作物高度對(duì)溫室自然通風(fēng)影響的CFD分析

鄭茂軍，毛罕平

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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作物高度對(duì)溫室自然通風(fēng)影響的CFD分析

鄭茂軍，毛罕平

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能和技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。為此，基于CFD數(shù)值方法，在Venlo型溫室自然通風(fēng)條件下，對(duì)不同作物高度的室內(nèi)氣流和溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：不同作物高度對(duì)溫室自然通風(fēng)氣流速度變化影響顯著；室外風(fēng)速1.5m/s時(shí)，溫室高度1.2m處室內(nèi)氣流速度低于0.2m/s；作物高度對(duì)溫室內(nèi)沿跨度方向溫度階梯變化影響較大，作物高度越高，溫度階梯變化越明顯。最后，根據(jù)仿真得到不同作物高度自然通風(fēng)溫室1.2m高水平面的平均溫度，得出作物高度對(duì)自然通風(fēng)溫度的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：溫室；自然通風(fēng)；作物；CFD；溫度模型

0引言

Venlo型小屋面玻璃溫室起源于荷蘭，具有密封性好、透光率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為世界上使用地域最廣、數(shù)量最多的玻璃溫室形式[1]。自然通風(fēng)通過(guò)溫室側(cè)窗和天窗進(jìn)行通風(fēng)，由于其維護(hù)方便、不需消耗額外的能源，已經(jīng)成為溫室環(huán)境調(diào)控的首選方式。

溫室通風(fēng)的研究起初是通過(guò)示蹤氣體法[2]對(duì)溫室的通風(fēng)率進(jìn)行試驗(yàn)研究，但示蹤氣體法不能反映溫室內(nèi)的氣流和溫度的分布。隨著計(jì)算流體力學(xué)理論的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的提升，很多學(xué)者(Kacira、Fatnass等[3-6])開(kāi)始使用CFD對(duì)溫室自然通風(fēng)開(kāi)窗組合及有作物的自然通風(fēng)等進(jìn)行數(shù)值模擬。本課題組前期曾對(duì)Venlo型溫室自然通風(fēng)情形進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。程秀花[7-8](2009年)研究表明：室外風(fēng)向?qū)厥覂?nèi)氣流分布模式有明顯的影響；針對(duì)作物種植密度對(duì)溫室自然通風(fēng)氣流分布的影響進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，表明所建模型準(zhǔn)確反映了實(shí)際情況，建立的仿真模型溫度預(yù)測(cè)誤差率降低到6.8%。但是，都沒(méi)有對(duì)作物高度對(duì)自然通風(fēng)溫室溫度的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

本文以Venlo型兩連棟玻璃溫室為研究對(duì)象，采用天窗和側(cè)窗都開(kāi)啟的通風(fēng)組合，在室外風(fēng)速1.5m/s、保持其他邊界條件相同的情況下對(duì)不同作物高度的室內(nèi)氣流和溫度分布進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，旨在為Venlo型溫室作物不同時(shí)期的自然通風(fēng)調(diào)控提供一定的理論依據(jù)。

1自然通風(fēng)機(jī)理模型

對(duì)溫室作一定的簡(jiǎn)化，基于溫室內(nèi)質(zhì)量和能量守恒，建立Venlo型溫室自然通風(fēng)的溫度預(yù)測(cè)模型[9]，有

Qrad+Qc-Ql-Qleak-Qv-Qtran-Qs-Qsoil

(1)

其中，Qrad為太陽(yáng)輻射進(jìn)入溫室的能量(kJ)；Qc為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)能量(kJ)；Ql為長(zhǎng)波輻射散失的能量(kJ)；Qleak為溫室滲透散失的能量(kJ)；Qv為自然通風(fēng)散失的能量(kJ)；Qtran為作物蒸騰所需要的能量(kJ)；Qs為作物和空氣間的顯熱交換能量(kJ)；Qsoil為土壤傳熱散失的能量(kJ)。

自然通風(fēng)引起的能量變化Qv[10]為

(2)

(3)

