葡萄棚架下噴霧降溫系統(tǒng)的fluent模擬

張 衡，雷曉云，白云崗，劉洪波

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊 830052；2. 新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

吐哈盆地作為我國(guó)著名的葡萄生產(chǎn)基地，由于極端干旱的氣候條件，葡萄在果實(shí)膨大期受干熱風(fēng)的影響，植株蒸騰作用加強(qiáng)，體內(nèi)水分平衡失調(diào)，光合作用受阻或遭到破壞，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化失常，對(duì)葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)造成極大的影響。為了解決這一問(wèn)題，在葡萄棚架下安裝彌霧微噴頭，于果實(shí)膨大期日溫度最高時(shí)進(jìn)行噴霧降溫處理，既能降低棚架下的高溫又能適當(dāng)?shù)脑黾优锛芟孪鄬?duì)濕度，削減干熱風(fēng)對(duì)葡萄的影響，取得較好的降溫效果[1]。國(guó)內(nèi)外多為研究溫室噴霧降溫，在室外大氣條件下對(duì)作物進(jìn)行噴霧降溫的研究較少[2-7]。譚勝男等進(jìn)行了溫室噴霧降溫系統(tǒng)模擬研究，研究表明在噴霧后，溫室內(nèi)溫度明顯降低，噴頭下方降溫最為明顯[8]；王軍鋒等對(duì)室外進(jìn)行降溫效果模擬，結(jié)果表明細(xì)水霧室外環(huán)境降溫可以有效降低人體舒適度指數(shù)，增強(qiáng)人體舒適感，有效改善室外環(huán)境質(zhì)量[9]；劉春等對(duì)室外空間進(jìn)行噴霧降溫模擬分析，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性[10]。

本文是在吐哈盆地對(duì)葡萄常規(guī)滴灌的基礎(chǔ)上，于葡萄棚架上50 cm、棚架下50 cm和地上30 cm 三種不同位置布設(shè)彌霧微噴頭，通過(guò)對(duì)不同處理上產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合對(duì)比，擇選出在棚架下50 cm布設(shè)微噴能夠使得葡萄優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。針對(duì)此處理運(yùn)用fluent軟件模擬真實(shí)的棚架下溫度場(chǎng)分布，在綜合考慮太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)流等因素下，采用組分傳輸模型和離散項(xiàng)模型對(duì)葡萄棚架下溫濕度分布情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，并通過(guò)試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的正確性，為噴霧降溫方案的合理設(shè)計(jì)和規(guī)劃提供理論依據(jù)，從而可以優(yōu)化噴霧方案，幫助噴霧降溫設(shè)備最大限度地發(fā)揮高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)噴霧降溫技術(shù)進(jìn)一步推廣的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及噴頭布置

試驗(yàn)地位于新疆維吾爾自治區(qū)鄯善縣葡萄瓜果開(kāi)發(fā)研究中心(42.91°N， 90.30°E)，葡萄架長(zhǎng)14 m，跨度2 m，高1.8 m，棚架后方與架頂均有藤蔓覆蓋，三測(cè)敞開(kāi)。棚架下方50 cm處每隔2 m安裝一套彌霧微噴毛管及噴頭，共有6個(gè)噴頭。噴霧系統(tǒng)采用微孔高壓式霧化技術(shù)，可噴射出直徑小于0.5 mm的小液滴。噴頭流量為40 L/h，噴射直徑為200 cm，微噴在葡萄果實(shí)膨大期(6月上旬到7月上旬)中午14∶00左右開(kāi)啟噴水1 h。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

在距噴頭垂直高度為10、20、30、40和50 cm處安裝百葉箱，共放置3組內(nèi)置HC-2溫濕度自動(dòng)記錄儀，對(duì)棚架下空氣溫濕度每隔0.5 h記錄1次，這樣能夠較為全面的測(cè)量棚架下的溫濕度分布情況，溫濕度記錄儀布設(shè)示意圖如圖1所示。棚架外的氣象資料由小型田間氣象站獲取。

圖1 棚架下溫濕度記錄儀及噴頭位置

2 模型的構(gòu)建

2.1 基本控制方程

葡萄棚架下的自然通風(fēng)過(guò)程具有明顯的湍流特征，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，噴嘴模型采用壓力旋流霧化噴嘴模型[11]對(duì)葡萄棚架進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。棚架下流體的基本控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程,方程通式為[12]:

(1)

式中：φ為通用變量μ、ν、ω、h、T或E等；ρ為密度，kg/m3；μ為速度矢量；Γ為擴(kuò)散通量；Sφ為源項(xiàng)。

2.2 計(jì)算模型選擇

2.2.1 輻射模型

太陽(yáng)輻射是影響葡萄棚架下溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)分布的重要因素。當(dāng)陽(yáng)光照射到葡萄棚架上時(shí)，一部分被葡萄葉片反射和吸收，剩余一部分則通過(guò)葉片間的空隙進(jìn)入葡萄棚架下。進(jìn)入葡萄架下的太陽(yáng)輻射，有的被空氣介質(zhì)吸收，有的被地面吸收和反射。同時(shí)，葡萄架還受到熱輻射的影響，棚架下的地面、葡萄藤蔓、空氣之間也通過(guò)輻射進(jìn)行能量的交換。在滿足計(jì)算條件的情況下，采用DO離散坐標(biāo)模型對(duì)葡萄棚架下的各項(xiàng)熱輻射進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2.2 組分運(yùn)輸模型

空氣相對(duì)濕度是葡萄生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素自己一，為探索葡萄棚架下溫濕度場(chǎng)的分布情況，在fluent數(shù)值模擬中選用組分運(yùn)輸模型。設(shè)置混合物為空氣和水蒸氣的混合體，通過(guò)水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算計(jì)算出空氣的相對(duì)濕度(RH)，并將此氣體混合物視為不可壓縮理想氣體，在2種組分間無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。首先把水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為空氣含濕量，進(jìn)一步將含濕量轉(zhuǎn)換為空氣的相對(duì)濕度。為求解濕空氣的溫度，須求解濕空氣的焓，其關(guān)系滿足如下組分守恒方程[13]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：h為焓，J/m3；E為總能，J；P為大氣壓；ρ為空氣密度，kg/m3；mj為對(duì)應(yīng)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；hj為對(duì)應(yīng)組分的焓，J/m3；μi,μj為速度矢量；Keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；(τij)eff為有效黏性應(yīng)力；Cp,j為定壓比熱容，J(kg·K) ；Jj為組分?jǐn)U散量，g/s；T為有效溫度,K；Sh為體積熱源項(xiàng)，W/m3。

2.3 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

為了使模擬結(jié)果和實(shí)際溫度場(chǎng)分布具有較高的擬合度，fluent模型的棚架結(jié)構(gòu)與實(shí)際棚架結(jié)構(gòu)完全相同。計(jì)算域的大小直接影響模擬結(jié)果的真實(shí)性，計(jì)算域過(guò)小流場(chǎng)會(huì)失真，過(guò)大會(huì)增加網(wǎng)格的數(shù)目，計(jì)算量增大。合理選擇計(jì)算域的大小對(duì)模型模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算量的多少有很大的影響。為使模型棚架下空氣流動(dòng)情況與實(shí)際情況達(dá)到較高吻合度，在棚架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在東、南、西、北四個(gè)方向各延伸10 m，形成一個(gè)大空間包裹著葡萄棚架。在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中，網(wǎng)格的劃分尤為重要，直接影響到計(jì)算的速度變化和計(jì)算結(jié)果的成敗等。網(wǎng)格的劃分是模型計(jì)算精確的關(guān)鍵，網(wǎng)格劃分的好可以保證計(jì)算結(jié)果的精確，同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到模擬過(guò)程的穩(wěn)定性和收斂性以及模擬結(jié)果的精度性、可靠性。為使模擬值更精確，對(duì)計(jì)算域的出口邊界進(jìn)行網(wǎng)格的局部加密，并用六面體網(wǎng)格對(duì)棚架下的計(jì)算域和棚架外部空間進(jìn)行劃分，共創(chuàng)建了2 653 560個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 584 845個(gè)網(wǎng)格，棚架內(nèi)為空氣流體流域。

2.4 邊界條件

棚架下fluent數(shù)值模擬主要是以空氣作為研究對(duì)象，給定合理的邊界條件：棚架的南側(cè)設(shè)置為進(jìn)風(fēng)入口(velocity-inlet)邊界條件；棚架北側(cè)設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet)邊界條件；由于棚架開(kāi)口方向仍有葡萄棚架樹(shù)立，故將棚架的上及前后側(cè)設(shè)置為固壁(wall)邊界條件；地面設(shè)置為固壁(wall)邊界條件。測(cè)得地面溫度為30 ℃，棚架外氣溫達(dá)40 ℃，棚架下初始相對(duì)濕度33%，風(fēng)速約為1 m/s，霧滴溫度為16 ℃(灌溉用水取自地下水井)，其他各項(xiàng)主要邊界條件的初始條件和邊界條件如表1所示。

