日光溫室夜間空氣自然對流邊界層的確定及量化分析

張傳坤　魏珉　徐平麗　楊寧　劉波　王曉　孔祥華

摘要：為研究塑料薄膜覆蓋日光溫室夜間的保溫原理，運用自然對流邊界層理論對日光溫室夜間垂直方向上的溫差分布進行研究。結果表明：①試驗溫室地面以上0.10 m內(nèi)、薄膜內(nèi)側0.10 m內(nèi)溫差積分占垂直方向上總溫差積分的比例分別為45.55%、34.54%;地面以上0.10 m處與薄膜內(nèi)側0.10 m處之間的距離為4.98 m，其溫差積分占總溫差積分的比例為19.91%。②試驗溫室地面和薄膜內(nèi)側存在速度邊界層，夜間速度邊界層瑞利數(shù)（Ra）為1.66×1010～3.50×1010，為湍流邊界層。③日光溫室除去受到覆蓋物的保溫因素外，內(nèi)部空氣自然對流也產(chǎn)生層流底層，增大了傳熱熱阻，從而實現(xiàn)保溫作用。④多膜覆蓋、雙層膜、內(nèi)保溫等栽培設施將空氣分割成不同的空間，空氣在不同的空間內(nèi)分別進行自然對流，在增加的膜的兩側分別產(chǎn)生層流底層，保溫效果優(yōu)于單層膜保溫效果，但保溫效果的增幅隨膜層數(shù)增加而降低。⑤試驗期間溫室地面、薄膜內(nèi)側湍流邊界層厚度范圍為0.13～0.14 m、層流底層厚度范圍為5.01×10-3～5.90×10-3m，薄膜內(nèi)側層流底層對溫室的保溫作用為0.70～1.49℃。

關鍵詞：日光溫室;塑料薄膜;自然對流;邊界層;湍流邊界層;層流底層

中圖分類號：S625.1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2020）05-0031-08

Abstract In order to study the heat preservation principle of plastic film at night， the temperature difference distribution in the vertical direction of solar greenhouse was studied with the theory of natural convection boundary layer as research foundation. The results were as follows. ①The proportion of temperature difference integral within 0.1 m above the ground and within 0.1 m under the plastic film was 45.55% and 34.54% respectively to the total temperature difference integral in the vertical direction. The distance from 0.1 m above the ground to 0.1 m under the film was 4.98 m， and the proportion of the temperature difference integral to the total temperature difference integral was 19.91%. ②There was a flow boundary layer close to the ground and the inside of film. The Rayleigh number （Ra） of the velocity boundary layer of the experimental greenhouse was calculated to be 1.66×1010～3.50×1010， which indicated that the velocity boundary layer was a turbulent boundary layer. ③In addition to the heat preservation caused by preservation quilt， the night heat preservation of the plastic film was realized by natural convection of the internal air to form a laminar flow bottom layer， which increased the heat transfer thermal resistance. ④The cultivation facilities such as multi-film mulching， double-layer film and internal heat preservation divided the air into different spaces， and the air flows naturally in different spaces. The laminar bottom layers produced on both sides of the increased film， so the heat preservation effect was better than that of single-layer film. But the increase of temperature preservation declined with the increase of film layers. ⑤The thickness of the turbulent boundary layer above the ground and under the film during the test was 0.13～0.14 m in the tested greenhouse， and that of the laminar flow bottom layer was 5.01×10-3～5.90×10-3 m. The heat preservation effect of the laminar bottom layer under the film was 0.70～1.49℃ during the experiment.

Keywords Solar greenhouse;Plastic film;Natural convection;Boundary layer;Turbulent boundary layer;Laminar bottom layer

塑料薄膜覆蓋栽培因其能夠提高作物生長環(huán)境的溫度、防止低溫冷害而在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。中國從20世紀50年代中后期開始引進塑料薄膜應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，到80年代以日光溫室為主體的園藝栽培設施得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了地膜覆蓋、多膜覆蓋、雙層膜、日光溫室及其內(nèi)保溫等多種園藝設施栽培形式，設施園藝生產(chǎn)已經(jīng)成為中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的重要方面之一[1-5]。

科技人員對塑料薄膜夜間保溫已進行了大量研究，如：地膜覆蓋增溫效應[6-9]、三膜覆蓋栽培技術[10-14]、雙層覆蓋應用效果及試驗研究[15-21]等等。研究發(fā)現(xiàn)塑料大棚內(nèi)每增加一層覆蓋，可以提高夜溫1～2℃，其保溫效果具有累加效應[22]。隨著量化方式的改進，試驗中還發(fā)現(xiàn)隨著薄膜層數(shù)的增多，多膜覆蓋夜間溫度增幅逐漸降低;塑料薄膜保溫并不是由于自身熱工參數(shù)引起的，而是受到其他因素影響，但對造成保溫的因素沒有進一步研究[23]。

