栽有作物的圓拱型連棟溫室強(qiáng)制通風(fēng)氣流場(chǎng)模擬

毛羽西，毛罕平

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

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栽有作物的圓拱型連棟溫室強(qiáng)制通風(fēng)氣流場(chǎng)模擬

毛羽西，毛罕平

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

摘要：為了研究連棟塑料溫室在強(qiáng)制通風(fēng)情況下內(nèi)部風(fēng)速場(chǎng)，采用流體力學(xué)分析軟件Fluent軟件建立圓拱型連棟塑料溫室強(qiáng)制通風(fēng)模型加以分析。溫室內(nèi)栽種作物以番茄為例，研究了作物高度為0.5、1、1.5、1.8m條件下溫室內(nèi)部的氣流分布情況。數(shù)值模擬結(jié)果表明：作物對(duì)強(qiáng)制通風(fēng)情況下溫室內(nèi)流場(chǎng)有較大影響，作物區(qū)域空氣流速變化平緩，作物上部風(fēng)速迅速增加；由于作物明顯阻礙氣流運(yùn)動(dòng)，不同作物高度的溫室內(nèi)氣流分布存在較大差別。

關(guān)鍵詞：連棟塑料溫室；fluent；氣流場(chǎng)模擬

0引言

溫室內(nèi)部氣流速度適宜可改善溫室內(nèi)部的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境條件，還可以促進(jìn)作物的光合、呼吸和蒸騰作用，是溫室環(huán)境調(diào)控的重要內(nèi)容。強(qiáng)制通風(fēng)是夏季常用的調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部氣流的方式之一，通過風(fēng)機(jī)抽風(fēng)在溫室內(nèi)形成負(fù)壓，強(qiáng)制溫室外新鮮空氣通過濕簾進(jìn)入溫室，起到調(diào)節(jié)作用。因此，研究強(qiáng)制通風(fēng)下溫室內(nèi)部風(fēng)速場(chǎng)有重要意義。溫室內(nèi)部栽培的作物無疑對(duì)溫室內(nèi)部風(fēng)速分布產(chǎn)生重要影響，然而目前關(guān)于此內(nèi)容的研究相對(duì)缺乏。本文將著重研究栽有不同高度作物的圓拱型溫室強(qiáng)制通風(fēng)條件下的氣流場(chǎng)。

CFD通過各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)相關(guān)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，在20世紀(jì)90年代左右被用于溫室環(huán)境相關(guān)研究中[1]。目前，CFD模型的平均誤差在30%左右，而由于溫室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此CFD方法用于溫室環(huán)境模擬的結(jié)果較為理想，一般誤差在13.5%左右[2]。

本文針對(duì)常見的圓拱型連棟塑料溫室，利用CFD技術(shù)建立溫室三維模型，模擬強(qiáng)制通風(fēng)情況下溫室內(nèi)部的氣流分布規(guī)律，并研究不同作物高度的影響，為溫室環(huán)境控制管理與溫室設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1溫室CFD建模

溫室位于北緯39.9°，東經(jīng)116.3°；屋脊南北走向，跨度為8m，連跨數(shù)3，總跨度24m；開間3m，開間數(shù)為6，總長(zhǎng)18m；溫室肩高3m，頂高4.9m。溫室頂部覆蓋雙層充氣薄膜，南墻為PC板，裝有6臺(tái)風(fēng)機(jī)，北墻裝有濕簾，濕簾高1.2m。

在Gambit建模中，以y軸作為豎直方向，x軸指向東方，z軸指向南方，原點(diǎn)位于溫室西北角地面，模型與真實(shí)溫室比例為1∶1，采用六面體代替每槽番茄。

2數(shù)值模擬

2.1計(jì)算域選擇與網(wǎng)格劃分

在模擬溫室強(qiáng)制通風(fēng)情況，通常采用整個(gè)溫室作為計(jì)算域[3]，本文也選取整個(gè)溫室作為計(jì)算域。

溫室主體網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以TGird方式劃分，對(duì)濕簾風(fēng)機(jī)處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理；作物采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以Map方式劃分。根據(jù)Equip Angle Skew質(zhì)量控制法，4種作物高度模型的QEAS在0～0.5之間的比例分別為90.83%、90.91%、88.97%、90.91%，網(wǎng)格劃分有效，計(jì)算結(jié)果可靠。

