基于CFD的花卉溫室夏季機(jī)械通風(fēng)模擬

程 雪，黃伊銳，任昊宇，任振輝

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代科技學(xué)院，河北 保定 071001）

花卉的生長(zhǎng)和質(zhì)量取決于環(huán)境參數(shù)，與大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)相比，機(jī)械通風(fēng)溫室在夏季為花卉的生長(zhǎng)提供了更好的環(huán)境條件，以實(shí)現(xiàn)最佳的植物生產(chǎn)[1-2]。目前研究人員使用物理傳感器通過(guò)不同硬件架構(gòu)來(lái)監(jiān)控、預(yù)測(cè)溫室環(huán)境，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，然而在溫室內(nèi)安裝溫度傳感器增加了工程和管理成本，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以更全面地監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境[3-6]，但成本較高，并且后期還需要考慮傳感器系統(tǒng)的校準(zhǔn)等維護(hù)問(wèn)題，另外傳感器長(zhǎng)期暴露在陽(yáng)光和濕度下可能導(dǎo)致故障或損壞，造成經(jīng)濟(jì)損失[7]。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，Computational fluid dynamics (CFD)技術(shù)被應(yīng)用于溫室模擬。2017年Ntinas等人利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)溫室氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬了解不同模型對(duì)氣流場(chǎng)模擬性能的影響[8]；2018年Lee等人利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)，將計(jì)算得到的溫室通風(fēng)量與控制溫室溫度所需的通風(fēng)量進(jìn)行比較，對(duì)單跨溫室自然通風(fēng)率進(jìn)行了評(píng)估[9]；2017年Hu等人建立了灌溉水加熱過(guò)程的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)揭示了溫室蓄熱庫(kù)的動(dòng)態(tài)六面體邊界條件[10]；2016年He利用太陽(yáng)輻射模型模擬溫室內(nèi)部的太陽(yáng)輻射質(zhì)熱交換，在模擬中考慮了太陽(yáng)輻射與作物間質(zhì)熱交換等物理問(wèn)題,并采用邊界條件簡(jiǎn)化太陽(yáng)輻射[11]；2019年Iken等人采用二維計(jì)算流體 (CFD)方法，對(duì)1種能夠控制溫室效應(yīng)產(chǎn)生的智能DSF配置進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)外部氣候條件有效地控制溫室效應(yīng)[12]。

很多模型雖在溫室環(huán)境控制中應(yīng)用便捷,但其模擬精度較差,未充分考慮真實(shí)溫室的環(huán)境值[13]，掌握溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律是有效利用溫室空間、合理調(diào)控溫室環(huán)境參數(shù)的科學(xué)依據(jù)。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了1種應(yīng)用于實(shí)際花卉溫室夏季機(jī)械通風(fēng)作用下氣流場(chǎng)溫度場(chǎng)模擬仿真的方法。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)所選用的機(jī)械通風(fēng)式連棟塑料溫室群位于河北石家莊無(wú)極縣（115°12’E，38°72’N），2號(hào)溫室，屋脊沿東西走向，棟長(zhǎng)40 m；天溝高4.7 m，頂高5 m。溫室配有濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)：溫室西墻裝有2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)安裝高度為 0.6 m，東墻裝有濕簾（1 000 mm×1 500 mm×100 mm）共4個(gè)，濕簾安裝高度為0.6 m，如圖1所示。該溫室主要種植‘仙客來(lái)’，夏季‘仙客來(lái)’為初花期，以綠葉為主，植株平均高30 cm。

圖1 溫室結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of greenhouse

室內(nèi)環(huán)境參數(shù)包括：溫度、濕度、太陽(yáng)輻照度、風(fēng)速風(fēng)向。溫室內(nèi)設(shè)置多點(diǎn)溫度傳感器，型號(hào)為RC5 US溫度記錄儀，溫濕度傳感器型號(hào)YDBSTH7001,均為USB存儲(chǔ)，光照傳感器型號(hào)YDBSGZ7001，風(fēng)速傳感器型號(hào)YDBSFS7001，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)到手機(jī)端，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。由西向東布置9個(gè)風(fēng)速傳感器W1～W9，距地面高度1 m，距后墻5 m；溫度測(cè)試采用截面法布置溫度測(cè)點(diǎn)，在東西方向由西至東分別布置A、B、C3個(gè)相同傳感器截面，間隔10 m，如圖2所示截面B，在豎直由下至上方向距室內(nèi)地坪0、1.5、3、4.5 m不同高度布置4個(gè)溫度傳感器S13、S12、S11、S10；在南北方向由南至北相隔3 m布置4個(gè)溫度傳感器S1、S2、S3、S4，距地面2.5 m；在風(fēng)機(jī)入口和濕簾側(cè)各布置1個(gè)溫度傳感器，利用USB溫度記錄儀連續(xù)數(shù)據(jù)采集（2019年7月1日至10月31日），溫度測(cè)量值生成UDF文件作為CFD溫度邊界條件參與模擬。