為避免拱棚內(nèi)外空氣溫度差異所造成的不確定性影響[23]，本試驗以夜間日光溫室內(nèi)部空氣自然對流邊界層為研究對象，對溫室內(nèi)部垂直方向上的溫差分布進行研究，揭示塑料薄膜夜間保溫的影響因素，闡明塑料薄膜夜間的保溫原理，為新型內(nèi)保溫材料研發(fā)、新型設施栽培模式推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

試驗溫室位于山東省泰安市（36°11′07″N，117°06′51″E），為寬厚土墻下挖式溫室，下挖深度為0.5 m，東西長度50 m，跨度9.3 m;前屋面為鋼架結構，利得膜覆蓋;北墻高4.5 m，上部寬2.0 m，下部寬3.5 m;夜間前屋面覆蓋保溫被，保溫被材料為無紡布內(nèi)加一薄層泡沫塑料，厚度約3 cm;采用電動卷簾機卷放。溫室內(nèi)種植番茄，9月15日定植，大小行栽培，大行距80 cm，小行距60 cm，株距50 cm;試驗期間番茄處于盛果期，株高約210 cm。

1.2 自然對流原理及速度邊界層量化方法

1.2.1 自然對流及其驅動力流體內(nèi)部溫度不均勻引起的流動稱為自然對流[24]。自然對流在建筑節(jié)能、電子元器件冷卻、太陽能集熱器設計、核反應器設計等領域中已經(jīng)得到普遍應用 [25-29]。日光溫室夜間薄膜內(nèi)側空氣溫度低于地面空氣溫度，薄膜內(nèi)側空氣密度大于地面空氣密度，在重力作用下薄膜內(nèi)側空氣向地面流動，在浮力作用下地面空氣向薄膜內(nèi)側流動，溫室空氣形成自然對流。

薄膜內(nèi)側空氣流動到地面與地面發(fā)生對流換熱后溫度升高、密度變小，流動方向發(fā)生改變，轉為向上流動。地面空氣流動到薄膜內(nèi)側與薄膜內(nèi)側發(fā)生對流換熱后溫度降低、密度變大，流動方向也發(fā)生改變，轉為向下流動。夜間薄膜內(nèi)側空氣與地面空氣溫差、密度差持續(xù)存在，因而溫室空氣自然對流持續(xù)存在。徐豐等[30]在側加熱腔內(nèi)的空氣自然對流中對于密度差引起的空氣流動使用驅動來表示，本文也引入驅動概念進行研究，即日光溫室內(nèi)部空氣自然對流是冷面在上（薄膜內(nèi)側）、熱面在下（地面）引起的Rayleigh-Benard對流，由溫度差引起的密度差成為空氣自然對流的驅動力。夜間日光溫室內(nèi)部空氣流動如圖1所示。

1.2.2 自然對流邊界層溫室空氣流到地面和薄膜時，受地面和薄膜阻擋，空氣流動方向由上下流動轉為貼著地面、薄膜內(nèi)側流動，此時溫室空氣與地面、薄膜內(nèi)側產(chǎn)生摩擦，空氣流速降低直至在地面、薄膜內(nèi)側降低為零，溫室空氣在地面、薄膜內(nèi)側形成速度邊界層[24]，速度邊界層厚度為從U0開始降低至0.99U0的位置到地面、薄膜之間的法線距離。

速度邊界層分為層流邊界層和湍流邊界層，湍流邊界層又分為層流底層和湍流區(qū)。對于層流邊界層，法線方向上的熱量傳遞依靠傳導;對于湍流邊界層，層流底層法線方向上的熱量傳遞也依靠傳導;由于空氣的導熱率較低[20℃時為0.024 W/（m·K）]，流動邊界層熱阻較大，兩側積聚溫差。

1.2.3 U0的計算溫室空氣流動遵守質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒定律，把動量守恒微分方程無量綱化[31]，可以得到微分方程：

（1）選用試驗期間夜間外界溫度較高、較低時的試驗數(shù)據(jù)，對日光溫室垂直方向上的溫差分布進行定性分析，以確定薄膜內(nèi)側、地面存在速度邊界層。

（2）用Matlab軟件對試驗期間外界溫度與垂直方向上各段溫差之間的關系進行數(shù)據(jù)擬合，以試驗期間外界溫度變化范圍為積分區(qū)間，對擬合函數(shù)進行積分運算，計算試驗期間薄膜內(nèi)側、地面速度邊界層的溫度變化范圍;計算瑞利數(shù)大小，確定速度邊界層狀態(tài);計算湍流邊界層、層流底層厚度范圍。

（3）本研究溫度采用JTNT-C多通道溫度熱流測試儀測定。溫度傳感器技術參數(shù)：溫度范圍-20～85℃;精度±0.5℃，常溫可達±0.2℃;溫度分辨率為0.

