基于CFD模型的大跨度溫室自然通風(fēng)熱環(huán)境模擬*

張 芳，方 慧，楊其長，程瑞鋒，張 義，柯行林，盧 威，劉 煥

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基于CFD模型的大跨度溫室自然通風(fēng)熱環(huán)境模擬*

張 芳，方 慧，楊其長，程瑞鋒**，張 義，柯行林，盧 威，劉 煥

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

大跨度溫室作為一種新型南北走向的鋼骨架覆膜溫室，解決了傳統(tǒng)日光溫室土地利用率低、空間狹小的問題。為了研究在自然通風(fēng)條件下大跨度溫室的溫度和氣流場的分布規(guī)律，以及不同室外風(fēng)速條件下通風(fēng)口開度對大跨度溫室溫度和氣流場的影響，利用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）軟件構(gòu)建三維穩(wěn)態(tài)大跨度溫室模型，模擬自然通風(fēng)條件下大跨度溫室內(nèi)的溫度場和氣流場，并采集典型晴天下通風(fēng)口開啟50%時(shí)大跨度溫室內(nèi)13個(gè)測點(diǎn)的溫度，將各測點(diǎn)的測量值與模擬值進(jìn)行比較，最后利用已驗(yàn)證模型模擬分析通風(fēng)口開度（25%、50%、75%、100%）在不同室外風(fēng)速（1、2、3、4 m·s-1）條件下的大跨度溫室溫度和氣流場。驗(yàn)證結(jié)果表明：模型模擬值與實(shí)測值的絕對誤差在0.2～2.8℃，均方根誤差為1.6℃，最大相對誤差為9.9%，平均相對誤差為4.1%，表明模擬值與實(shí)測值吻合良好。模擬結(jié)果顯示，溫室頂部溫度高，底部溫度低；室外冷空氣從西側(cè)通風(fēng)口進(jìn)入，溫室內(nèi)西側(cè)溫度低于東側(cè)；溫室內(nèi)平均風(fēng)速從南到北逐漸減??；溫室中部風(fēng)速明顯小于東西兩側(cè)。大跨度溫室上通風(fēng)口及側(cè)通風(fēng)口全開時(shí)，溫室內(nèi)溫度分布較均勻。溫室通風(fēng)口開度一定時(shí)，溫室內(nèi)通風(fēng)率與室外風(fēng)速呈顯著線性正相關(guān)?？紤]溫室內(nèi)溫度及風(fēng)速對作物的影響，以降溫為主要目的時(shí)，建議通風(fēng)口開度取75%～100%，若室外風(fēng)速大于3m·s-1且室內(nèi)溫度能滿足作物生長，則建議通風(fēng)口開度＜75%。

CFD模型；模型；溫度場；氣流場；通風(fēng)率

日光溫室是具有中國特色的溫室結(jié)構(gòu)類型，解決了中國北方地區(qū)的蔬菜供給問題，具有造價(jià)低、運(yùn)行費(fèi)用少、保溫性好、效益高等優(yōu)點(diǎn)[1]。但日光溫室的土地利用率低，一般僅40%左右[2]，而且日光溫室空間狹小，不利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作。為此，周升等[3]設(shè)計(jì)了一種大跨度保溫型溫室，其土地利用率高達(dá)90%左右，單體面積達(dá)1200m2，成功解決了日光溫室土地利用率低，單體空間小的問題，具有很好的推廣價(jià)值。

為了節(jié)約能源，大跨度溫室采用國內(nèi)外運(yùn)用廣泛的自然通風(fēng)方式來調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境平衡。自然通風(fēng)過程中室內(nèi)溫度、氣流速度及通風(fēng)率受通風(fēng)口位置、大小等影響。示蹤氣體法是研究自然通風(fēng)過程中氣流變化及通風(fēng)率等常用的傳統(tǒng)方式，F(xiàn)atnassi等[4-8]利用示蹤氣體法研究了不同開窗角度及風(fēng)速對溫室內(nèi)自然通風(fēng)的影響，該方法能取得與溫室通風(fēng)率相關(guān)的模型和結(jié)論，但并不能反應(yīng)溫室內(nèi)環(huán)境的時(shí)空分布，隨著計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的發(fā)展，CFD技術(shù)在溫室自然通風(fēng)研究過程中得到了廣泛應(yīng)用。

