某溫室大棚自然通風(fēng)的CFD 模擬分析

尹奎超

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

近年來(lái)，隨著CFD 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，它在園林綠化領(lǐng)域也展現(xiàn)出了它獨(dú)特的優(yōu)越性和價(jià)值。CFD 可以通過(guò)對(duì)模型的建模及數(shù)值模擬分析，以流體質(zhì)量，動(dòng)量和能量三大守恒方程為數(shù)值計(jì)算的理論依據(jù)，結(jié)合流體湍流模型對(duì)園林綠化中常見(jiàn)的溫室大棚內(nèi)氣流模式和溫濕度，濃度等因子的空間分布進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，并將結(jié)果可視化。對(duì)影響溫室大棚種植效果的一些環(huán)境因素，如風(fēng)壓、農(nóng)作物高度等，可以精準(zhǔn)地進(jìn)行分析。這對(duì)園林綠化前期的投入分析和效果預(yù)測(cè)有很大的幫助作用，因此越來(lái)越受到人們的重視。

本文以我國(guó)南部地區(qū)某溫室大棚為例，結(jié)合溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的多孔介質(zhì)模型，建立了該溫室大棚的全尺度自然通風(fēng)CFD 模型并對(duì)該模型進(jìn)行了模擬分析。通過(guò)冬季工況與夏季工況兩種工況對(duì)比發(fā)現(xiàn)：農(nóng)作物冠層的阻力以及室內(nèi)風(fēng)壓是影響溫室大棚內(nèi)氣流組織及溫濕度的最主要因素。實(shí)測(cè)結(jié)果也與CFD 模擬結(jié)果接近，表明CFD 模擬結(jié)果能夠較真實(shí)有效地反映實(shí)際溫室內(nèi)溫、濕度情況。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該溫室大棚位于東經(jīng)107.18°，北緯35.45°。溫室大棚的總面積為5300 m2。整個(gè)大棚分為三段，第一段為根莖類(lèi)區(qū)，地面半徑為33 m，高20 m。第二段為蔬菜區(qū)，地面半徑為20 m，高20.9 m。第三段為當(dāng)季經(jīng)濟(jì)作物區(qū)，地面半徑為25 m，高12.8 m。

溫室大棚頂部開(kāi)有三個(gè)天窗，天窗面積從左至右分別為124.6 m2、62.4 m2、68.4 m2，溫室大棚設(shè)計(jì)三個(gè)自然進(jìn)風(fēng)口，門(mén)的面積分別為16.5 m2、14.2 m2、18 m2，該溫室大棚的示意圖如圖1：

圖1 溫室大棚布局示意圖

該溫室大棚四周采用雙層ETFE 膜圍護(hù)。ETFE膜厚度0.25 mm，空氣間層50 mm。材料的熱學(xué)和光學(xué)屬性見(jiàn)表1 所示。

表1 溫室大棚材料光學(xué)和熱學(xué)屬性

2 CFD 建模

2.1 數(shù)學(xué)模型建立及簡(jiǎn)化

本文所研究的溫室大棚氣流場(chǎng)可大致認(rèn)為是一個(gè)紊流的三維穩(wěn)定流場(chǎng)，用Reynolds 時(shí)均方程法進(jìn)行模擬，自然對(duì)流情況下溫室內(nèi)氣流場(chǎng)的雷諾數(shù)Re 遠(yuǎn)大于1010，因此室內(nèi)氣流在本文中認(rèn)為是湍流流動(dòng)[1]。湍流流動(dòng)的模型采用Indoor 零方程模型。

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，本文對(duì)所研究溫室大棚氣流流場(chǎng)作出以下6 種假設(shè)：

①符合Boussinesq 假設(shè)，即認(rèn)為流體密度僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響，并且在能量方程中加入浮升力影響。

②溫室內(nèi)氣流為低速流動(dòng)，且溫差變化不大，視為不可壓縮牛頓流體。

③流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流。

④溫室內(nèi)氣密性良好，門(mén)沒(méi)有發(fā)生開(kāi)關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致的氣體流動(dòng)。

⑤模擬過(guò)程中忽略溫室內(nèi)發(fā)熱源如照明、紫外線(xiàn)燈等對(duì)氣流的影響。

⑥模擬過(guò)程中假設(shè)溫室內(nèi)所有物體均是靜止不動(dòng)的。

采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬農(nóng)作物對(duì)空氣流動(dòng)的拖動(dòng)效應(yīng)通過(guò)源項(xiàng)加載到動(dòng)量方程中體現(xiàn)。溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物在自然通風(fēng)條件下將截獲的太陽(yáng)輻射以顯熱和潛熱的形式與周?chē)諝膺M(jìn)行質(zhì)熱交換，溫室中農(nóng)作物冠層與室內(nèi)空氣存在溫差，農(nóng)作物—環(huán)境之間顯熱交換量主要由農(nóng)作物冠層的空氣動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算所得的顯熱能量在能量控制方程中以源項(xiàng)的形式進(jìn)行自定義。農(nóng)作物吸收太陽(yáng)輻射通過(guò)蒸騰作用轉(zhuǎn)化成汽化潛熱，并影響溫室內(nèi)相對(duì)濕度的分布，以自定義源項(xiàng)的形式增加到組分方程中求解。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界建立