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)截面圖Fig. 2 Section diagram of temperature measuring points

1.2 夏季機(jī)械通風(fēng)溫室溫度分布規(guī)律

通過(guò)多點(diǎn)布置溫度傳感器可以更好地了解夏季機(jī)械通風(fēng)花卉溫室溫度分布規(guī)律，截面B布置了8個(gè)溫度傳感器，在距離地面2.5 m處由南到北布置1號(hào)到4號(hào)溫度傳感器，其中1號(hào)為靠近塑料棚壁溫度，4號(hào)為墻體溫度，以8月份某天溫度為例觀察24 h內(nèi)變化趨勢(shì)，如圖3所示，墻體溫度變化幅度小于室內(nèi)溫度，說(shuō)明墻體具有蓄熱保溫能力，溫度最高在下午1時(shí)左右，由于太陽(yáng)輻射溫室棚壁溫度最高，達(dá)到34 ℃，由南向北溫度遞減，在沒(méi)有太陽(yáng)輻射的夜間，靠近塑料棚壁的溫度低于溫室內(nèi)溫度，由南向北溫度呈遞增趨勢(shì)，說(shuō)明越靠近墻體側(cè)保溫性能越好；圖4表示截面B由高到低的變化趨勢(shì)，其中10號(hào)為棚頂溫度，13號(hào)為地面溫度，在下午1時(shí)左右溫室頂棚溫度達(dá)到最大值，由于太陽(yáng)輻射作用溫室棚頂可達(dá)到38 ℃高溫，隨著高度降低溫度下降，在花卉生長(zhǎng)處溫度30 ℃左右，適合植物生長(zhǎng)，地面溫度變化范圍不大，白天溫度較低。

圖3 溫度測(cè)點(diǎn)由南向北變化趨勢(shì)Fig. 3 The temperature measured points trend from south to north

圖4 溫度測(cè)點(diǎn)由高到低變化趨勢(shì)Fig. 4 The temperature measured points of variation trend from high to low

2 CFD數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算基本方程

采用ANSYS 19.0對(duì)試驗(yàn)溫室進(jìn)行了數(shù)值建模與仿真。利用k-ε(RNG)模型對(duì)溫室室內(nèi)小氣候進(jìn)行模擬，使用離散縱坐標(biāo)(DO)輻射模型進(jìn)行室內(nèi)輻射模擬，控制算法采用PISO算法，壓力分散采用體積力加權(quán)法；模型通過(guò)有限體積法（finite volume method，F(xiàn)VM）建立的雷諾N-S 方程進(jìn)行離散求解。溫室的基本控制方程可描述為如下形式：

式中：m，n，o分別為x，y，z3個(gè)方向的速度分量，m/s；μeff為有效黏度；p為流體微單元上的壓強(qiáng)，Pa；T為空氣溫度，K；Tref為空氣參考溫度，其值為298.15 K；ρ為空氣密度，kg/m3；β為熱膨脹系數(shù)，1/K；q為熱源，W；Cp為比熱容，J/(kg·K)；λeff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

2.2 邊界條件

利用ANSYS 19.0中的Workbench軟件對(duì)溫室結(jié)構(gòu)建模，邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1；在ANSYS 19.0 ICME中建立非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對(duì)邊緣進(jìn)行細(xì)化生成的網(wǎng)格數(shù)為2 870 564個(gè)的網(wǎng)格模型，生成 mesh文件，導(dǎo)入ANSYS 19.0 Fluent中進(jìn)行流場(chǎng)分析?；ɑ軠厥抑饕傻孛?，兩側(cè)側(cè)墻，西側(cè)墻安裝風(fēng)扇，東側(cè)墻安裝濕簾，頂棚PVC塑料薄膜，后墻，室內(nèi)空氣，花卉植物等組成。