計(jì)算流體力學(xué)模擬是分析溫室室內(nèi)的空氣流動和優(yōu)化溫室通風(fēng)結(jié)構(gòu)的有效工具。Okushima等[9]最早開始運(yùn)用CFD模擬無作物的單跨度斜頂溫室的環(huán)境；Kacira等[10-11]利用CFD技術(shù)分析了不同開窗配置形式對溫室內(nèi)的溫度和氣流分布的影響。隨著CFD廣泛應(yīng)用于溫室熱環(huán)境模擬，國內(nèi)外學(xué)者[12-21]利用CFD研究了不同通風(fēng)方式和通風(fēng)口配置以及室內(nèi)有無作物等因素對不同溫室內(nèi)溫度場和氣流場的影響。但有關(guān)自然通風(fēng)對大跨度溫室內(nèi)溫度環(huán)境影響的研究成果尚未見報(bào)道。因此，本文在自然通風(fēng)條件下對大跨度溫室建立三維CFD數(shù)值模型，在兩側(cè)通風(fēng)口開度為50%的條件下進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，用現(xiàn)場試驗(yàn)的溫度值與CFD模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，通過驗(yàn)證的模型模擬不同風(fēng)速和通風(fēng)口開度下室內(nèi)微氣候環(huán)境的變化特點(diǎn)，以期探尋自然通風(fēng)條件下大跨度溫室的溫度和氣流場的分布規(guī)律，并分析通風(fēng)口開度對大跨度溫室溫度和氣流場的影響，為大跨度溫室通風(fēng)降溫措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)大跨度溫室位于北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地（40°13′N，116°65′E）。溫室南北走向，長60m，東西跨度20m，脊高5m。采用拱形鋼骨架結(jié)構(gòu)，覆蓋材料為單層PE塑料薄膜，厚度0.08mm，外保溫材料為3cm厚自防水保溫被。溫室南墻為1cm厚中空PC陽光板；北墻內(nèi)側(cè)為厚12cm紅磚，中間為厚10cm的聚苯板，外側(cè)為厚24cm紅磚。溫室側(cè)通風(fēng)口的最大寬度為1.6m，頂部通風(fēng)口的寬度為0.8m。大跨度溫室截面如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)測試時(shí)間為2016年4月23-27日。溫室內(nèi)種植作物為番茄，2015年9月1日定植，試驗(yàn)期間番茄處于拉秧前期，其葉面積指數(shù)較小，蒸騰作用很弱，因此忽略作物對溫室內(nèi)熱環(huán)境的影響。試驗(yàn)期間溫室兩側(cè)下通風(fēng)口開度為50%，即80cm，兩側(cè)上通風(fēng)口全開，寬度為80cm。

溫室內(nèi)外測點(diǎn)布置如圖1所示。在溫室內(nèi)，距南墻15m截面上分3層布置13個(gè)溫度測點(diǎn)，底層在離地面1.5m高處布置7個(gè)溫度測點(diǎn)（P1-P7），中間層在離地面3m高處布置5個(gè)溫度測點(diǎn)（P8-P12），上層在離地面4m高處布置1個(gè)溫度測點(diǎn)（P13）；溫室內(nèi)外地面分別布置1個(gè)土壤溫度測點(diǎn)（室內(nèi)P14，室外P15）；在溫室外，距離試驗(yàn)溫室西墻20m、距地面6m高度處安裝1個(gè)風(fēng)速風(fēng)向測點(diǎn)（W1），在風(fēng)速儀安裝桿上距地面1.5m布置1個(gè)溫濕度自動記錄儀(H1)測量室外溫濕度，3m處布置1個(gè)太陽輻射測點(diǎn)（L1）。室外溫濕度由HOBO溫濕度記錄儀（美國onset產(chǎn)）測量，溫度測量范圍-20～70℃，精度±0.35℃，濕度測量范圍0～100%，精度±2.5%RH。室外風(fēng)速和風(fēng)向由S-WEST-A風(fēng)速風(fēng)向自記儀（美國產(chǎn)）測量，風(fēng)速精度±0.1m·s-1，風(fēng)向精度±5°。室內(nèi)多點(diǎn)溫度由銅-康銅熱電偶（中國產(chǎn)）測量，精度±0.2℃。熱電偶測量的溫度及室外太陽輻射值由CR1000數(shù)據(jù)采集儀（美國產(chǎn)）完成，每5min記錄一次，自動記錄各傳感器的數(shù)值。