2.2邊界條件與初始環(huán)境

課題組前期研究中，模擬強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)定濕簾入口速度邊界條件，風(fēng)機(jī)為outflow，模擬結(jié)果較好[4]。本文采用同樣設(shè)置。溫室頂、四周與地面設(shè)置為wall，屋頂與南墻熱邊界條件為Heat flux，北墻與東西墻為對(duì)流換熱。太陽輻射采用DO輻射模型，以Solar Calculator根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算。

番茄設(shè)置為多孔介質(zhì)，動(dòng)量源項(xiàng)與番茄冠層特征及溫室內(nèi)空氣流速的關(guān)系為

其中，K為多孔介質(zhì)滲透率，對(duì)于番茄一般可以取0.395m2計(jì)算[5]；Cf代表非線性動(dòng)量損失因子，可取0.4[6]；LAI為葉面積指數(shù)；CD是作物冠層阻力系數(shù)，根據(jù)風(fēng)洞測(cè)試，成熟的番茄取0.32[7]。

初始環(huán)境根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定[8]，土壤溫度為24.79℃，溫室外太陽輻射強(qiáng)度837.3W/ m2，溫室濕簾入口處平均風(fēng)速為1.24m/s，風(fēng)機(jī)口平均風(fēng)速為3.02m/s。

2.3CFD模型驗(yàn)證

試驗(yàn)數(shù)據(jù)由陳忠購(gòu)于2003年7月19日測(cè)得[8]，共布置39個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量溫室內(nèi)氣流場(chǎng)。模擬結(jié)果與溫室實(shí)測(cè)結(jié)果比較：沿z軸方向各面平均風(fēng)速的平均相對(duì)誤差為12.3%，最大相對(duì)誤差為18.4；沿x軸方向各面平均風(fēng)速平均誤差為13.4%，最大相對(duì)誤差為19.4%，如圖1和圖2所示。模擬值于實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)均一致，誤差在允許范圍內(nèi)，表明本研究中所建立的CFD模型可正確反應(yīng)圓拱型連棟塑料溫室內(nèi)氣流分布，因此將以此模型分析溫室中氣流分布情況。

3結(jié)果與分析

圖3中3個(gè)截面的x坐標(biāo)分別為2、12、19m。其中，x=2m處截面下部有番茄，該截面通過風(fēng)機(jī)中心位置；x=12m處截面處于整個(gè)溫室正中，下部有番茄，處于兩臺(tái)風(fēng)機(jī)中間，不通過風(fēng)機(jī)；x=19m截面下部無作物，不通過風(fēng)機(jī)。

圖1　沿z軸方向平均風(fēng)速變化

圖2　沿x軸方向平均風(fēng)速變化

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1m

(c)　作物高度1.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(d)　作物高度1.8m

圖3中可以看出：濕簾上方出現(xiàn)明顯回旋，而隨著作物高度上升，進(jìn)入溫室的空氣向上爬升坡度變陡，導(dǎo)致回旋變小。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處形成“射流”，風(fēng)速最大。溫室底部作物區(qū)內(nèi)風(fēng)速很小。溫室中部風(fēng)速變化較緩和，分布均勻，有利于作物生長(zhǎng)。

圖4中3個(gè)截面為圖3同截面。由圖4可以看出：風(fēng)速在垂直方向的變化，風(fēng)速在作物區(qū)較低，高于作物后風(fēng)速隨高度增加而升高，在靠近溫室頂時(shí)風(fēng)速迅速減小。在溫室屋脊方向，風(fēng)速?gòu)臐窈煹綔厥覂?nèi)部逐步降低。當(dāng)溫室內(nèi)作物高度較低時(shí)，這一變化較為緩和；當(dāng)作物高度較高時(shí)，氣流被作物阻擋明顯，氣流較為紊亂。風(fēng)機(jī)口風(fēng)速呈球形放射狀向外遞減，變化劇烈。