表1 Fluent邊界條件設(shè)置Table 1 Fluent boundary condition setting

為確保邊界條件對(duì)溫室環(huán)境的有效模擬，在建模過(guò)程中劃分多個(gè)面和多個(gè)區(qū)域，溫室實(shí)測(cè)值生成UDF文件構(gòu)成邊界條件。溫室3面為磚墻結(jié)構(gòu)，設(shè)置為壁面邊界，頂棚為塑料薄膜維護(hù)，設(shè)置為PVC半透明介質(zhì)，側(cè)墻濕簾入口為壓力邊界，風(fēng)機(jī)出口為速度邊界，室內(nèi)花卉以空氣為載體進(jìn)行能量交換，在ANSYS 19.0 ICME中建立非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對(duì)邊緣進(jìn)行細(xì)化生成網(wǎng)格數(shù)為2 870 564個(gè)的網(wǎng)格模型，生成mesh文件，然后導(dǎo)入ANSYS 19.0 Fluent中進(jìn)行計(jì)算。

3 模擬仿真結(jié)果

3.1 氣流場(chǎng)模擬

CFD模擬夏季機(jī)械通風(fēng)性能，忽略浮力效應(yīng)，并將風(fēng)視為主要驅(qū)動(dòng)力，空氣通過(guò)濕簾進(jìn)入溫室，到達(dá)屋頂，然后從風(fēng)機(jī)側(cè)流出，同時(shí)部分氣流沿著頂棚移動(dòng)。風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速為1.2 m/s，向外排風(fēng)，在濕簾側(cè)形成負(fù)壓，受濕簾冷空氣影響，濕簾側(cè)形成更強(qiáng)的速度場(chǎng)氣旋，濕簾側(cè)風(fēng)速可達(dá)到1.5 m/s，氣流主要分布在溫室3 m以下，覆蓋花卉生長(zhǎng)范圍，在東西方向縱向截面和南北方向的橫向截面都存在較大的風(fēng)速差異，空氣混合不均勻（見(jiàn)圖5）。

圖5 速度場(chǎng)模擬分布云圖Fig.5 The distribution cloud map of velocity field simulated

取由東向西距濕簾側(cè)分別為10、20、30 m的3個(gè)橫向截面,由仿真模擬速度云圖5（a）可以看出濕簾側(cè)風(fēng)速更大，溫度更低，在溫室中部受植物影響，風(fēng)速降低。由于濕簾-風(fēng)機(jī)位置靠近溫室下方，速度場(chǎng)形成的渦旋主要分布在溫室下方，夏季植物周圍可以感覺(jué)到明顯涼爽，靠近濕簾側(cè)溫室上方受負(fù)壓影響會(huì)形成更明顯的速度矢量場(chǎng)，而在溫室中間上部分區(qū)域會(huì)形成氣流的滯留場(chǎng)，取由北向南距溫室后墻1.5、3、4.5 m的3個(gè)截面如圖5（b）所示，可以看出由于濕簾風(fēng)機(jī)安裝位置，在3 m截面處氣流場(chǎng)更強(qiáng)，靠近南側(cè)溫室塑料棚壁位置由于太陽(yáng)輻射氣流場(chǎng)明顯減弱，考慮到氣流渦旋下沉，如果溫室種植喜風(fēng)作物，可適當(dāng)提高濕簾-風(fēng)機(jī)距地面的高度；取水平面1 m處如圖5（c）所示，即植物平面上靠近濕簾側(cè)風(fēng)速更大，過(guò)大的風(fēng)速可能擾亂植物的生長(zhǎng)，因此濕簾側(cè)更適宜種植對(duì)風(fēng)速影響不大的花卉植物。