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

計(jì)算域分為室外區(qū)域和室內(nèi)區(qū)域。由于試驗(yàn)溫室面積較大，計(jì)算時(shí)間較長，選取溫室最南部空間30m（長）×20m（寬）作為溫室流域。溫室內(nèi)的溫度和氣流受外界環(huán)境的影響，外流域一般要選取比溫室體積更大的區(qū)域［200m（長）×140m（寬）×40m（高）］，以使模擬值更準(zhǔn)確。在workbench16.0中的Geometry建立三維實(shí)體模型，以溫室的東南角為原點(diǎn)（0，0，0），溫室的正東方向?yàn)閄軸負(fù)向，溫室的正南方向?yàn)閆軸負(fù)向，高度向上為Y軸正向。利用ICEM將計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，對溫室內(nèi)部通風(fēng)窗口處及外流域靠近溫室壁面處進(jìn)行加密處理，總共創(chuàng)建4887851個(gè)網(wǎng)格和4770494個(gè)節(jié)點(diǎn)，溫室的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.3.2 CFD模型方程

（1）湍流模型

大跨度溫室內(nèi)的氣體流動是以三大守恒方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程）來描述的。自然通風(fēng)條件下溫室內(nèi)空氣流速較低，且流動過程中空氣溫度變化不大，其通風(fēng)過程中溫室內(nèi)氣體可視為定常不可壓縮流體。假設(shè)近壁處氣體流動符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，溫室自然通風(fēng)過程中的室內(nèi)氣流為湍流，在模擬計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，則湍流運(yùn)輸方程[22]為

（2）

式中，ρ為流體密度（kg·m-3）；k為湍動能；t為時(shí)間（s）；μi、μj是速度xi、xj方向上的瞬時(shí)量（m·s-1）；μ為層流動力黏度，μt為湍流動力黏度，，Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Cμ=0.85；ε為湍流耗散率；Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb是由浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM是可壓湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；Sk為用戶自定義的源項(xiàng)，σk、σε為湍動能k和耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。σk、σε、C1ε、C2ε為常量，根據(jù)文獻(xiàn)[23]，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

（2）輻射模型

太陽輻射是影響溫室內(nèi)溫度和濕度場分布的重要因素，在模擬過程中應(yīng)該考慮室內(nèi)與室外的輻射傳熱過程，選擇太陽射線跟蹤法來加載太陽模型。離散坐標(biāo)（discrete ordinates，DO）輻射模型采用灰?guī)Ｐ陀?jì)算，可以計(jì)算灰體輻射與非灰體計(jì)算，故選用此輻射模型對塑料薄膜溫室輻射換熱求解。具體方程為[24]

（3）邊界條件

溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土壤、空氣等的熱物理特性參數(shù)[25]如表1所示。計(jì)算域包括大跨度溫室室內(nèi)區(qū)域和室外區(qū)域，對于六面體結(jié)構(gòu)的室外流域，將來風(fēng)面設(shè)置為（velocity-inlet）邊界條件，根據(jù)2016年4月25日12：00的實(shí)測，室外風(fēng)速為4.02m·s-1，風(fēng)向?yàn)槲髌?1.5°，將西北面設(shè)置為速度入口邊界條件，將東南面設(shè)置為壓力出口（pressure-outlet）邊界條件；室外頂面設(shè)置為對稱面（symmetry）邊界條件；溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面設(shè)置為壁面（wall）邊界條件；溫室內(nèi)的通風(fēng)口設(shè)置為內(nèi)部（interior）邊界條件。