其中，L為自然通風(fēng)下溫室的通風(fēng)量(m3/s)； S為溫室有效通風(fēng)窗的面積(m2)； Cd為流量系數(shù)；Cw為綜合風(fēng)壓系數(shù)； U為室外平均風(fēng)速(m/s)。

2CFD數(shù)值模擬

2.1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)可以看作是以流動(dòng)控制方程為基礎(chǔ)控制流動(dòng)的數(shù)值模擬，可得到流體在空間上的分布。溫室內(nèi)的空氣流動(dòng)多為低速流動(dòng)，流體溫度和密度變化不大，故可將溫室內(nèi)空氣看作不可壓縮流體[11]。國(guó)外學(xué)者研究均認(rèn)為：溫室內(nèi)的氣體流動(dòng)為定常流動(dòng)，對(duì)溫室內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行研究時(shí)，采用湍流模型進(jìn)行計(jì)算模擬是符合實(shí)際情況的[12]。有學(xué)者研究表明，在研究溫室內(nèi)作物的作用時(shí)可以將其作為多孔介質(zhì)來(lái)處理。本研究采用廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型求解氣體傳輸過(guò)程中的湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε，控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k(湍動(dòng)能)方程和ε(耗散率)方程。這些方程都可以表示成如下通用形式[13]，有

(4)

其中，φ為廣義變量；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；S為源項(xiàng)；u為x方向的速度(m/s)；v為y方向的速度(m/s)；w為z方向的速度(m/s)；ρ為密度(kg/m3)；t為時(shí)間(s)。

2.2幾何模型

本研究以江蘇大學(xué)試驗(yàn)基地內(nèi)的Venlo型玻璃溫室作為研究對(duì)象，溫室參數(shù)如表1所示。溫室的天溝為南北走向，覆蓋物為4 mm的浮法玻璃，透光率大于89%。

表1　溫室相關(guān)參數(shù)

使用Fluent前處理軟件Gambit進(jìn)行溫室三維幾何造型的建模，按照1:1的比例，以溫室東北角為零點(diǎn)，地面北邊位于X軸上，屋脊方向?yàn)閅軸，高度方向?yàn)閆軸，在Gambit中建立溫室區(qū)域的各關(guān)鍵點(diǎn)，采用“點(diǎn)—線—面—體”的方式建立溫室三維幾何模型。番茄作物區(qū)域用長(zhǎng)17.5m、寬0.9m、高1.8m的立方體表示，如圖1所示。

圖1　溫室三維幾何造型

2.3計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

由于自然通風(fēng)溫室通風(fēng)口處氣流流態(tài)比較復(fù)雜，僅把溫室室內(nèi)作為計(jì)算域，CFD 模擬的外界條件難以準(zhǔn)確給定。因此，有必要將溫室室內(nèi)空間連同其周?chē)囊徊糠质彝饪臻g一起作為 CFD 模擬的計(jì)算領(lǐng)域，才能對(duì)溫室通風(fēng)的過(guò)程進(jìn)行較準(zhǔn)確的研究。參照風(fēng)洞模型的試驗(yàn)[14]，試驗(yàn)要求模型所在流場(chǎng)中的阻塞度不大于5%。選取溫室尺寸的10倍(128m×20m×40m)作為計(jì)算域。本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，溫室通風(fēng)窗口處防蟲(chóng)網(wǎng)的氣流流動(dòng)狀況復(fù)雜，因此網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)對(duì)通風(fēng)窗口進(jìn)行加密處理。

2.4邊界條件

設(shè)定溫室側(cè)窗對(duì)應(yīng)的計(jì)算域?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口，自然流出為邊界；作物區(qū)域類(lèi)型設(shè)定為流體多孔介質(zhì)；采用DO輻射模型計(jì)算溫室外太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)微環(huán)境的影響。

2.5初始化及計(jì)算方法

以課題組在2008年7月27日試驗(yàn)溫室中實(shí)測(cè)的室內(nèi)外溫度、太陽(yáng)輻射的平均值[8]為數(shù)值模擬計(jì)算的初始值，室外風(fēng)速為1.5m/s。能量、動(dòng)量方程的求解采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散化處理，壓力-速度耦合方程的求解采用SIMPLEC半隱式算法求解，應(yīng)用分離式求解器對(duì)各守恒方程進(jìn)行3D穩(wěn)態(tài)數(shù)值求解。

