היקף הרוח של האזור מוגן עד 2 H. , ריצוף שדה של פרמטרים אלה באמצעות מנהרות רוח או לידר יכול להפחית את אי הוודאות.
מיפוי מניסים לשדה אמיתי
רוב הסימולציות CFD מודל של חלק דו-ממדי או קטן תלת-ממדי של השדה.שדות אמיתיים יש גבולות לא סדירים, טופוגרפיה, ופורצים רוח לא אחידים. Edge אפקטים ורכיבי רוח מאוחרים יכולים לשלוט בדפוסי זרימה לא נתפסים בדומיינים תקופתיים או סימטריה. תוצאות אקסטרפולציה דורשות זהירות ובאופן אידיאלי ההרכב של סימולציות המכסות כיוונים רוח טיפוסיים ומהירויות.
כיוונים עתידיים ואינטגרציה עם החקלאות
Coupling CFD עם Crop growth Models
הפיכה ישירה של פלט CFD זמן-התבואה עם מודלים יבול דינמי (למשל, באמצעות שכפול משותף) מתפתח ככלי רב עוצמה.לדוגמה, שדות מיקרו-קלידיים יומיים של פלורנט ניתן לעבור לסימולטור גידול כמו STICS או APSIM כדי להניב מפות. גישה זו מאפשרת אופטימיזציה של עיצוב רוח עבור מגוון מסוים של יבול ואתר, מעבר לפיזור empical.
שימוש ב- Machine Learning for Design Optimization
סימולציות CFD לייצר נתונים גדולים שניתן להשתמש בהם כדי להכשיר מודלים חלופיים (רשתות נוירולוגיות או תהליכים Gaussian) עבור אופטימיזציה עיצוב בזמן אמת. מעצב שבירה רוח יכול לציין סוג יבול, אקלים רוח, מהירות רוח מקסימלית, ואת המודל הפונדקאית מחזיר מיד את הנפיחות אופטימלית, גובה, ו ספיגה.זה יפחית באופן דרסטי את מספר ה-CDCD יקר הנדרש לתמיכה בקנה מידה.
מעקב בזמן אמת ופריחה רוח הסתגלות
התקדמות ב-IoT וחקלאות חכמה פותחה את האפשרות של פריחת רוח הסתגלותית – למשל, גדרות ⁇ ⁇ שניתן לשנותן בהתבסס על מהירות רוח בזמן אמת ותנאי היבול.סימולציה CFD יכול להודיע לאלגוריתם הבקרה על ידי חישוב ההשפעה המיקרוקלית של תצורה שונה, המאפשרת מערכת כישרונות סגורה שמתאים באופן דינמי את אפקט המקלט.
מסקנה
סימולציות CFD באמצעות ANSYS Fluent מספקות מסגרת קפדנית, כמותית להבנה וקידוד ההשפעה של שברי רוח על היבול ומיקרו-קליד. מעקרונות אווירודינמיים בסיסיים ועד לתחבורה של תכונות אנרגיה, המתודולוגיה מאפשרת לחוקרים ולמהנדסים חקלאיים לאמת תרחישי תכנון שיחליפו באופן משמעותי בתנאי אקלים יציב או יקר לתחום.