為了提高計(jì)算精度，同時(shí)考慮到高大空間的溫室大棚尺寸較大以及CFD 軟件所配置的計(jì)算機(jī)實(shí)際計(jì)算能力，以本文所研究的大棚內(nèi)實(shí)際空間為計(jì)算域建立模型。本文利用ICEM CFD 18.0 劃分非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并在天窗及入口處進(jìn)行加密處理，以適應(yīng)流場(chǎng)梯度變化大的要求，經(jīng)反復(fù)嘗試，最終生成4486075 個(gè)網(wǎng)格。

表2 CFD 模擬邊界條件

邊界條件依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置，見(jiàn)表2。第一次測(cè)試時(shí)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，溫室入口位于西南方向。因此本文并未采用多數(shù)文獻(xiàn)直接給出入口處風(fēng)速的做法[3]，而是將入口處風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓，嘗試采用以通風(fēng)口入口（vent-inlet）設(shè)定風(fēng)壓給定邊界條件的方法來(lái)對(duì)通風(fēng)狀況下溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬，避免擴(kuò)大計(jì)算域?qū)е碌倪\(yùn)算量較大的問(wèn)題，天窗邊界條件設(shè)置為通風(fēng)口出口（vent-outlet）邊界[2]。

2.3 求解方法

求解過(guò)程是利用分離求解器以求解壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）進(jìn)行迭代計(jì)算求解。本模擬計(jì)算選擇體積力加權(quán)法先進(jìn)行壓力離散。求解時(shí)，求解器設(shè)置參數(shù)為穩(wěn)態(tài)分析，以一階迎風(fēng)格式計(jì)算，壓力取0.7、動(dòng)量取0.3、能量殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)分析取10-6，其他變量殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)取10-3。最后以ANSYS Fluent 18.0 作為通用CFD 求解器進(jìn)行了數(shù)值仿真。

3 模擬結(jié)果及分析驗(yàn)證

3.1 溫室大棚內(nèi)溫度水平分布模擬及分析

溫室大棚內(nèi)夏季工況與冬季工況下的溫度水平分布模擬，本文選取距離地面0.8 m 處的橫向截面即溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的平均高度為參考面，所得結(jié)果見(jiàn)圖2，圖3：

圖2 溫室大棚內(nèi)夏季工況下距地面0.8 m 處溫度水平分布

圖3 溫室大棚內(nèi)冬季工況下距地面0.8m 處溫度水平分布

從圖2、圖3 可知，無(wú)論在夏季還是冬季工況下，受溫室大棚內(nèi)的農(nóng)作物冠層阻力作用，溫室大棚入口處溫度梯度下降均表現(xiàn)明顯，因?yàn)槭彝猸h(huán)境溫度比溫室大棚內(nèi)溫度要高，因此，在溫室大棚的入口處溫度較高，進(jìn)入溫室大棚后由于農(nóng)作物的阻力作用，對(duì)溫室大棚內(nèi)氣流有明顯影響，溫度急劇下降。離門(mén)口越遠(yuǎn)，溫度越低，而靠近溫室大棚邊緣時(shí)，溫度又會(huì)突然升高。

夏季工況下，由于風(fēng)速較快，且溫度相對(duì)較高，因此在三個(gè)大棚內(nèi)，溫度梯度表現(xiàn)都非常明顯。而在冬季工況下，溫度梯度表現(xiàn)相對(duì)較弱，在蔬菜區(qū)及經(jīng)濟(jì)作物區(qū)，甚至除了門(mén)口少量范圍，溫室大棚內(nèi)大部分地區(qū)溫度均勻。由此可知，溫室大棚內(nèi)通風(fēng)主要受風(fēng)壓作用影響。由于冬季入口風(fēng)速較小，室外空氣對(duì)溫室氣流的影響主要在進(jìn)風(fēng)口處，溫室內(nèi)大部分區(qū)域溫濕度較為均勻，溫度大致在22 ℃左右，相對(duì)濕度大致在75%～80%。

3.2 溫室大棚內(nèi)溫度垂直分布模擬及分析

溫室大棚內(nèi)夏季工況與冬季工況下的溫度垂直分布模擬，本文選取溫室大棚中心的縱向截面為參考面，所得結(jié)果見(jiàn)圖4，圖5：

圖4 溫室大棚內(nèi)夏季工況下溫度垂直分布

圖5 溫室大棚內(nèi)冬季工況下溫度垂直分布

由圖4、圖5 可知，溫室大棚內(nèi)熱壓作用明顯，出現(xiàn)明顯的垂直壓力梯度。由于溫室大棚高度最高達(dá)20.9 m，而自然通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口位于底部且開(kāi)口不大，因此中和面位置接近天窗。中部圓頂天窗以下均為負(fù)壓，導(dǎo)致中部圓頂天窗出現(xiàn)回流，受回流影響中部圓頂室內(nèi)空氣溫度較其他區(qū)域高，相對(duì)濕度較其他區(qū)域低。室外空氣溫度高于室內(nèi)空氣，進(jìn)風(fēng)氣流直接受熱浮力作用攀升進(jìn)而由天窗排出。

