基于CFD仿真自然通風(fēng)大棚窗口的設(shè)置

柏宗春++夏禮如++呂曉蘭++張美娜++陶建平

摘要：塑料大棚通風(fēng)換氣對大棚內(nèi)作物的生長影響較大，特別是對于自然通風(fēng)大棚，研究其通風(fēng)窗的開設(shè)位置及方式意義重大。建立塑料大棚三維模型，利用計(jì)算流體動力學(xué)軟件Fluent，對大棚在自然通風(fēng)條件下的流場進(jìn)行仿真，得到不同側(cè)窗和天窗尺寸及配置條件下大棚的流場分布規(guī)律。結(jié)果表明，大棚側(cè)窗對提高流場的氣流速度作用明顯，但側(cè)窗高度超過1m后，氣流速度增加不明顯；天窗對大棚前半段氣流影響較小，天窗位置最好開在后半部分靠近出口的位置；增開門旁通風(fēng)窗對提升大棚通風(fēng)能力有明顯效果。

關(guān)鍵詞：大棚；通風(fēng)窗；流場仿真；CFD

中圖分類號： S126；S625.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0379-04

收稿日期：2015-04-03

項(xiàng)目基金：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（14）5076、CX（12）1004]；國家科技支撐計(jì)劃（編號：2013BAD08B03）。

作者簡介：柏宗春（1981—），男，江蘇揚(yáng)州人，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究。Tel：（025）84390493；E-mail：vipmaple@126.com。

通信作者：呂曉蘭，博士，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究。Tel：（025）84390082；E-mail：lxlanny@126.com。

大棚通風(fēng)對棚內(nèi)作物生長影響較大，特別是自然通風(fēng)溫室大棚，通風(fēng)窗口的合理設(shè)置尤為重要[1]。受棚體工程建設(shè)與試驗(yàn)條件的限制，國內(nèi)外學(xué)者多采用計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（computational fluid dynamics，CFD）對大棚通風(fēng)問題進(jìn)行相關(guān)研究[2-5]。傅寧等運(yùn)用CFD軟件對大棚內(nèi)部流場分布進(jìn)行了仿真[6]；王光偉等運(yùn)用三維不可壓縮湍流模型對不同形式的大棚流場流態(tài)進(jìn)行研究[7]；陸小偉對不同形式大棚流場進(jìn)行仿真，計(jì)算了換氣時(shí)間[8]；沈明衛(wèi)等運(yùn)用流體仿真軟件，研究了外界風(fēng)向?qū)Υ笈飪?nèi)部流場的影響[9]；陳加浪等運(yùn)用CFD仿真，研究了華東地區(qū)單棟大棚在高溫低風(fēng)速極端環(huán)境下的自然通風(fēng)特性，并進(jìn)行了驗(yàn)證[10]。

采用CFD仿真方法，能準(zhǔn)確計(jì)算分析棚內(nèi)氣流場分布及外部環(huán)境對棚內(nèi)氣流場的影響，目前，主要集中在對流場分布規(guī)律的仿真分析，對通風(fēng)窗位置、尺寸等棚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較少。本研究針對蘇南地區(qū)某新型8 m鋼架塑料大棚，運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)軟件Fluent，結(jié)合棚體的幾何結(jié)構(gòu)和地理環(huán)境參數(shù)，建立大棚的三維仿真模型，對不同通風(fēng)窗口尺寸及位置等條件下的大棚流場進(jìn)行仿真，分析不同條件下大棚內(nèi)的氣流規(guī)律，為棚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1仿真模型

1.1理論基礎(chǔ)

1.1.1控制方程為簡化分析，假設(shè)自然通風(fēng)條件下大棚內(nèi)空氣流動為定長不可壓縮牛頓流，流體在流動過程中遵守基于雷諾時(shí)均的黏性不可壓縮Navier-Srokes方程[11-14]。方程表達(dá)式為：

[JZ][SX（]（ρφ）[]t[SX）]+div（ρuφ）=div（Гgradφ）+Sφ。

式中：Φ表示通用傳輸量； ρ表示流體密度；τ表示時(shí)間；u表示流體速度矢量；Γ表示廣義擴(kuò)散系數(shù)； Sφ表示廣義源相。

1.1.2湍流模型Fluent提供多種湍流模型可供選擇。本研究結(jié)合大棚流場的實(shí)際情況，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該模型在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的精度和收斂性。假設(shè)近壁處氣流符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

