環(huán)流風(fēng)機(jī)布置對(duì)溫室內(nèi)流場(chǎng)影響的CFD模擬

洪亞杰，王新忠，李亮亮，陳 健，盧 青

(1.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

在我國(guó)很多地區(qū)，夏季氣候的主要特點(diǎn)是高溫和高濕，隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)溫室內(nèi)部的溫度會(huì)急劇升高，不適宜作物的生長(zhǎng)[1-2]。自然通風(fēng)受外界影響較大，且降溫效果不明顯，難以達(dá)到作物生長(zhǎng)的要求，需要采用機(jī)械通風(fēng)強(qiáng)制空氣流動(dòng)，從而保證溫室的正常生產(chǎn)[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)溫室夏季通風(fēng)降溫開(kāi)展了廣泛研究。Dayan[4]對(duì)比了連棟溫室自然通風(fēng)、自然通風(fēng)+遮陽(yáng)及風(fēng)機(jī)+濕簾降溫方法，給出不同降溫措施的降溫效果。Flores-Velazquez[5]對(duì)機(jī)械通風(fēng)工況下溫室內(nèi)部溫度分布進(jìn)行模擬，得出機(jī)械通風(fēng)時(shí)降溫效果受溫室長(zhǎng)度限制，且降溫效果不均勻。黃全豐[6]針對(duì)機(jī)械通風(fēng)情況下溫室內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，得出從濕簾到風(fēng)機(jī)水平和豎直方向都存在溫度梯度，且溫室中部溫度相對(duì)較低。針對(duì)夏季溫室內(nèi)部豎直方向上梯度較大的問(wèn)題，張樹(shù)閣[7]進(jìn)行了不同濕簾風(fēng)機(jī)安裝高度對(duì)降溫效果影響的對(duì)比試驗(yàn)，得出提高濕簾和風(fēng)機(jī)的安裝位置可以降低溫室內(nèi)植物冠層的溫度的結(jié)論。相關(guān)文獻(xiàn)表明：在研究手段上，CFD模擬已經(jīng)被證明是研究溫室內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的可行手段[8-13]。目前，對(duì)于機(jī)械通風(fēng)的研究主要以塑料大棚溫室和普通Venlo型溫室為對(duì)象，針對(duì)新型結(jié)構(gòu)的大肩高連棟玻璃溫室夏季機(jī)械通風(fēng)時(shí)降溫效果及在機(jī)械通風(fēng)時(shí)環(huán)流風(fēng)機(jī)所起的作用的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

本文以6m肩高連棟玻璃溫室為研究對(duì)象，對(duì)其夏季機(jī)械通風(fēng)狀態(tài)下室內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，并進(jìn)一步探討溫室環(huán)流風(fēng)機(jī)布置對(duì)夏季機(jī)械通風(fēng)降溫的影響，為夏季溫室的生產(chǎn)調(diào)控和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 試驗(yàn)方案與CFD建模

1.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)用連棟玻璃溫室肩高6m，東西共3跨，跨度分別為12、16、12m，共寬40m；南北5個(gè)開(kāi)間，每個(gè)開(kāi)間8m，共長(zhǎng)40m；溫室面積為1 600m2。溫室屋頂和四周覆蓋5mm鋼化玻璃，溫室四周布置門窗系統(tǒng)。濕簾安裝在北面山墻上，長(zhǎng)40m，高1.8m，厚0.1m，濕簾底邊距地面0.8m。濕簾配有外翻窗，外翻窗打開(kāi)時(shí)可為濕簾提供進(jìn)風(fēng)通道。風(fēng)機(jī)安裝在濕簾對(duì)面山墻，風(fēng)機(jī)直徑1.38m，軸心距地面1.5m，每臺(tái)風(fēng)機(jī)為流量4 000m3/h的排風(fēng)扇。試驗(yàn)溫室的平面布置如圖1所示。試驗(yàn)期間，溫室內(nèi)種有西葫蘆，高度約0.8m，種植區(qū)域距離四周墻壁各2m。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)安排在2017年8-9月進(jìn)行。溫室外部溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、太陽(yáng)總輻射及光照度等數(shù)據(jù)，由放置在距溫室南墻50m處的空曠地面上的TYD-ZS2型環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀自動(dòng)采集。溫室內(nèi)溫濕度由ZDR-3W1S溫濕度自動(dòng)記錄儀記錄，具體安裝位置如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)溫室平面布置示意圖