對(duì)比圖4、圖5 可知，兩種工況下溫室大棚內(nèi)進(jìn)風(fēng)口附近溫度均出現(xiàn)明顯的梯度，溫室最底部即植物冠層內(nèi)部氣流流速明顯減弱，冠層上方流速較快，表明農(nóng)作物冠層的阻力作用對(duì)室內(nèi)氣流分布模式有影響。

3.3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CFD 模型及模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，作者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了溫度測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分別于2018 年6 月12號(hào)14:30 及2018 年11 月13 號(hào)9:30 進(jìn)行。測(cè)試時(shí)溫室天窗和西南方向的三個(gè)門(mén)全開(kāi)。測(cè)試時(shí)天氣為陰，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)。測(cè)試參數(shù)為室內(nèi)外氣象參數(shù)。測(cè)試儀器有溫濕度記錄儀、干濕球溫度計(jì)、手持式紅外線(xiàn)測(cè)溫儀、手持式熱線(xiàn)風(fēng)速儀等。平面坐標(biāo)以左側(cè)圓頂?shù)孛鎴A心為坐標(biāo)原點(diǎn)，所有測(cè)點(diǎn)離地面約為1 m。測(cè)試數(shù)據(jù)每半個(gè)小時(shí)采集一次，測(cè)試期間氣象參數(shù)比較穩(wěn)定。測(cè)點(diǎn)溫濕度由干濕球溫度計(jì)采集，同時(shí)采集該處測(cè)點(diǎn)的土壤溫度以及溫室膜表面溫度，土壤溫度以及溫室膜溫度由手持式紅外測(cè)溫儀測(cè)量。豎向測(cè)點(diǎn)由溫濕度記錄儀采集，溫濕度記錄儀置于防輻射罩內(nèi)。采樣結(jié)束后，所有測(cè)試數(shù)據(jù)均取均值處理。

圖6 為溫室大棚內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度實(shí)測(cè)值和CFD模擬值：

圖6 溫室大棚內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫濕度度實(shí)測(cè)值和模擬值

由圖6 可知測(cè)試時(shí)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0～2.3 ℃之間，最大誤差10%，平均誤差3.04%。相對(duì)濕度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0%～10%之間，最大誤差8%，平均誤差為6.58%。距地面1 m 的平面測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)20 的溫度模擬值較實(shí)測(cè)值大，其原因在于數(shù)值模型中忽略了溫室地面蒸發(fā)作用和溫室景觀(guān)水池水面蒸發(fā)作用，豎向測(cè)點(diǎn)21～測(cè)點(diǎn)29 溫度模擬值較實(shí)測(cè)小，可能的原因儀器懸掛在高空，無(wú)樹(shù)木遮擋，受到太陽(yáng)輻射作用使測(cè)量值升高。因溫濕度的耦合作用，相對(duì)濕度的情況相反。

由此可知，CFD 模擬結(jié)果能夠較真實(shí)有效地反映實(shí)際溫室內(nèi)溫、濕度情況。

4 結(jié)論

本文以南方某溫室大棚為例，構(gòu)建了高大空間自然通風(fēng)CFD 模型，得出結(jié)論如下：

1）通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)表明了CFD 計(jì)算值與各測(cè)點(diǎn)平均溫濕度實(shí)測(cè)值基本吻合，平均溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在8%以?xún)?nèi)，平均相對(duì)濕度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在10%以?xún)?nèi)。因此，對(duì)于此類(lèi)高大空間溫室大棚室內(nèi)通風(fēng)分析，采用多孔介質(zhì)模型所建立的CFD 模型有效。

2）無(wú)論夏季還是冬季工況，溫室大棚內(nèi)進(jìn)風(fēng)口附近溫濕度出現(xiàn)明顯的梯度，而從垂直分布來(lái)看，農(nóng)作物冠層溫度下降較快，表明農(nóng)作物冠層的阻力作用對(duì)室內(nèi)氣流分布模式有影響。

3）夏季工況下溫室大棚溫度較陰天時(shí)略高，相對(duì)濕度則略低，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)植物蒸騰影響明顯。溫室大棚內(nèi)通風(fēng)受熱壓作用影響顯著，冬季工況室內(nèi)通風(fēng)主要受風(fēng)壓作用影響。夏季和冬季工況下進(jìn)風(fēng)溫度均比室內(nèi)溫度高，進(jìn)風(fēng)氣流直接受熱浮力作用攀升進(jìn)而由天窗排出。