1℃。

測定時間為2016-01-14—2016-02-07。數(shù)據(jù)記錄從每天下午18∶00到第2天凌晨06∶00，間隔時間為5 min，以每小時測定的12個數(shù)據(jù)的均值作為該時刻該測點的溫度;以13個平均溫度的均值為該天夜間溫度。

選用試驗期間夜溫較高（2016-01-04， 3.63℃）和夜溫較低（2016-01-23，-13.94℃）的數(shù)據(jù)對溫室垂直方向上的溫差分布進行定性分析;選用整個試驗期間的測定數(shù)據(jù)對垂直方向上各段溫差進行定量分析。

3 討論

地膜覆蓋、多膜覆蓋、雙層膜、日光溫室內(nèi)保溫等園藝設施栽培形式雖然存在差別，但其共同點都是利用保護設施切斷設施內(nèi)外空氣之間的流動，空氣在設施內(nèi)部進行自然對流，產(chǎn)生層流底層，層流底層的導熱方式發(fā)生改變，體現(xiàn)為具有保溫作用。

地膜覆蓋是空氣自然對流在地面和地膜內(nèi)側產(chǎn)生層流底層，減少土壤熱量向外部散失，體現(xiàn)為提高土壤溫度;多膜覆蓋、雙層膜、內(nèi)保溫等栽培設施是由于增加的膜切斷了膜兩側的空氣流動，空氣被分割在不同空間內(nèi)分別進行自然對流，在每一層膜的兩側分別產(chǎn)生層流底層，設施傳熱熱阻增大，保溫性能進一步增加。

多膜覆蓋栽培設施隨著薄膜使用層數(shù)的增多，在每一層膜的兩側都會形成層流底層，減少設施內(nèi)部熱量向設施外的散失，提高設施內(nèi)部保溫效果。但是層流底層的形成是建立在設施內(nèi)外溫度差產(chǎn)生的密度差的基礎上，隨著薄膜使用層數(shù)增多，各封閉空間內(nèi)引起空氣自然對流的溫差降低，進而影響到各層薄膜兩側層流底層的保溫效果，這可能就是隨著薄膜使用層數(shù)的增多多膜覆蓋夜間保溫增幅逐漸降低的原因。

本文把薄膜內(nèi)側相當于冷面，是考慮到盡管薄膜內(nèi)側不是平面，但不會對空氣的流速產(chǎn)生影響，因而不會影響層流底層的產(chǎn)生。

本試驗中使用的溫度傳感器探頭有一定尺寸，所以T8測定的溫度并不是真正意義上的薄膜內(nèi)側溫度，只是非常相近;實際形成的溫差中，薄膜內(nèi)側溫差會略大于0.70～1.49℃。

4 結論

（1）塑料薄膜夜間保溫是通過內(nèi)部空氣自然對流形成層流底層，增大傳熱熱阻來實現(xiàn)的;日光溫室除受到覆蓋物的保溫因素外，內(nèi)部空氣自然對流產(chǎn)生層流底層，也具有保溫作用。

（2）多膜覆蓋、雙層膜、內(nèi)保溫等栽培設施將空氣分割成不同的空間，空氣在不同的空間內(nèi)分別進行自然對流，在增加的膜的兩側分別產(chǎn)生層流底層，保溫效果優(yōu)于單層膜保溫效果。但隨著薄膜使用層數(shù)增加，各分割空間內(nèi)引起自然對流的溫差降低，會影響層流底層的保溫效果，使得多膜覆蓋夜間保溫的增幅隨膜層數(shù)的增加而降低。

（3）本試驗期間溫室地面、薄膜內(nèi)側湍流邊界層厚度為0.13～0.14 m，層流底層厚度為5.01×10-3～5.90×10-3 m。

（4）本試驗期間溫室薄膜內(nèi)側層流底層對溫室的保溫作用為0.70～1.49℃。

參 考 文 獻：

[1] 韓昌泰.中國農(nóng)用塑料薄膜生產(chǎn)應用近況及其發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)工程學報，1990，6（2）：32-37.

[2] 王建明，胡具瞻.國外農(nóng)用薄膜開發(fā)應用與現(xiàn)狀[J].蘭化科技，1991，9（3）：204-209.