圖2 溫室內(nèi)溫濕度記錄儀布置

每個(gè)記錄儀包括3個(gè)溫度傳感器和1個(gè)濕度傳感器，為測(cè)量溫室內(nèi)部植物冠層溫度情況和溫室內(nèi)部豎直方向上溫度的變化，根據(jù)溫室肩高和作物的高度，將每個(gè)記錄儀上的3個(gè)溫度傳感器分別布置在離地1、2、4m高度，1個(gè)濕度傳感器布置在離地1m高度。溫室四周玻璃、屋頂、濕簾、地面及作物葉片溫度利用Fluke568/566紅外接觸式點(diǎn)溫儀手動(dòng)測(cè)量。

1.3 試驗(yàn)溫室CFD建模

1.3.1 計(jì)算域選擇和網(wǎng)格劃分

在構(gòu)建機(jī)械通風(fēng)工況下6m肩高溫室的CFD模型時(shí)，考慮到該工況下溫室的側(cè)窗和頂窗關(guān)閉，通過(guò)風(fēng)機(jī)向室外排風(fēng)，室內(nèi)形成負(fù)壓，室外空氣從濕簾入口被吸入溫室，室外空氣流動(dòng)對(duì)室內(nèi)影響很小，所以計(jì)算域并未增加溫室外部尺寸，整個(gè)計(jì)算域尺寸即試驗(yàn)溫室尺寸。以溫室西北角為坐標(biāo)原點(diǎn)，正東方向?yàn)閄軸正方向，豎直向上為Y軸正方向，正南方向?yàn)閆軸正方向，同時(shí)以溫室的南北方向?yàn)闄M向，東西方向?yàn)榭v向。利用ICEM CFD按1:1的比例繪制溫室模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于網(wǎng)格的數(shù)目和質(zhì)量對(duì)求解過(guò)程有重要的影響，因此網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)作物、濕簾和風(fēng)機(jī)處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理[14]。模型共有3 795 112個(gè)單元數(shù)、7 642 064個(gè)面、669 495個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格無(wú)負(fù)體積。機(jī)械通風(fēng)時(shí)溫室網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 溫室CFD模型結(jié)構(gòu)圖

圖4 機(jī)械通風(fēng)時(shí)溫室網(wǎng)格

1.3.2 單元區(qū)域條件和物質(zhì)熱物理特性參數(shù)設(shè)置

溫室內(nèi)部區(qū)域?yàn)榭諝?，需要設(shè)定空氣的材料參數(shù)。作物區(qū)域?yàn)?6m×36m×0.8m的長(zhǎng)方體，設(shè)為多孔介質(zhì)域,材料設(shè)為作物。CFD模型中材料屬性相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 CFD模型中材料屬性相關(guān)參數(shù)[15]

1.3.3 邊界條件設(shè)置

在模擬機(jī)械通風(fēng)工況時(shí)，溫室的進(jìn)口和出口分別是濕簾和風(fēng)機(jī)。因?yàn)闈窈燂L(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)是通過(guò)布置在排風(fēng)口的風(fēng)機(jī)向室外排風(fēng)，使溫室內(nèi)部的空氣壓力形成低于室外的負(fù)壓，室外空氣從溫室的進(jìn)風(fēng)口被吸入室內(nèi)。因此，在機(jī)械通風(fēng)時(shí)根據(jù)濕簾風(fēng)機(jī)的工作原理，將入口邊界設(shè)為壓力入口(Pressure-inlet)，出口邊界設(shè)為排氣風(fēng)扇(Exhaust-fan)，具體設(shè)置如表2所示。溫室四周壁面設(shè)置為Wall，設(shè)置壁面熱力學(xué)邊界條件時(shí)根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行初始設(shè)置。模擬時(shí)，太陽(yáng)輻射的加載使用太陽(yáng)射線追蹤算法(Solar Ray Tracing)，利用太陽(yáng)計(jì)算器(Solar Calculator)設(shè)置時(shí)間、日期和經(jīng)緯度，來(lái)計(jì)算太陽(yáng)光束方向、輻射量。

表2 機(jī)械通風(fēng)進(jìn)出口參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 模型有效性驗(yàn)證

以2017年8月30日下午試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行模型驗(yàn)證。試驗(yàn)起始室外溫度36.6℃，室內(nèi)2m高度溫度達(dá)到40℃，此時(shí)溫室需要開(kāi)啟機(jī)械通風(fēng)進(jìn)行降溫。具體工況為：頂窗和側(cè)窗關(guān)閉，內(nèi)遮陽(yáng)收起，外遮陽(yáng)展開(kāi)，開(kāi)啟濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