表1 有關(guān)材料的熱物理特性

（4）數(shù)據(jù)計(jì)算

本文計(jì)算求解器選擇ANASYS FLUENT16.0，在計(jì)算過程中采用三維穩(wěn)態(tài)方法求解控制方程，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，近壁面區(qū)域通過標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理，控制方程采用基于有限體積的離散方法，離散格式為二階迎風(fēng)格式，使用SIMPLE算法求解，溫室通風(fēng)率根據(jù)后處理過程中的report計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室內(nèi)氣溫模擬結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CFD模型的模擬效果，隨機(jī)選擇自然通風(fēng)條件下1個(gè)典型晴天4月25日，利用12：00所測數(shù)據(jù)，溫室外氣溫為31.5℃，室外地面溫度31.9℃，風(fēng)速4.02m·s-1，室內(nèi)地面溫度25.0℃，溫室上通風(fēng)口開100%，側(cè)通風(fēng)口開50%，模型邊界條件輸入?yún)?shù)如表2所示。將CFD模型模擬得到溫室內(nèi)13個(gè)測點(diǎn)的氣溫模擬值，與同期的測量值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖3。由圖可見，在冠層高度（1-7號測點(diǎn)，離地高度1.5m）位置，各測點(diǎn)實(shí)測氣溫略有差異，中心位置（測點(diǎn)4）溫度最低，為29.2℃，向兩邊逐漸升高，靠近兩壁（測點(diǎn)1和7）的溫度達(dá) 31.0℃，與最低點(diǎn)相差1.8℃，冠層以上各點(diǎn)（測點(diǎn)8-13）平均溫度為31.3℃，也普遍高出2.1℃。冠層高度（1-7測點(diǎn)）CFD模擬的氣溫也表現(xiàn)出與實(shí)測值相同的空間分布規(guī)律，但其差異相對較小，最低溫度為31.5℃，可見，各點(diǎn)模擬值均略高于實(shí)測值，其中靠近溫室中間位置的第4測點(diǎn)二者差異最大，達(dá)2.8℃，這是由于模擬過程中忽略了植物及大跨度溫室頂部保溫被遮陽的原因?？傮w上看，CFD模型在各測點(diǎn)上的模擬值與實(shí)測值的絕對誤差在0.2～2.8℃，均方根誤差為1.6℃，最大相對誤差僅為9.9%，平均相對誤差僅4.1%。兩者差異較小，說明所建CFD模型有效，可以準(zhǔn)確模擬溫室內(nèi)溫度變化。

表2 邊界條件設(shè)置

2.2 溫室內(nèi)熱環(huán)境分布模擬結(jié)果分析

2.2.1 氣溫

對4月25日12：00自然通風(fēng)條件下（上通風(fēng)口開100%，側(cè)通風(fēng)口開50%，室外風(fēng)速為4.02m·s-1）氣溫模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到溫室不同截面溫度云圖，以溫室東南角為原點(diǎn)（0，0，0），溫室正東方向?yàn)閄軸負(fù)向，溫室正南方向?yàn)閆軸負(fù)向，高度垂直向上為Y軸正向（圖4）。圖4a為沿溫室南北方向距南墻5、15、25m縱向截面的溫度云圖，z=5、15及25m截面處的平均溫度分別為305.4、305.5和305.5K，溫室南北方向的溫度分布較均勻，但是溫室頂部與底部的溫度有差異，從圖4a可以看出，3個(gè)截面的頂部溫度較高，由上到下溫度逐漸降低，在近地面處溫度最低。由于受到太陽輻射的影響，溫室頂部的覆蓋層吸收太陽輻射的熱量，并通過對流換熱向室內(nèi)釋放熱量，使溫室頂部的溫度較高，而由于地面吸收熱量，且接近通風(fēng)口，該處空氣與室外空氣進(jìn)行換熱，故溫度較低。圖4b是沿溫室東西方向距東墻5、10、15m縱向截面的溫度云圖，x=5、10及15m截面處的平均溫度分別為305.8、305.4和305.2K，溫室西側(cè)的溫度較東側(cè)低，是因?yàn)閭?cè)進(jìn)風(fēng)口在溫室的西側(cè)，室外溫度較低，氣流流入溫室內(nèi)，溫度相對較低。

2.2.2 氣流速度

對4月25日12：00自然通風(fēng)條件下氣流速度模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到溫室不同截面的速度云圖如圖5所示。圖5a顯示了沿溫室南北方向距南墻5、15、25m縱向截面的速度云圖，z=5、15及25m截面處的平均速度分別為1.38、1.16和0.55m·s-1，從南到北溫室內(nèi)的平均風(fēng)速逐漸減小，由于風(fēng)向?yàn)槲鞅狈较?，受到北墻的阻擋，距離北墻越近風(fēng)速越小。圖5b是沿溫室東西方向距東5、10、15m縱向截面的速度云圖，x=5、10及15m截面處的平均速度分別為0.93、0.88和1.26m·s-1，溫室內(nèi)風(fēng)速在東西方向上表現(xiàn)為中間風(fēng)速明顯小于東西兩側(cè)的分布規(guī)律，這是由于通風(fēng)口位于溫室東西兩側(cè)，室外氣流從西側(cè)通風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，中部離通風(fēng)口較遠(yuǎn)且受到溫室頂部通風(fēng)口的影響，在溫室中部形成逆時(shí)針的渦流，故風(fēng)速較小。

