自然通風(fēng)條件下多塑料大棚群溫度場的CFD分析

宋　煒，王新忠，沙劉云

(1.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013；2.昆山市永宏溫室有限公司，江蘇 昆山　215332)

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自然通風(fēng)條件下多塑料大棚群溫度場的CFD分析

宋煒1，王新忠1，沙劉云2

(1.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.昆山市永宏溫室有限公司，江蘇 昆山215332)

摘要：為了研究多個塑料鋼管大棚組成的溫室群環(huán)境溫度分布情況，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和DO輻射模型建立相應(yīng)的溫室群數(shù)值模型，在自然通風(fēng)條件下對塑料鋼管大棚內(nèi)溫度分布進行了CFD分析和試驗驗證。結(jié)果顯示：CFD模擬值與實測值吻合性良好，平均相對誤差為4.2%，驗證了所建CFD模型的可行性。采用此模型分析了大棚間距對棚內(nèi)溫度分布的影響，結(jié)果表明：增加大棚間距能夠降低后排室內(nèi)的平均溫度，提高溫度分布的均勻性，減小溫室之間的平均溫差。

關(guān)鍵詞：塑料大棚；間距；溫度場；CFD模擬

0引言

近年來，我國的溫室建造總面積一直處于世界首位[1]，但多以塑料大棚和日光溫室等簡易溫室為主。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)向規(guī)模化發(fā)展，各地在建造過程中多呈現(xiàn)出溫室群落型的特點，即在有限的土地面積上建造多個同規(guī)模的溫室形成溫室群。這種大型溫室群的布局，有利于提高土地利用率，便于統(tǒng)一化管理，提高生產(chǎn)效益，因此近年在長江中下游流域設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園區(qū)內(nèi)溫室群落得到迅速發(fā)展。由于溫室群布局會影響到室內(nèi)環(huán)境因子，對塑料大棚溫室群在自然通風(fēng)條件下室內(nèi)溫度分布研究有待開展。

目前，在溫室溫度場分布的研究中，主要以單棟或連棟溫室為對象：Ould Khaoua[2]研究了自然通風(fēng)下不同天窗配置對四連棟溫室內(nèi)溫度場的影響，發(fā)現(xiàn)開窗配置不同，溫度場的分布會有很大差異；Teitel[3]則以風(fēng)向?qū)λ倪B棟溫室自然通風(fēng)下室內(nèi)溫度場分布的影響展開研究，得出不同風(fēng)向也會得到不同的溫度場分布；沈明衛(wèi)與郝飛麟[4-6]等人針對單棟塑料溫室內(nèi)溫度場的分布進行預(yù)測和分析，驗證CFD模型能夠有效地預(yù)測溫室環(huán)境的變化，指出通風(fēng)是影響溫室溫度分布的一個重要因素，并在此基礎(chǔ)上針對影響通風(fēng)的各種因素以及室內(nèi)作物對室內(nèi)溫度場影響進行了進一步研究；程秀花[7,8]則針對連棟玻璃溫室自然通風(fēng)條件，分析了不同環(huán)境因素對溫室內(nèi)溫度場的影響。從相關(guān)文獻[9-11]中不難看出：無論是單棟還是連棟，塑料大棚還是玻璃溫室，研究者在研究中多將獨立的溫室作為對象，簡化或者忽略溫室周圍建筑環(huán)境對溫度場的影響，針對多個溫室大棚之間相對位置對于溫度場分布影響的研究相對較少。在溫室溫度場分布研究方法方面，利用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件已經(jīng)成為主要的研究手段。相比傳統(tǒng)研究方法，CFD能夠快速準(zhǔn)確地反映出不同狀態(tài)下室內(nèi)溫度分布情況，并從計算結(jié)果中獲得豐富數(shù)據(jù)，方便更深入地進行溫室環(huán)境的研究，大大縮減了成本和時間。