2.6CFD模型驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)作物高度1.8 m的Venlo型玻璃溫室自然通風(fēng)進(jìn)行CFD仿真，得到溫室內(nèi)1.2m高的水平面平均溫度為33.7℃；課題組在2008年7月27日測(cè)得室內(nèi)平均溫度為34℃，相差0.3℃，模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好。因此，所建立的CFD自然通風(fēng)模型模擬結(jié)果可靠。

3不同作物高度仿真結(jié)果與分析

3.1不同作物高度溫室內(nèi)氣流速度空間分布

相同邊界條件下，對(duì)作物高度分別為0.5、1.0、1.5、2.0m 4種情形，室外風(fēng)向垂直于屋脊的自然通風(fēng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。

作物高度分別為0.5m和1.5m，沿屋脊方向(Y=4m、Y=10m和Y=16m)的溫室截面氣流流動(dòng)如圖2所示。Y=4m截面處為西向開(kāi)啟天窗，Y=10m截面處無(wú)天窗，Y=16m截面處為東向開(kāi)啟天窗。由圖2可以看出：室外自然風(fēng)作用于溫室后，從側(cè)窗進(jìn)入溫室，經(jīng)過(guò)溫室內(nèi)質(zhì)熱交換主要從東向天窗流出，由于氣流的卷吸作用，在靠近側(cè)窗處形成大小不等的渦；靠近側(cè)窗處的天窗氣流流動(dòng)速度較快，遠(yuǎn)離側(cè)窗的天窗氣流流動(dòng)速度較慢。比較圖2(a)和圖2(b)發(fā)現(xiàn)：作物高度對(duì)氣流流動(dòng)分布的影響明顯。由于側(cè)窗高度為0.7m，由圖2(a)可以看出，高度為0.5m的作物對(duì)室內(nèi)氣流分布的影響很??；圖2(b)可以看出，高度為1.5m的作物對(duì)室內(nèi)氣流分布影響明顯。氣流進(jìn)入溫室后主要沿著冠層表面流動(dòng)，在不同栽培槽之間形成渦，越靠近側(cè)窗，渦越明顯；作物外側(cè)有氣流流動(dòng)，作物中間氣流速度很小。

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1.5m

圖3為溫室高度1.2m，沿溫室跨度方向的氣流速度變化。4條曲線分別為作物高度0.5、1.0、1.5、2.0m室內(nèi)氣流速度的變化。由圖3可以看出：靠近側(cè)窗處的氣流流速較快，室內(nèi)1.2m高的位置氣流速度都在0.2m/s以下。高度為0.5m和1.0m的作物對(duì)該位置氣流速度影響不大，其中高度為0.5m的作物在跨度9m附近氣流流速較高是因?yàn)闅饬骶砦饔?，在該處形成渦，導(dǎo)致氣流速度較快。高度為1.5m和2.0m的作物對(duì)室內(nèi)氣流速度影響明顯，速度變化曲線基本一致，由于作物位置的影響，在X=3、5、7、9、11m處氣流速度接近于0。

圖3　沿溫室跨度方向氣流速度變化圖(Z=1.2m)

3.2不同作物高度溫室內(nèi)溫度空間分布

圖4所示為作物高度為0.5m和1.5m，沿屋脊方向(Y=4m、Y=10m和Y=16m)溫室截面的溫度場(chǎng)分布。

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1.5m

由圖4可知，靠近側(cè)窗處的溫度較低，遠(yuǎn)離側(cè)窗處的溫度較高，作物根部溫度較高。沿屋脊方向，Y=16m處(東向側(cè)窗)的溫度階梯變化較小，Y=10m處(無(wú)天窗)的溫度階梯變化較大。由圖4(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)：作物高度不同對(duì)自然通風(fēng)的溫度場(chǎng)的影響明顯，作物高度越高，遠(yuǎn)離側(cè)窗的位置溫度越高。