為了驗(yàn)證所建立的6m肩高溫室CFD模型的正確性，利用溫室試驗(yàn)中實(shí)際測(cè)得的溫度與模型中相同位置處的溫度進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)械通風(fēng)工況溫室CFD模型驗(yàn)證

由圖5可知：機(jī)械通風(fēng)工況下模擬值和實(shí)測(cè)值之間數(shù)據(jù)基本吻合且變化規(guī)律一致，測(cè)點(diǎn)的最大誤差為2.4℃，最大相對(duì)誤差6.70%，平均相對(duì)誤差為2.87%。這說(shuō)明，所建立的CFD模型以及邊界條件的設(shè)置是有效的，模型對(duì)實(shí)際情況的反映程度較好。

2.2 機(jī)械通風(fēng)工況下室內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布

圖6為機(jī)械通風(fēng)工況下6m肩高溫室在X=6、20、34m等3個(gè)橫向截面上速度云圖。因?yàn)樵跈C(jī)械通風(fēng)時(shí)側(cè)窗、頂窗和門都關(guān)閉，室外空氣從濕簾進(jìn)入溫室，后從風(fēng)機(jī)排出，基本不受外界風(fēng)速的影響，因此溫室內(nèi)3個(gè)截面上風(fēng)速變化情況較為類似。室外空氣從濕簾處進(jìn)入溫室后，存在一個(gè)很明顯的氣流通道。溫室下部由于作物的阻礙，風(fēng)速較低，在溫室上部也存在很大一片低風(fēng)速區(qū)域。

圖6 橫向截面(X=6、20、34m)速度場(chǎng)分布云圖

進(jìn)一步分析在機(jī)械通風(fēng)時(shí)6m肩高溫室內(nèi)橫向截面上溫度場(chǎng)分布，圖7為X=6、20、34m等3個(gè)截面上的溫度場(chǎng)云圖。室外空氣經(jīng)過(guò)濕簾后變成濕冷空氣進(jìn)入溫室，吸收室內(nèi)熱量后經(jīng)風(fēng)機(jī)流出溫室，3個(gè)截面中下部溫度與室外相比要低，溫室上部因不在濕簾風(fēng)機(jī)的氣流通道內(nèi)，溫度仍然很高。另外，在濕簾風(fēng)機(jī)方向上溫度梯度明顯，由北向南溫度逐漸升高。在1m高度(作物冠層高度)上，室內(nèi)平均溫度為31.6℃，約比室外低5℃。3個(gè)截面溫度相近，故在機(jī)械通風(fēng)工況下溫室縱向上溫度差不大；但在溫室橫向上溫度差異明顯，在X=20m橫向截面上Y=1m高度處Z=0.5m和38.5m兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的溫度分別為29.7℃和33.3℃，溫度差達(dá)到3.6℃。

為進(jìn)一步了解溫室內(nèi)豎直方向上溫度的變化，繪制X=6m橫向截面上Z=20m處沿高度方向室內(nèi)溫度分布曲線，如圖8所示。

圖7 橫向截面(X=6、20、34m)溫度場(chǎng)分布云圖

圖8 X=6m橫向截面上(Z=20m)沿高度方向溫度分布曲線Fig.8 Temperature along the Height DirectionZ=20m) on Transverse Section(X=6m)

由圖8可以看出：在溫室高度方向上可分為上下兩個(gè)部分；在溫室中下部分溫度變化幅度很小，在0～4.3m高度上溫度由32.3℃先下降到31.6℃后緩慢上升至32.3℃，溫度差在1℃以內(nèi)；上面部分溫度梯度十分明顯，4.3～5.5m高度溫度升高8℃。

2.3 環(huán)流風(fēng)機(jī)對(duì)溫室內(nèi)流場(chǎng)的影響

為降低機(jī)械通風(fēng)時(shí)溫室內(nèi)溫度梯度，提高溫室環(huán)境的均勻性通常在溫室內(nèi)布置環(huán)流風(fēng)機(jī)，可以利用CFD模型對(duì)有無(wú)環(huán)流風(fēng)機(jī)及環(huán)流風(fēng)機(jī)不同布置方向進(jìn)行模擬分析。具體模擬工況如下：工況1為僅濕簾風(fēng)機(jī)通風(fēng)；工況2為濕簾風(fēng)機(jī)加環(huán)流風(fēng)機(jī)，其中X=20m橫截面上兩臺(tái)環(huán)流風(fēng)機(jī)風(fēng)向與濕簾風(fēng)機(jī)風(fēng)向相同，兩側(cè)的四臺(tái)環(huán)流風(fēng)機(jī)風(fēng)向相反；工況3為濕簾風(fēng)機(jī)加環(huán)流風(fēng)機(jī)，6臺(tái)環(huán)流風(fēng)機(jī)的風(fēng)向都與濕簾風(fēng)機(jī)方向相同。環(huán)流風(fēng)機(jī)高度為試驗(yàn)時(shí)6m肩高溫室內(nèi)環(huán)流風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝高度(5m)。