[3] 呂江南，王朝云，易永健.農(nóng)用薄膜應用現(xiàn)狀及降解農(nóng)膜研究進展[J].中國麻業(yè)科學，2007，29（3）：150-157.

[4] 李天來.論我國日光溫室生產(chǎn)發(fā)展的制約因素與戰(zhàn)略性調(diào)整[C]//中國農(nóng)業(yè)工程學會第七次會員代表大會論文集.北京，2003：75-78.

[5] 李式軍，郭世榮.設施園藝學[M].2版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2012：5-7.

[6] 朱彥博，程志斌.薄膜地面覆蓋對土壤環(huán)境及春小麥生長發(fā)育的影響[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技，1989（3）：29-31.

[7] 江燕，史春余，王振振，等.地膜覆蓋對耕層土壤溫度水分和甘薯產(chǎn)量的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2014，（22）6：627-634.

[8] 潘渝，郭謹，李毅，等.地膜覆蓋條件下的土壤增溫特性[J].水土保持研究，2002，9（2）：130-134.

[9] 李倩，張睿，賈志寬，等.不同地膜覆蓋對壟體地溫及玉米出苗的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學報，2009，18（2）：98-102.

[10]杜春蓮，魯繼勇.綠蘆筍大棚三膜覆蓋栽培技術[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013（6）：81-82.

[11]王吉會，紀艷君.大棚甜瓜三膜覆蓋高產(chǎn)栽培技術[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（23）：103-104.

[12]金偉.馬鈴薯三膜覆蓋兩茬栽培技術[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014（10）：45-46.

[13]程建徽，魏靈珠，李琳，等.葡萄“三膜”覆蓋早熟促成栽培技術[J].中國南方果樹，2012，41（1）：95-97.

[14]何明遠.淺談辣椒三膜覆蓋冬育苗技術[J].四川農(nóng)業(yè)科技，2015（6）：25-27.

[15]胡永軍.溫室蔬菜應對嚴寒天氣的保溫覆蓋方式[J].中國蔬菜，2011（1）：50-51.

[16]王克安，陳運起，吳建華.雙層保溫膜在蔬菜上的應用效果[J].山東蔬菜，2002（2）：7-8.

[17]周長吉.雙層充氣塑膜溫室經(jīng)濟技術評價[J].農(nóng)業(yè)工程學報，1999，15（1）：159-163.

[18]劉進生.我國的塑料雙大棚和美國的充氣雙層膜溫室[J].長江蔬菜，2000（1）：33-34.

[19]劉霞.節(jié)能性日光溫室冬季栽培技術關鍵[J].農(nóng)機科技推廣，2013（10）：45，48.

[20]李海明，崔慶法.連棟溫室簡易內(nèi)保溫幕保溫節(jié)能研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2005，13（2）：173-175.

[21]佟國紅，陳青云.日光溫室加內(nèi)保溫幕的試驗[J].可再生能源，2004（5）：17-19.

[22]李萍萍，胡永光.冬季塑料大棚多重覆蓋及電加熱增溫效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2002，18（2）：76-79.

[23]張傳坤，牛蘊華，焦自高，等. 多膜覆蓋夜間氣溫變化模擬試驗[J].山東農(nóng)業(yè)科學，2019，51（4）：55-60.

[24]張靖周，常海萍.傳熱學[M].2版.北京：科學出版社，2015：87-90，135-138.

[25]王建剛，楊茉，殷俊，等.底部加熱空氣層自然對流的可視化實驗研究[J].工程熱物理學報，2004，25（6）：986-988.

[26]李世武，熊莉芳.封閉方腔自然對流換熱的研究[J].工業(yè)加熱，2007，36（3）：10-13.

[27]翟志強，符松.空氣冷卻塔自然對流的數(shù)值研究[J].應用基礎與工程科學學報，1996，4（3）：324-328.

[28]鄧月超，趙耀華，全貞花，等.平板太陽能集熱器空氣夾層內(nèi)自然對流換熱的數(shù)值模擬[J].建筑科學，2012，28（10）： 84-87，92.

[29]王厚華，黃春勇.中空玻璃空氣夾層內(nèi)的自然對流換熱[J].重慶大學學報，2009，32（7）：84-87.

[30]徐豐，崔會敏.側加熱腔內(nèi)的自然對流[J].力學進展.2014，44（3）：98-136.

[31]Bianchi A M， Fautrelle Y， Etay J. Transferts Thermiques[M].王曉東，譯.大連：大連理工大學出版社，2008：167-171.

[32]姜金寧. 硅酸鹽工業(yè)熱工過程及設備[M].2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2016：70-75.

[33]武秀榮，曹學成.普通物理學[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2013：117-121.