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

由圖5可看出：作物內(nèi)部風(fēng)速很低，低于0.1m/s，而作物邊緣部分風(fēng)速略高，約為0.1～0.2m/s；受兩側(cè)作物影響，溫室中部作物之間的風(fēng)速也較低。由圖5(b)可以看出：在高度略高于作物處，風(fēng)速也受到作物影響，作物正上方處風(fēng)速比周圍減少約0.1m/s。

(a)　高度0.5m處　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　高度2m處

圖6中截面z軸坐標(biāo)分別為3、9、17m。由圖6(b)中可看出：當(dāng)作物高度較高時(shí)，z=3m截面距離濕簾較近，作物對(duì)風(fēng)速的阻礙作用明顯，沿x軸方向風(fēng)速變化顯著；z=9m處截面位于溫室中部，作物之間的風(fēng)速已經(jīng)較小，低于0.2m/s；截面3靠近風(fēng)機(jī)，由于風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，風(fēng)機(jī)附近風(fēng)速迅速增加，只有距離風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的幾槽作物對(duì)風(fēng)速影響明顯。當(dāng)作物高度較低時(shí)，作物對(duì)風(fēng)速的阻礙并不明顯，風(fēng)速沿x軸方向分布均勻。

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1.8m

圖7為高度為0～3m內(nèi)風(fēng)速隨高度變化規(guī)律。貼近地面處不在氣流入口正前方，并且存在作物阻礙，風(fēng)速較低，約為0.23m/s。高度低于作物高度時(shí)，風(fēng)速隨高度增長(zhǎng)緩慢上升，在高于作物后風(fēng)速迅速增加。作物高0.5m時(shí)，作物對(duì)氣流的阻礙十分有限，風(fēng)速在濕簾—風(fēng)機(jī)中心高度1.2m處取得最大值。而作物高度為1m時(shí)氣流被迫抬升，風(fēng)速最大值位置高于1.2m。對(duì)于作物高度取1.5m和1.8m的情況，大量空氣從拱頂通過，導(dǎo)致風(fēng)速最大值點(diǎn)高于天溝，接近拱頂?shù)奈恢谩?/p>

圖7　風(fēng)速沿豎直方向變化規(guī)律

4結(jié)論

1)作物對(duì)強(qiáng)制通風(fēng)情況下溫室內(nèi)部氣流分布影響明顯，作物區(qū)域及附近的風(fēng)速較低。溫室內(nèi)部存在濕簾風(fēng)機(jī)兩邊風(fēng)速高，而內(nèi)部風(fēng)速較低的情況。溫室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到此影響，可采用環(huán)流風(fēng)機(jī)等機(jī)構(gòu)確保溫室內(nèi)風(fēng)速分布均勻。

2)不同高度作物對(duì)溫室內(nèi)氣流場(chǎng)影響不同，作物高度低時(shí)影響較小，溫室內(nèi)氣流分布與空溫室接近；而作物高度較高時(shí)，作物區(qū)的風(fēng)速較低，導(dǎo)致作物區(qū)域無法得到良好的通風(fēng)效果。在夏季采用強(qiáng)制通風(fēng)降溫時(shí)需考慮作物影響，在作物高度較高時(shí)增加通風(fēng)量。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0028-EA

CFD Simulations of Airflow Distributions Inside Arched Multi-span Greenhouse with Crops

Mao Yuxi, Mao Hanping

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

Abstract：In order to analyses the airflow field in greenhouse, using the computational fluid dynamic software fluent to establish mechanical ventilation model of arched multi-span plastic greenhouse.In the condition of four tomato crops height, this study discussed the air distributions.The result shows that the plants play an irreplaceable role in the compulsory aeration.The airflow velocity changes little in the crops areas,but the flow rate in the areas above the tomato crops increase rapidly.Because of the hindrance of plants to the airflow,the different heights of plants make a great contribution to the difference of airflow field.

Key words：plastic covered multi-span greenhouse; fluent; airflow field simulation

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0028-04

中圖分類號(hào)：S625.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：毛羽西(1990-),女，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，(E-mail) maoyx90@163.com。通訊作者：毛罕平(1961-)，男，浙江寧波人，教授，博士生導(dǎo)師。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B03)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (61233006)

收稿日期：2015-04-19