1.2幾何模型

以江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動物科學(xué)基地現(xiàn)有的8 m鋼架塑料大棚為基礎(chǔ)對象構(gòu)建三維模型（圖1），基本參數(shù)為：跨度8 m，高度3.4 m，長度50 m，前后門1.8 m×1.8 m，肩高 1.9 m（直肩高1.4 m）。[JP2]大棚所處地理位置為118.5° E、32° N，年平均風(fēng)速約為2 m/s。為減小因邊界條件設(shè)置對仿真計(jì)算帶來的不利影響，增大流場計(jì)算區(qū)域[15]，包括大棚內(nèi)部和大棚外部2部分，整個(gè)計(jì)算區(qū)域?qū)?0 m、高15 m、長95 m。

[TPBZC1.tif]

2網(wǎng)格劃分及邊界條件

2.1網(wǎng)格劃分

利用Fluent前處理軟件Gambit建立流場區(qū)域的三維模型（圖2），并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)區(qū)域全部采用六面體網(wǎng)格劃分，大棚薄膜附近設(shè)置4層邊界層，最終得到總網(wǎng)格數(shù)量為 1 462 272個(gè)（圖3）。

[TPBZC2.tif]

[FK（W9][TPBZC3.tif]

2.2邊界條件的設(shè)置及材料屬性

流場進(jìn)口采用速度進(jìn)口（velocity-inlet），風(fēng)速為2 m/s，方向與大棚屋脊平行；出口采用壓力出口（pressure-outlet），壓力為大氣壓；大棚薄膜、地面以及外圍計(jì)算區(qū)域的邊界設(shè)置為壁面邊界條件（pressure-outlet）；大棚的進(jìn)口、出口以及通風(fēng)窗設(shè)置為內(nèi)部邊界（interior）（表1）。研究表明，在外界風(fēng)速小于0.5 m/s時(shí)，熱壓通風(fēng)才對大棚通風(fēng)的影響較大[16]，故本仿真不考慮熱輻射對流場的影響；不考慮大棚內(nèi)作物對大棚流場的影響。

3仿真結(jié)果分析

常見大棚通風(fēng)窗主要有側(cè)窗和天窗2種形式（圖4）。天窗及側(cè)窗的長度與大棚長度相同，為50 m；門旁窗為本研究提出的新的大棚通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)，位于進(jìn)出口兩側(cè)，對稱分布。為分析通風(fēng)窗口的設(shè)置對大棚流場的影響，本研究主要對側(cè)窗高度、天窗寬度、天窗位置以及增開門旁窗等進(jìn)行仿真。

3.1無側(cè)窗和天窗時(shí)大棚流場

由圖5可見，只有前后門、外界風(fēng)速為2 m/s時(shí)，大棚內(nèi)氣流速度明顯低于大棚外界空氣流速；y=1 m截面上，大棚進(jìn)口兩側(cè)形成2個(gè)氣流渦旋，渦旋長度約10 m，渦旋之后有2個(gè)速度極低的氣流區(qū)，空氣在內(nèi)部旋轉(zhuǎn)不前，接近靜止，影響換氣效率，這對大棚通風(fēng)十分不利；大棚進(jìn)口處氣流速度為 2 m/s，到中后部速度明顯降低，只有約0.2 m/s，氣流速度太低[CM（25]，嚴(yán)重影響大棚的換氣速度；y=1、2、3 m的中后部氣流流[CM）]

[FK（W13][TPBZC4.tif]

速比較接近，隨著高度升高，流速降低，流場相對穩(wěn)定。由圖6可見，大棚流場x=0時(shí)，大棚從進(jìn)口到出口氣流速度下降速度比較明顯，20 m后大棚中氣流速度基本穩(wěn)定，約為0.2 m/s。

[FK（W13][TPBZC5.tif]

[TPBZC6.tif]

3.2側(cè)窗對大棚流場的影響

側(cè)窗為大棚普遍設(shè)置的通風(fēng)窗，長度為50 m，高度分別為1.4、1.0、0.5 m，大棚外界風(fēng)速2 m/s。由圖7可見，隨著側(cè)窗高度的增加，大棚內(nèi)氣流速度不斷增大；側(cè)窗高度為0.5 m時(shí)，大棚中部和尾部更靠近大棚頂部的氣流速度較低，不利于大棚換氣；側(cè)窗高度為1.4 m時(shí)，棚內(nèi)低速區(qū)域較小，大棚中部氣流速度基本達(dá)到0.7 m/s以上。由圖8可見，3種高度側(cè)窗下，y=1 m截面流場分布比較相似，進(jìn)口兩側(cè)渦旋依然存在；側(cè)窗高度為0.5 m時(shí)，大棚內(nèi)氣流速度相對較低；側(cè)窗高度為1.0、1.4 m時(shí)，流場分布十分接近，且氣流速度相對較高。因此，增開側(cè)窗能顯著提高大棚流場氣流的平均流速，側(cè)窗高度越高，棚內(nèi)流速越高，但側(cè)窗高度大于1.0 m后，流速增大幅度已不明顯；增開側(cè)窗不能消除進(jìn)口兩側(cè)產(chǎn)生的渦流。