2.3 側(cè)通風(fēng)口開度對溫室熱環(huán)境的影響模擬

2.3.1 溫室內(nèi)平均溫度

以2016年4月25日12：00室外氣候參數(shù)為條件，保持溫室上通風(fēng)口開度不變（100%），模擬不同室外風(fēng)速（1、2、3和4m·s-1）條件下不同側(cè)通風(fēng)口開度（25%、50%、75%和100%）時(shí)溫室內(nèi)部的溫度。由圖6可知，溫室的平均氣溫a與冠層（植物高度0.7～1.5m）平均溫度變化一致，差距為0～0.6℃，當(dāng)側(cè)通風(fēng)口開度為25%時(shí)室內(nèi)的平均溫度明顯高于側(cè)通風(fēng)口開度為50%、75%及100%，說明室外溫度在31.5℃時(shí)，通風(fēng)口開度越小，越難以降低室內(nèi)溫度。溫室內(nèi)的溫度受室外風(fēng)速和側(cè)通風(fēng)口的開度影響，隨著室外風(fēng)速的增大而降低，當(dāng)室外風(fēng)速小于3m·s-1時(shí)，溫室內(nèi)的平均溫度受風(fēng)速影響較大，不同側(cè)通風(fēng)口的溫度相差5.8、3.9、3.3、3.2℃，當(dāng)室外風(fēng)速大于3m·s-1時(shí)，溫室平均溫度及冠層溫度受室外風(fēng)速影響較小，接近于室外溫度31.5℃；隨著溫室的側(cè)通風(fēng)口開度增大而降低，當(dāng)側(cè)通風(fēng)口開度小于75%時(shí)，溫室內(nèi)的平均溫度受側(cè)通風(fēng)口開度的影響較大，當(dāng)側(cè)通風(fēng)口開度大于75%時(shí)，溫室平均溫度及冠層溫度受側(cè)通風(fēng)口開度的影響較小，溫度相差0～0.2℃；從溫室內(nèi)的平均溫度來看，溫室降溫效果最佳的側(cè)通風(fēng)口開度為75%～100%。

2.3.2 溫室內(nèi)平均氣流速度

不同室外風(fēng)速條件和側(cè)通風(fēng)口開度溫室內(nèi)部氣流速度模擬結(jié)果見圖7。由圖可見，4種通風(fēng)口開度對溫室內(nèi)平均氣流速度的影響在不同室外風(fēng)速條件下存在差異，冠層平均氣流速度高于溫室平均氣流速度，這是由于溫室通風(fēng)口的高度與冠層高度一致，氣流速度較大。當(dāng)溫室外風(fēng)速為1m·s-1時(shí)，4種通風(fēng)口開度的溫室內(nèi)平均氣流速度極差為0.05m·s-1，這是由于室外風(fēng)速較小，加之溫室跨度較大，導(dǎo)致通風(fēng)口開度對室內(nèi)氣流影響較小。當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，溫室內(nèi)平均氣流速度隨著通風(fēng)口開度的增大而增加。溫室內(nèi)的平均氣流速度還受室外風(fēng)速的影響。對于番茄作物來說，適宜的溫室內(nèi)氣流速度為0.5～1m·s-1[26]，由圖7可知，為了滿足番茄作物對氣流速度的要求，當(dāng)室外風(fēng)速為1～3m·s-1時(shí)，溫室的側(cè)通風(fēng)口開度建議為75%～100%；當(dāng)室外風(fēng)速為4m·s-1時(shí)，溫室側(cè)通風(fēng)口開度建議為75%以下。

2.3.3 溫室通風(fēng)率

由圖8可知，溫室不同通風(fēng)口開度及不同室外風(fēng)速對通風(fēng)率具有顯著影響。溫室通風(fēng)口開度一定時(shí)，溫室內(nèi)通風(fēng)率隨著室外風(fēng)速的增大而增大，且通風(fēng)率與室外風(fēng)速存在線性關(guān)系，4個(gè)方程的R2均為0.99，與Kacira等[27]的研究結(jié)果一致，說明溫室內(nèi)通風(fēng)率受室外風(fēng)速變化影響顯著。而在相同的室外風(fēng)速下，溫室內(nèi)通風(fēng)率隨著通風(fēng)口開度的增大而增大，通風(fēng)口開度為50%、75%及100%時(shí)溫室內(nèi)通風(fēng)率分別為25%開度的1.7、2.6和3.3倍。由圖8知，溫室通風(fēng)口開度為25%時(shí)，線性方程斜率較小，室外風(fēng)速對溫室內(nèi)通風(fēng)率的影響較小，隨著溫室通風(fēng)口開度增大，室外風(fēng)速對溫室內(nèi)通風(fēng)率的影響逐漸增大。