4模型修正

4.1自然通風(fēng)模型修正

通過(guò)對(duì)不同作物高度，自然通風(fēng)溫室內(nèi)溫度的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，作物高度對(duì)自然通風(fēng)引起的能量變化有顯著影響。自然通風(fēng)引起的能量變化模型中考慮了通風(fēng)窗的面積、開(kāi)啟角度及溫室結(jié)構(gòu)等影響因素；但模型中并未包含溫室內(nèi)作物對(duì)自然通風(fēng)的影響，故應(yīng)對(duì)自然通風(fēng)模型進(jìn)行修正。添加作物高度影響系數(shù)kch，修正后的自然通風(fēng)模型為

(5)

4.2曲線擬合

選取通風(fēng)窗口中心高度1.2m為室內(nèi)溫度參考平面，對(duì)各作物高度自然通風(fēng)下該平面的平均溫度進(jìn)行CFD模擬，得出Tch=0.5、Tch=1.0、Tch=1.5和Tch=2.0分別為33.96、34.56、34.62、34.66℃。試驗(yàn)溫室外溫度為31.9℃，太陽(yáng)輻射為11.8klux。代入式(1)中計(jì)算得到作物對(duì)通風(fēng)影響系數(shù)kch=0.5為0.97、kch=1.0為0.91、kch=1.5為0.87、kch=2.0為0.86。作物高度為0時(shí)，作物高度對(duì)自然通風(fēng)引起的能量變化無(wú)影響，即kch=0為1。使用MatLab曲線擬合工具箱進(jìn)行曲線擬合，表2為3種曲線擬合相關(guān)系數(shù)，四階多項(xiàng)式擬合相關(guān)系數(shù)為0.999 3，故選用四階多項(xiàng)式進(jìn)行曲線擬合。

表2　各擬合曲線相關(guān)系數(shù)

擬合得到曲線函數(shù)為

kch=-0.026 67x4+0.146 7x3-0.233 3x2+0.023 33x+1

(6)

其中，x為作物高度。

5結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)不同作物高度自然通風(fēng)進(jìn)行CFD仿真，得出作物高度對(duì)自然通風(fēng)溫室內(nèi)氣流分布影響明顯，以溫室高1.2m為室內(nèi)氣流變化參考面，1.2m處氣流速度較低，小于0.2m/s。作物高度低于參考面時(shí)對(duì)氣流分布影響較小，作物高度高于參考面時(shí)對(duì)氣流分布影響較大。作物栽培槽之間氣流速度較大，作物所在區(qū)域氣流速度較小。

2)作物高度不同時(shí)對(duì)溫室內(nèi)溫室隨跨度方向階梯變化影響較大，作物高度越高，溫度階梯變化越大。作物所在區(qū)域中間部分的溫度比作物兩側(cè)的溫度較高。

3)對(duì)不同作物高度自然通風(fēng)平均溫度的CFD仿真，通過(guò)Venlo型溫室溫度預(yù)測(cè)模型得出作物高度影響系數(shù)，擬合得到作物高度對(duì)自然通風(fēng)引起能量變化的函數(shù)關(guān)系。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0020-EA

CFD Analysis about Effect of Plant Height on Natural Ventilation in Greenhouse

Zheng Maojun,Mao Hanping

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology,Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China)

Abstract：In recent years, with the improvement of computer performance and technology,computational fluid dynamics method has been widely used in facility agriculture.The paper study the distribution of air flow and temperature under different height of crop in a naturally ventilated Venlo greenhouse with computational fluid dynamics method.The results for the natural ventilation show the significant effects of different crop height on air flow velocity in greenhouse.The air velocity at the height of 1.2m in the greenhouse is less than 0.2m/s while the outdoor wind speed at 1.5m/s.Crop height had a greater influence on the temperature variation along the span direction in the greenhouse.The higher crop height grows, the more obvious temperature change.The average temperature at the level of 1.2m was obtained by the simulation, the influence rule was obtained in crop height for the temperature on the natural ventilation.

Key words：greenhouse； natural ventilation； crop； CFD； temperature model

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0020-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S625.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：鄭茂軍(1987-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，(E-mail)zhengmaojun811@163.com。通訊作者：毛罕平(1961-)，男，浙江寧波人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)maohp@ujs.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (61233006)；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B03)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦[2014]37號(hào))

收稿日期：2015-04-08