針對溫室群布局中塑料鋼管大棚溫度場分布問題，采用CFD技術(shù)，在自然通風(fēng)條件下對多種溫室間距下的大棚內(nèi)溫度場進行穩(wěn)態(tài)模擬，分析塑料大棚溫室群布局下大棚溫度場的分布規(guī)律。

1試驗方案與CFD建模

1.1試驗對象

試驗對象為江蘇省鎮(zhèn)江市瑞京示范園內(nèi)塑料鋼管大棚溫室群，處于東經(jīng)119°31′、北緯32°11′，溫室群為南北走向，自西向東橫向排列，為兩排22列。試驗對象選取示范園內(nèi)西北角排頭的3棟溫室。每棟鋼管大棚尺寸為5.2m(寬)×2.4m(高)×28m(長)，肩高1.15m，覆蓋材料為塑料薄膜，厚度0.1mm。溫室左右兩側(cè)均有卷膜側(cè)窗，側(cè)窗下沿離地高度為0.4m，側(cè)窗開啟高度為0.6m，側(cè)窗內(nèi)裝有32目防蟲網(wǎng)，屋頂為拱形，沒有天窗。山墻一側(cè)中央設(shè)有山墻門，門尺寸為0.75m(寬)×1.8m(高)，相鄰溫室的間距為1.65m，如圖1所示。其中，取正東方向為X軸正方向，正南方向為Z軸正方向，Y軸為高度方向，西北角為坐標(biāo)原點。試驗期間溫室為休整期，內(nèi)部無種植作物。

圖1　大棚溫室群幾何尺寸模型示意

1.2試驗方法

試驗時間為2014年10月18日早8:30-16:30，測量期間溫室為自然通風(fēng)狀態(tài)，側(cè)窗和山墻門全部打開。試驗過程中，在每個溫室內(nèi)距地面0.2、0.8、2m處吊裝ZDR-3WIS型溫度自動記錄儀(測量精度為±0.1℃，測量范圍-50～100℃)，每個溫室內(nèi)共布置了3層，每層12個測量點，數(shù)據(jù)記錄間隔為3min。傳感器布置示意圖如圖2所示。室外環(huán)境采用TYD-ZS2型環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀記錄數(shù)據(jù)，該儀器溫度測量精度±0.1℃，測量范圍-40～80℃，風(fēng)速精度0.1m/s，測量范圍0～70m/s，風(fēng)向精度1°，測量范圍0°～360°，記錄時間間隔為1min。取13:00時刻的狀態(tài)為模擬驗證狀態(tài)，測得此時室外環(huán)境風(fēng)速2m/s，溫度27.7℃。其中，A大棚處于上風(fēng)向，C大棚處于下風(fēng)向，利用紅外測溫儀FLUKE Infrared Thermometers 568(紅外溫度范圍-40～800℃，精度：0℃以上時為±1%或±1℃)測量大棚內(nèi)6個面的溫度，每15min記錄1次。

圖2　溫度傳感器布置示意圖

2CFD數(shù)值模型

2.1計算域與網(wǎng)格劃分

為避免人為加載的邊界條件改變邊界空氣流動狀態(tài)的情況出現(xiàn)，設(shè)置外部計算域以消除這種影響。采用ICEM CFD14.0軟件對試驗對象進行1:1數(shù)字建模，數(shù)字模型的計算域尺寸設(shè)為100m(寬)×10m(高)×145m(長)。其中，山墻門距離計算域邊界為58m，側(cè)窗距離邊界40m。綜合考慮模擬精度和計算機工作性能，對模型采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元最大尺寸為500mm，在空氣流動較為復(fù)雜的側(cè)窗和山墻門處加大網(wǎng)格密度，對側(cè)窗生成5層邊界層，網(wǎng)格劃分總數(shù)666.5萬，其中3個大棚的網(wǎng)格總數(shù)為55.6萬。