圖9為3種工況下溫室在X=6、20、34m橫向截面上溫度分布云圖。由圖9可以看出：使用環(huán)流風(fēng)機(jī)后溫室上層高溫區(qū)域的溫度得到降低。3種工況下溫室中下層溫度仍呈現(xiàn)階梯式分布，相比于工況1，工況2和工況3云圖上中下部區(qū)域每個(gè)溫度梯度變化位置都向南側(cè)推移，表明使用環(huán)流風(fēng)機(jī)后室內(nèi)低溫區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大(尤其是31～32℃區(qū)域)，降溫范圍得到了提高，即環(huán)流風(fēng)機(jī)促進(jìn)了濕冷空氣從濕簾向風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了氣流運(yùn)動(dòng)方向上的“接力”。

圖9 橫向截面上(X=6、20、34m)溫度云圖對(duì)比

圖10為3種工況下在X=6m橫向截面上1m高度處室內(nèi)南北方向上風(fēng)速變化曲線。其中，工況2和工況3溫度曲線基本重合，低于工況1下的溫度。在1m高度上，工況1南北平均溫度31.6℃，南北溫度差最大值達(dá)到3.2℃，距濕簾前22m溫度低于32℃，占溫室南北長(zhǎng)度的55%；工況2和工況3平均溫度31.3℃，南北溫度差最大值達(dá)2.7℃，減小了0.5℃，前30m溫度都低于32℃，占溫室南北長(zhǎng)度的75%，降溫距離增加了20%；工況2和3在1m高度上降溫效果極為相近。

圖10 在X=6m橫向截面上1m高度處室內(nèi)南北溫度

Section(X=6m)

圖11為溫室在3種工況下Y=5m水平截面上溫度分布云圖。由圖11可以看出：環(huán)流風(fēng)機(jī)對(duì)溫室上部的溫度分布有很大影響。未使用濕簾風(fēng)機(jī)時(shí)，室內(nèi)存在很大一片區(qū)域的溫度超過(guò)40℃，使用環(huán)流風(fēng)機(jī)后整個(gè)截面上的溫度都得到降低。對(duì)比工況2和3的降溫效果，發(fā)現(xiàn)工況2中溫室北側(cè)低于35℃區(qū)域更大，且南側(cè)38℃以上高溫區(qū)域較少，整體的溫度分布更加均勻。分析可知：在6m肩高溫室內(nèi)，使用濕簾風(fēng)機(jī)通風(fēng)降溫時(shí)，環(huán)流風(fēng)機(jī)如工況2布置降溫效果更好。

圖11 Y=5m水平截面上溫度云圖對(duì)比

3 結(jié)論

1)利用CFD技術(shù)對(duì)6m肩高連棟玻璃溫室模擬時(shí)，模擬值和實(shí)測(cè)值之間數(shù)據(jù)基本吻合且變化規(guī)律一致，測(cè)點(diǎn)的最大誤差為2.4℃，最大相對(duì)誤差6.70%，平均相對(duì)誤差為2.87%，所建立的CFD模型以及邊界條件的設(shè)置有效。

2)機(jī)械通風(fēng)對(duì)溫室環(huán)境的作用明顯，室內(nèi)作物冠層溫度可比室外低5℃。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：溫室縱向上溫度差不大，但在橫向上溫度差異明顯，溫度差最大達(dá)3.6℃；溫室高度方向上分為上下兩部分，下面一部分在濕簾風(fēng)機(jī)冷空氣通道內(nèi)，溫度變化幅度很小，0～4.3m高度溫度差在1℃以內(nèi)；上面部分溫度梯度十分明顯，4.3～5.5m高度溫度升高8℃。

3)環(huán)流風(fēng)機(jī)可使得濕冷空氣在從濕簾向風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)“接力”，促進(jìn)室內(nèi)空氣流動(dòng)。增加環(huán)流風(fēng)機(jī)后濕簾風(fēng)機(jī)的降溫范圍得到提高，溫室南北溫度差減小0.5℃，32℃以下區(qū)域增加了20%。同時(shí)，室內(nèi)不同橫向截面上環(huán)流風(fēng)機(jī)按相反方向布置時(shí)室內(nèi)冷熱空氣混合更好，溫度分布更加均勻。