11、流体建模：从理论到MATLAB实现

流体建模：从理论到MATLAB实现

1. 流体建模的重要性与类型

在众多环境科学领域中，流体是至关重要的研究对象。它是对流传输的载体，生物地球化学物质通过流体在不同环境区域和系统中传输。例如，放射性废物储存库的主要安全问题就与流体流动路径的识别密切相关。因为有害物质可能会通过地下水流到达地表，尽管这个过程可能需要数千年，但相较于其他过程而言，这已经是最快的方式了。所以，理解和模拟流体的流动路径和场非常重要。

流体在环境科学中有多种类型，不同的流体和通量存在于不同的环境中：
- 水圈 ：包括小溪、河流、湖泊、海洋等，水是主要的流动介质。含水层和水生沉积物的孔隙空间也属于水圈。
- 大气圈 ：空气是流动介质。
- 非饱和带 ：位于地表和地下水位之间，水和空气都是流体，但特性差异较大。
- 生物圈 ：例如植物根系吸收水分并传输到地上绿色部分，也存在流体流动。

根据流动介质和所在区域的不同，流体建模方法也有所不同。这里我们区分两种主要类型：
- 自由流体 ：流动介质占据整个空间。
- 多孔介质流 ：流体在固体材料的孔隙空间中流动，如含水层、水生沉积物或土壤中的渗流和气流。

2. 自由流体的Navier - Stokes方程

Navier - Stokes方程被广泛接受为描述自由流体流动的基本数学方法，适用于所有类型的自由流动，无论是层流还是湍流，在有界或无界区域