2.2邊界條件與材料屬性選擇

塑料鋼管大棚內(nèi)空氣運動的雷諾數(shù)普遍偏大[12]，所以數(shù)字模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。假設(shè)空氣流動符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，選擇DO輻射模型加載到覆蓋層計算太陽輻射的影響。迎風(fēng)向入口設(shè)為速度進風(fēng)口條件，背風(fēng)向出口設(shè)為風(fēng)速流出條件。大棚各面的溫度為13:00時刻的試驗記錄值，其材料屬性如表1所示。

表1　大棚CFD模型中材料屬性相關(guān)參數(shù)

3結(jié)果與討論

3.1模型的驗證

建立CFD模型后，在ANSYS FLUENT14.0環(huán)境下進行計算，并對大棚內(nèi)各試驗測點采用測量值與模擬值進行對比。圖3分別表示大棚內(nèi)不同高度上布點的實測值與模擬值比較。

圖4(a)、(b)、(c)分別表示大棚內(nèi)0.2、0.8、2.0m高度平面上實測值與模擬值的比較。從圖4中可以看出：在0.2m高度平面，模擬值與實測值的最大差值為2.4℃，平均溫差0.95℃，最大相對誤差和平均相對誤差分別為6.5%、2.6%；在0.8m高度平面，模擬值與實測值之間的最大差值為3.7℃，平均溫差為1.85℃，最大相對誤差和平均相對誤差分別為9.74%、5.03%；在2.0m高度平面上，模擬值與實測值的最大差值為4.2℃，平均溫差2.1℃，最大相對誤差和平均相對誤差為10.5%和5.3%。在3個平面上，溫度的模擬值與實測值基本吻合。模擬值與實測值之間所產(chǎn)生的差值是因為室內(nèi)氣流的風(fēng)向風(fēng)速受室外風(fēng)環(huán)境影響較大，在通風(fēng)過程中是不斷變化的，所模擬的穩(wěn)態(tài)與實際瞬時狀態(tài)有所區(qū)別。另外，大棚內(nèi)部的地表面介質(zhì)均為土壤，在作物種植區(qū)域土壤是裸露的，過道間的土壤表面鋪蓋有塑料薄膜，地表面的熱輻射會有差異。加上大棚的長期使用，防蟲網(wǎng)的滲透率和覆蓋薄膜的透光率較理論值都會發(fā)生改變，這些都是導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際測量值之間產(chǎn)生誤差的原因。

但其整體上溫度的模擬值與實測值較為一致，變化趨勢也基本相同，模擬結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反映溫室內(nèi)的溫度分布，同時模擬精度能夠達(dá)到目前CFD模型的平均水平[13]。因此，可以認(rèn)為本模型所采用的邊界條件是有效的，所建立的模型是可行的。

圖3　不同高度平面溫度的實測值與模擬值

3.2不同棚間距下溫度場的分布

利用驗證后的CFD模型，分析不同棚間距變化對大棚溫室群棚內(nèi)溫度場的影響。由于通風(fēng)進出口分布在0.4～1.0m高度范圍內(nèi)，溫度在這個范圍內(nèi)變化較為明顯，選取0.8m高度的平面溫度云圖來進行分析。1.6m間距時，從圖4(a)中可以看出：A大棚中高溫分布的面積要明顯大于其他兩個大棚，說明A大棚內(nèi)的平均溫度要高于B和C兩個大棚；高溫主要集中在南墻到中部區(qū)間，最高溫度能達(dá)到37℃，平均溫度約為34.1℃；在B、C棚中高溫主要分布在南墻附近，北墻附近的溫度明顯低于南墻附近溫度，大棚兩側(cè)溫度相差巨大，最大溫差分別達(dá)到4.1℃和3.8℃，平面平均溫度分別為32.4℃和32.8℃。2.6m間距時，由圖4(a)可知：A棚中高溫部分發(fā)生移動，主要集中分布在室內(nèi)中部，范圍相比間距為1.6m時明顯縮小，平面平均溫度為31.8℃，比1.6m時下降了2.3℃；在B大棚中北墻附近的溫度上升，與南墻的最大溫差減小為2.5℃，在分布上，雖然相對高溫的范圍有所擴散，但平均溫度變化不大，為32.1℃，不過室內(nèi)溫度分布均勻；C大棚中溫度的變化與B相似，北墻附近的低溫區(qū)域減小，南北溫差減小，平均溫度為31.2℃。3.6m間距時，由圖4(c)可知：3個棚內(nèi)高溫范圍面積進一步減小，在A和B大棚的北墻附近出現(xiàn)低溫區(qū)，而C棚東北角附近溫度較之前過渡平穩(wěn)，沒有溫度突變的情況發(fā)生；3個大棚的平均溫度較間距為1.6m時分別下降了2.4、1.1、0.6℃，的溫差由1.6m時的1.7℃(A和B)、1.3℃(A和C)和0.4℃(B和C)，變?yōu)?.4℃(A和B)、0.5℃(A和C)和0.9℃(B和C)，大棚之間室內(nèi)的平均溫度趨于一致。