表1 初始條件和邊界條件參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 fluent模型驗(yàn)證

噴霧后，對(duì)不同測(cè)點(diǎn)高度的實(shí)測(cè)平均值和模擬平均值做比較，如圖2所示?？梢钥吹?，溫度模擬值與實(shí)測(cè)值模擬良好，平均差值為0.22 ℃，平均相對(duì)誤差為0.6%，不同高度中20 cm處的模擬值較實(shí)測(cè)值誤差最大為1.4%，30和50 cm處的誤差最小，僅為0.8%；相對(duì)濕度的模擬值與實(shí)測(cè)值的平均差值和平均相對(duì)誤差分別為1.41%和4.1%，不同高度中20 cm處的相對(duì)濕度模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差最大為6.9%，30 cm處誤差最小，僅為0.1%。數(shù)值模擬結(jié)果較為真實(shí)地反映了葡萄棚架下的溫、濕度的空間分布，各項(xiàng)均有較小的誤差。由此可見(jiàn)，本研究建立的數(shù)學(xué)模型有效，邊界條件合理。

圖2 測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值比較

3.2 不同噴霧位置的溫度場(chǎng)分布

從噴霧后葡萄架下不同水平高度的溫度場(chǎng)的變化(圖3)中可以看出，通過(guò)微噴后，葡萄棚架下不同高度的溫度場(chǎng)存在明顯的變化。從噴頭到地面，不同水平上的溫度是依次增加的，噴頭處溫度最低，隨著高度的遞減溫度緩慢增加，這是由于水溫較低，噴霧先影響噴頭位置的溫度，再呈梯度方向影響溫度變化。

從噴頭位置的溫度分布[圖3(a)]中可以看出，棚架下溫度快速下降，降溫效果明顯，尤其是在噴頭位置，由于風(fēng)速及太陽(yáng)輻射影響，棚架下溫度延風(fēng)速方向呈梯度變化，在下風(fēng)向溫度最低，進(jìn)風(fēng)口處溫度最高。在不同水平高度，自噴頭位置向下[圖3(b)～(f)]，溫度依次遞增，這是由于地面受太陽(yáng)輻射和空氣流動(dòng)影響，在微噴作用下開(kāi)始釋放熱量，并蒸發(fā)水滴，使得溫度上升。受棚架外的高溫影響，地面溫度與棚架進(jìn)風(fēng)口在距離上由內(nèi)到外逐漸遞減。且在圖中可以看出，在棚架橫向開(kāi)口處由于受到干熱風(fēng)影響，溫度下降較為緩慢，在棚架后方由于受到葡萄藤蔓的隔離作用，溫度下降最為明顯。

圖3 不同梯度水平面溫度場(chǎng)分布

4 結(jié) 論

(1)對(duì)吐哈盆地葡萄架下的噴霧降溫系統(tǒng)進(jìn)行fluent數(shù)值模擬，棚架下測(cè)點(diǎn)的平均溫、濕度的模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差分別為0.6%和4.1%，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合度較高，說(shuō)明所建立的fluent模型和邊界條件是正確的，采用離散相模型模擬噴霧降溫是可行的。

(2)棚架下噴霧后溫度在水平方向上沿進(jìn)風(fēng)口位置存在明顯的梯度變化，噴頭處最低，在豎直方向上隨著離噴頭位置增加，溫度逐漸增大。棚架下方同一水平面上，由于兩側(cè)受到藤蔓和干熱風(fēng)的影響，藤蔓一側(cè)溫度下降明顯，無(wú)藤蔓遮擋一側(cè)受干熱風(fēng)影響，溫度下降緩慢。

(3)噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)備便宜，安裝簡(jiǎn)單，降溫效果好，且其在降溫的同時(shí)增加了空氣濕度，對(duì)吐哈地區(qū)葡萄受高溫天氣影響的熱灼有明顯的抑制作用，且可以在給葡萄生長(zhǎng)環(huán)境降溫的同時(shí)可以提高葡萄的產(chǎn)量及品質(zhì)。

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