3 結(jié)論與討論

采用CFD技術(shù)模擬溫室上通風(fēng)口全開及兩側(cè)通風(fēng)口開度為50%時(shí)溫室內(nèi)溫度分布情況，模擬值與實(shí)測值的絕對誤差在0.2～2.9K，均方根誤差為1.6K，最大相對誤差為9.9%，平均相對誤差為4.13%，模擬值與實(shí)測值吻合良好，可將模型用于溫室自然通風(fēng)熱環(huán)境模擬。

大跨度溫室上通風(fēng)口及側(cè)通風(fēng)口全開時(shí)，溫室內(nèi)溫度分布較均勻，在不同風(fēng)速條件下側(cè)通風(fēng)口開度為25%、50%、75%及100%時(shí)，1～4m·s-1溫室內(nèi)的平均溫度及氣流速度分別為35.5、34.0、33.3、33.3℃和0.52、0.63、0.67、0.75m·s-1，考慮溫室內(nèi)溫度及風(fēng)速對番茄作物的影響，番茄生長溫度為10～33℃，當(dāng)室外風(fēng)速小于3m·s-1時(shí)，通風(fēng)口開度建議為75%～100%，若室外風(fēng)速大于3m·s-1且室內(nèi)溫度能滿足作物生長，則通風(fēng)口開度建議低于75%。

大跨度溫室通風(fēng)率與室外風(fēng)速呈線性關(guān)系，通風(fēng)率隨著室外風(fēng)速的增大而增加。當(dāng)通風(fēng)口開度較小時(shí)，通風(fēng)率受室外風(fēng)速影響較小，溫室內(nèi)的通風(fēng)率受室外風(fēng)速及通風(fēng)口大小的共同影響。

大跨度溫室自然通風(fēng)模型的研究對模擬結(jié)果的驗(yàn)證僅限于溫度測點(diǎn)的驗(yàn)證，未進(jìn)行風(fēng)速測點(diǎn)的驗(yàn)證，因此，對氣流速度的分布只能提供理論研究。大跨度溫室模型的建立，未考慮作物對溫室內(nèi)環(huán)境的影響，致使溫度模擬值高于實(shí)測值，且作物對氣流有一定的影響，后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化模型參數(shù)，加入多孔介質(zhì)及蒸騰模型來準(zhǔn)確模擬溫室內(nèi)環(huán)境變化，進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性。此外，本實(shí)驗(yàn)風(fēng)速超過3m·s-1及側(cè)通風(fēng)口開度大于75%時(shí)，對溫室內(nèi)溫度影響不大，未找出具體的風(fēng)速及側(cè)通風(fēng)口對溫度變化的趨勢轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且本實(shí)驗(yàn)未考慮頂通風(fēng)口的大小，下一步研究將結(jié)合頂通風(fēng)口和側(cè)通風(fēng)口開度的組合以分析溫室內(nèi)溫度與氣流變化的關(guān)系。

References

[1]孟力力,楊其長,王柟,等.日光溫室熱環(huán)境模擬模型的構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(1):164-170.

Meng L L,Yang Q C,Wang N,et al.Visual simulation model for thermal environment in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the CSAE,2009,25(1):164-170.(in Chinese)

[2]魏琴芳,馬驥.對日光溫室發(fā)展中土地利用率的探討[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·溫室園藝,2006,(8):22-23

Wei Q F,Ma J.The discussion of land utilization in the development of solar greenhouse[J].Agriculture Engineering Technology Greenhouse Horticulture),2006,(8):22-23.(in Chinese)

[3]周升,張義,程瑞鋒,等.大跨度主動蓄能型溫室溫濕環(huán)境監(jiān)測及節(jié)能保溫性能評價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(6):218- 225.

Zhou S,Zhang Y,Cheng R F,et al.Evaluation on heat preservation effects in micro-environment of large-scale greenhouse with active heat storage system[J].Transactions of the CSAE, 2016,32(6): 18-225.(in Chinese)

只有基于真實(shí)、準(zhǔn)確、完整的有關(guān)文件、證明和資料，評估專業(yè)人員才能提供高水平、高質(zhì)量的評估服務(wù)。為了確保評估活動中使用的有關(guān)文件、證明和資料的真實(shí)性、準(zhǔn)確性、完整性，本法規(guī)定委托人應(yīng)當(dāng)對其提供的權(quán)屬證明、財(cái)務(wù)會計(jì)信息和其他資料的真實(shí)性、完整性和合法性負(fù)責(zé)之外，還規(guī)定評估專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)對評估活動中使用的有關(guān)文件、證明和資料的真實(shí)性、準(zhǔn)確性、完整性進(jìn)行核查和驗(yàn)證。

[4]Fatnassi H,Boulard T,Bouirden L.Simulation of climatic conditions in full-scale greenhouse fitted with insect-proof screens[J].Agricultural & Forest Meteorology,2003,118(1-2): 97-111.