(a)　大棚間距1.6m　　 　　　　　　　　　　　 (b)　大棚間距2.6m　　　　　　　　　　　 (c)　大棚間距3.6m

4結(jié)論

1) 利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和DO輻射模型建立了塑料大棚溫室群模型，模擬了自然通風(fēng)條件下的溫度分布。模擬結(jié)果顯示：3個不同高度平面上溫度模擬值與實測值最大差值為3.7℃，平均溫差為1.85℃，最大相對誤差和平均相對誤差為9.74%和5.03%。由此說明模擬值與實測值較為吻合，能夠準(zhǔn)確地反映溫度分布，驗證了CFD數(shù)值模型的有效性。

2)3個大棚內(nèi)溫度的分布在沿長度方向上均表現(xiàn)為中部溫度最高，北墻附近的溫度最低，溫度分布存在梯度。大棚的相對位置會對自然通風(fēng)產(chǎn)生一定影響。間距較小時，上風(fēng)向的大棚會對下風(fēng)向大棚的通風(fēng)產(chǎn)生一定的遮擋作用，不利于后排A棚內(nèi)的自然通風(fēng)，室內(nèi)溫度要高于B、C室內(nèi)溫度。

3)增加大棚之間的間距不僅能夠有效地降低下風(fēng)向棚內(nèi)的溫度，減小棚內(nèi)南北兩側(cè)的溫度差，使棚內(nèi)環(huán)境分布更加均勻，且在增加間距的過程中，棚與棚之間溫度差也逐漸減小，環(huán)境條件趨于一致。

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CFD Analysis of Temperature Distribution for Multi Naturally Ventilated Plastic Greenhouses

Song Wei1， Wang Xinzhong1， Sha Liuyun2

(1.School of Agricultural Equipment Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China; 2.Kunshan Yonghong Greenhouse Co.Ltd, Kunshan 215332,China)

Abstract：In order to research the temperature distribution in multi plastic pipe greenhouses, the standard k-ε turbulent model and DO radiation model were used for homologous numerical model. The measurement was conducted to validate the numerical model and CFD analysis was done for temperature distribution under natural ventilation. The results showed the simulated values and measured values matched well, the average relative error was 4.2%. Then the numerical model was used to predict the temperature distribution for different distances between greenhouses, the results showed increasing the distance between greenhouses could reduce the average temperature in the leeward greenhouse and increase homogeneity. The difference in average temperature among greenhouses cloud also decrease.

Key words：plastic greenhouse; distance; temperature distribution; CFD simulation

文章編號：1003-188X(2016)05-0204-04

中圖分類號：S625.5+1

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：宋煒(1987-)，男，河南洛陽人，碩士研究生，(E-mail) kimigly@126.com。通訊作者：王新忠(1969-)，男，石家莊人，教授，(E-mail) wangxinzhong@gmail.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B03)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(蘇政辦發(fā)〔2014〕37號)

收稿日期：2015-04-25