3.3天窗對大棚流場的影響

由圖9可見，大棚頂部分別設(shè)置尺寸為0.5、1.0、1.5 m的天窗時(shí)，x=0截面的速度分布規(guī)律比較相似，但隨著天窗寬度的增加，氣流速度不斷增大，尤其是大棚后部低速區(qū)域減小比較明顯。由圖10可見，流場y=1.0 m時(shí)單開天窗，大棚內(nèi)流場從中間向兩側(cè)邊緣氣流逐漸降低，特別在尾端靠近邊緣的區(qū)域氣流速度最低，對大棚中后部的流場區(qū)域影響較大，而對大棚前端流場影響較??；天窗寬度為0.5 m時(shí)，大棚尾部拐角處氣流速度接近于0，隨著天窗寬度的增大，大棚邊緣低速區(qū)域逐漸減小。因此，在單開天窗的前提下，大棚兩側(cè)邊緣存在低速區(qū)，不利于大棚的通風(fēng)換氣。

3.4同時(shí)開側(cè)窗和天窗對大棚流場的影響

由于側(cè)窗高度高于1.0 m時(shí)氣流增速效果已不明顯，隨著天窗寬度增大，大棚內(nèi)氣流低速區(qū)逐漸減小。因此，本研究選取側(cè)窗高度為1.0 m、天窗寬度為1.5 m進(jìn)行仿真，以分析大棚同時(shí)開側(cè)窗、天窗時(shí)的內(nèi)部流場分布規(guī)律。由于天窗對大棚的前半段流場影響小，而對后半部流場影響較大，本研究考慮盡可能減小天窗長度以減小大棚建設(shè)成本。

由圖11、圖12可見，尾端天窗與全天窗相比，大棚頭頂部靠近薄膜的氣流速度較低，其他區(qū)域基本相同；尾端天窗和全天窗在y=1.0 m截面的速度分布幾乎相同，縮短天窗的長度并沒有給流場帶來大的影響。

3.5門旁窗對大棚流場的影響

由于大棚進(jìn)口兩側(cè)存在回流區(qū)域，為減小回流區(qū)，考慮在進(jìn)出口兩側(cè)設(shè)置門旁窗，以提高回流區(qū)換氣效率。由圖13可見，增開1.0 m×1.0 m門旁窗時(shí)，由于進(jìn)氣口和出氣口的面積增大，大棚內(nèi)氣流速度有所提高，進(jìn)口兩側(cè)回流區(qū)已基本消失，但還是存在2個(gè)流速較低的區(qū)域；門旁窗尺寸增大至1.5 m×1.5 m時(shí)，回流區(qū)消失，且進(jìn)口附近的低速區(qū)也消失，大棚內(nèi)氣流速度進(jìn)一步提高。由圖14可見，流場x=0增開門旁窗時(shí)，大棚氣流的分布規(guī)律類似，門旁窗尺寸較大時(shí)大棚內(nèi)氣流的平均流速較高。

4結(jié)論

本研究運(yùn)用Fluent軟件，建立塑料大棚的流場仿真模型，對大棚流場進(jìn)行數(shù)值仿真，分析了無通風(fēng)窗時(shí)大棚流場分布的基本規(guī)律，討論了不同尺寸側(cè)窗和天窗對流場的影響。結(jié)果表明，大棚氣流速度隨著側(cè)窗高度的增大而增大，但高度超過一定值時(shí)，氣流速度對大棚的影響減弱，故從經(jīng)濟(jì)性角度來說，側(cè)窗不宜太高；天窗對大棚流場的后部影響較大，對中前部影響較??；門旁通風(fēng)窗可減小門旁回流區(qū)域，增大大棚內(nèi)氣流速度，可顯著提升大棚通風(fēng)換氣效率，這為大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。通過仿真，確定1組大棚通風(fēng)窗設(shè)置參數(shù)為：兩側(cè)側(cè)窗為50.0 m×1.0 m；尾部天窗為10.0 m×1.5 m；門旁窗尺寸為1.5 m×1.5 m，兩側(cè)對稱分布，距離地面為 0.25 m，距離大棚中心為2 m。

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