[5]Katsoulas N,Bartzanas T,Boulard T,et al.Effect of vent openings and insect screens on greenhouse ventilation[J]. Biosystems Engineering,2006,93(4):427-436.

[6]Wang S X,Wang X.Ventilation rate of various vents in plastic covered multi-span greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2009,25(11): 248-252.

[7]Fatnassi H,Boulard T,Bouirden L.Development,validation and use of a dynamic model for simulate the climate conditions in a large scale greenhouse equipped with insect-proof nets[J]. computers & Electronics in Agriculture,2013,98(7): 54-61.

[8]方慧,楊其長,張義,等.日光溫室熱壓風(fēng)壓耦合自然通風(fēng)流量模擬[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(5):531-537.

Fang H,Yang Q C,Zhang Y,et al.Simulation on ventilation flux of solar greenhouse based on the coupling between stack and wind effects[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2016,37(5):531-537.(in Chinese)

[9]Okushima L,Sase S,Nara M.A support system for natural ventilation design of greenhouses based on computational aerodynamics[J].Acta Horticulturae,1989,248:129-136.

[10]Kacira M,Short T,Stowell R.A CFD evaluation of naturally ventilated mulei-span sawtoothgreenhous[J].Transactions of the ASAE,1998,41(3):833-836.

[12]Mistriotis A,Arcidiacono C,Picuno P,et al.Computational analysis of ventilation in greenhouses at zero and low wind speeds[J].Agricultural & Forest Meteorology,1997,88(1-4): 121-135.

[13]Fatnassi H,Boulard T,Poncet C,et al.Optimisation of greenhouse insect screening with computational fluid dynamics[J].Biosystems Engineering,2006,93(3):301-312.

[14]Khaoua S A O,Bournet P E,Migeon C,et al.Analysis of greenhouse ventilation efficiency based on computational fluid dynamics[J].Biosystems Engineering,2006,95(1):83- 98.

[15]Jiang G,Hu Y,Liu Y,et al.Analysis on insulation performance of sunken solar greenhouse based on CFD[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2011,27(7): 275-281.

[16]程秀花,毛罕平,倪軍.風(fēng)速對溫室內(nèi)氣流分布影響的CFD模擬及預(yù)測[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(12):15-18.

Cheng X H,Mao H P,Ni J.CFD simulations and predicts for effect of external airflow speeds on airflow profiles inside venlo glasshouse[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2010,32(12):15-18.(in Chinese)

[17]程秀花,毛罕平,伍德林,等.栽有番茄的玻璃溫室內(nèi)氣流場分布CFD數(shù)值模擬[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010, 31(5):510-514.

Cheng X H,Mao H P,Wu D L,et al.CFD simulations of airflow distributions inside glasshouse with tomato crops[J]. Journal of Jiangsu University,2010,31(5):510-514. (in Chinese)

[18]程秀花,毛罕平,倪軍,等.溫室環(huán)境-作物濕熱系統(tǒng)CFD模型構(gòu)建與預(yù)測[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(2):173-179.

Cheng X H,Mao H P,Ni J,et al.Numerical prediction and CFD modeling of relative humidity and temperature for greenhouse-crops system[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(2):173-179.(in Chinese)

[19]張起勛,于海業(yè),張忠元,等.利用CFD模型研究日光溫室內(nèi)的空氣流動[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(16):166-171.

Zhang Q X,Yu H Y,Zhang Z Y,et al.Airflow simulation in solar greenhouse using CFD model[J].Transactions of the CSAE,2012,28(16):166-171.(in Chinese)

[20]周偉,汪小旵,李永博.可變邊界條件下的Venlo溫室溫度場三維非穩(wěn)態(tài)模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(11):304-310.

Zhou W,Wang X H,Li Y B,et al.Unsteady temperature simulation under variable boundary conditions for venlo type greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(11):304-310.(in Chinese)

[21]李永欣,李保明,李真,等.Venlo型溫室夏季自然通風(fēng)降溫的CFD數(shù)值模擬[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,9(6):44-48.