3.2 溫度場(chǎng)模擬

3.2.1 無(wú)機(jī)械通風(fēng)溫度模擬分析 由于溫室內(nèi)部蓄熱，內(nèi)部溫度與外部溫度相比存在滯后。這種滯后在機(jī)械通風(fēng)的夏季月份比較小，濕簾-風(fēng)機(jī)增加了對(duì)流從而影響內(nèi)部溫度場(chǎng)。夏季溫室內(nèi)溫度主要取決于太陽(yáng)輻射和通風(fēng)，當(dāng)溫室相對(duì)封閉不存在通風(fēng)的情況下溫度很高，設(shè)定為下午3時(shí)，室外平均溫度32 ℃，室外太陽(yáng)輻射960 W/m2,室內(nèi)整體溫度達(dá)到30～46 ℃，溫室自上而下、由南向北溫度由高降低，存在明顯的溫度梯度，棚頂溫度最高。高溫和太陽(yáng)輻射使溫室內(nèi)部濕度較低，濕度范圍10%～32%，非常干燥。溫室的作用需要在夏季提供適宜作物生長(zhǎng)的環(huán)境，因此無(wú)任何調(diào)控措施的封閉溫室不適合作物生長(zhǎng)。

3.2.2 機(jī)械通風(fēng)溫室內(nèi)熱環(huán)境模擬分析 在機(jī)械通風(fēng)情況下室內(nèi)溫度降溫明顯，溫室內(nèi)溫度范圍為23～30 ℃，取由東向西方向距濕簾側(cè)10、20、30 m的3個(gè)截面，如圖6（a）所示，取由北向南距溫室后墻1.5、3、4.5 m的3個(gè)截面，如圖6（b）所示，溫室內(nèi)部存在明顯的溫度梯度，在頂棚受到太陽(yáng)輻射影響溫度最高，隨著高度的降低溫度下降；靠近濕簾側(cè)由于濕簾制冷作用，風(fēng)從濕簾側(cè)進(jìn)入溫室，帶入大量冷空氣，溫度明顯降低，在花卉種植區(qū)域溫度可保持在23 ℃左右，溫度由東向西升高，受南面棚壁太陽(yáng)輻射影響，溫度由北向南升高，但是在距地面1 m水平面花卉生長(zhǎng)區(qū)域可以保持溫度在24～27 ℃，適宜花卉生長(zhǎng)。濕簾-風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用前區(qū)、后區(qū)常壓，冷區(qū)負(fù)壓的工作方式，使進(jìn)入溫室前的干熱空氣變成涼爽空氣，從而實(shí)現(xiàn)夏季降溫，如果需要調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的環(huán)境溫度，可考慮調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速，以及濕簾面積、進(jìn)出水口方式等。

圖6 機(jī)械通風(fēng)溫度場(chǎng)模擬分布云圖Fig.6 The distribution cloud map of simulation of mechanical ventilation temperature field

3.3 模型驗(yàn)證

取風(fēng)速傳感器W1～W9共9個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 風(fēng)速實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Table 2 Wind speed comparison of measured and simulated values m/s

取溫度傳感器截面B的8個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行比較，如表3所示，通過(guò)分析長(zhǎng)期觀測(cè)實(shí)測(cè)點(diǎn)值與模擬值，模擬速度場(chǎng)誤差范圍在0.5%～24.6%；溫度模擬值與實(shí)際值的絕對(duì)誤差最大值小于2.5 ℃，其中均方根誤差RMSE=1.982 6,平均絕對(duì)誤差MAE=2.153 4；CFD模擬可以較真實(shí)地反應(yīng)夏季花卉溫室的風(fēng)速場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，模型模擬真實(shí)有效。

表3 截面B溫度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Table 3 Temperature comparison of measured and simulated values at section B ℃

4 結(jié)論

利用CFD對(duì)夏季機(jī)械通風(fēng)模式下花卉溫室的溫度場(chǎng)氣流場(chǎng)進(jìn)行了模擬；采用k-ε模型(RNG)對(duì)溫室室內(nèi)小氣候進(jìn)行模擬，離散縱坐標(biāo)(DO)輻射模型進(jìn)行室內(nèi)輻射模擬,控制算法采用PISO算法，壓力分散采用體積力加權(quán)法，采用UDF溫度邊界條件。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，模擬速度場(chǎng)誤差范圍在0.5 %～24.6 %，模擬溫度在實(shí)測(cè)溫度附近波動(dòng)，RMSE=1.982 6,MAE=2.153 4，溫度模擬值與實(shí)際值的絕對(duì)誤差最大值小于2.5 ℃。模擬結(jié)果表明，夏季機(jī)械通風(fēng)情況下溫度場(chǎng)分布較均勻，適合花卉生長(zhǎng)。模擬結(jié)果為溫室夏季機(jī)械通風(fēng)控制提供了科學(xué)依據(jù)。