Li Y X,Li B M,Li Z,et al.CFD simulation of a naturally ventilating cooling process for a venlo greenhouse in summer[J].Journal of China Agricultural University,2004, 9(6):44-48.(in Chinese)

[22]程秀花.溫室環(huán)境因子時(shí)空分布CFD模型構(gòu)建及預(yù)測分析研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2011.

Cheng X H.Predication and CFD modeling for greenhouse microclimates temporospatial distributions[D].Zhenjiang: Jiangsu University,2011.(in Chinese)

[23]陳教料,胥芳,張立彬,等.基于CFD技術(shù)的玻璃溫室加熱環(huán)境數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(8):114-118.

Chen J L,Xu F,Zhang L B,et al.CFD-based simulation of the temperature distribution in glass greenhouse with forced-air heater[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(8):114-118.(in Chinese)

[24]任守綱,楊薇,王浩云,等.基于CFD的溫室氣溫時(shí)空變化預(yù)測模型及通風(fēng)調(diào)控措施[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(13): 207-214.

Ren S G,Yang W,Wang H Y,et al.Prediction model on temporal and spatial variation of air temperature in greenhouse and ventilation control measures based on CFD[J].Transactions of the CSAE,2015,31(13):207-214.(in Chinese)

[25]方慧,楊其長,張義,等.基于CFD技術(shù)的日光溫室自然通風(fēng)熱環(huán)境模擬[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2015,36(2):155-160.

Fang H,Yang Q C,Zhang Y,et al.Simulation performance of a ventilated greenhouse based on CFD technology[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2015,36(2):155-160.(in Chinese)

[26]Chintakovid W,Kozai T.Growth of tomato (.) plug transplants in a closed system at relatively high air current speeds:a preliminary study[M]. Springer Netherlands,2000.

[27]Kacira M,Sase S,Okushima L.Effects of side vents and span numbers on wind-induced natural ventilation of a gothic multi-span greenhouse[J].Japan Agricultural Research Quarterly,2004,38(4):227-233.

Ventilation Simulation in a Large-scale Greenhouse Based on CFD

ZHANG Fang, FANG Hui, YANG Qi-chang, CHENG Rui-feng, ZHANG Yi, KE Xing-lin, LU Wei, LIU Huan

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agriculture Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agriculture Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

To solve the problem that the inner available space of the traditional Chinese solar greenhouse is usually small, a new-type large-scale greenhouse which was tunnel type and had a wide span with steel frame and south-north orientation was designed. The distribution of airflow and temperature patterns, the effect of vent openings under different outdoor wind speed conditions on airflow and temperature patterns in a naturally ventilated large-scale greenhouse were studied. Firstly, simulation model of the airflow and temperature patterns in a naturally ventilated large-scale greenhouse was established by means of three-dimensional computational fluid dynamics (CFD). Secondly, the model was validated via the comparison with the field experimental results at the same locations where 13 temperature sensors were installed under the typical sunny day when the vent opening degree was 50%. The comparison between simulations and measurements showed that the absolute error was within 2.8℃, the square error was within 1.6℃, the maximum relative error was less than 9.9% and the average relative error was around 4.1%. An agreement existed between simulated and experimental results. Finally, the model which was validated was used to study the effect of vent opening degree (25%, 50%, 75% and 100%) under different outdoor wind speed (1, 2, 3, 4m·s-1) conditions on airflow and temperature patterns. The results showed that, the average temperature of the top of the greenhouse was higher than the bottom of the greenhouse, and the colder air outside went into the greenhouse from the west side vent, so the average temperature of the west of the greenhouse was lower than the east of the greenhouse. From south to north, the average airflow rates decreased in the greenhouse. Because of the west and east vents, the average air velocity in the center of greenhouse was lower than the side. When both top and side vents full opened, the airflow in greenhouse was relatively low. Temperature distribution was uniform in the large-scale greenhouse when the vent opening degree was 100%. The outdoor wind speed had a significant positive correlation with the ventilation rate when vent opening degree was kept constant. For the purpose of cooling, the optimum vent opening degree was 75%-100%. If the temperature of the greenhouse was suitable for crop growth and the outdoor wind speed was faster than about 3m·s-1, the optimum vent opening degree should be less than 75%.

CFD model; Model; Temperature field; Air flow field; Ventilation rate

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.04.003

2016-08-23

。E-mail：chengruifeng@caas.cn

科技部863計(jì)劃課題（2013AA102407）；國家自然科學(xué)基金（51508560）；國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2014DFG32110）

張芳（1992-），女，碩士生，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程方面研究。E-mail：zhangfang_jy@163.com