新疆砌塊復(fù)合墻體和磚墻日光溫室的傳熱數(shù)值模擬分析

馬月虹，李保明，李慧霜

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】日光溫室墻體傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的、多元的建筑熱物理過(guò)程，包括導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射3種方式。該過(guò)程不僅受日光溫室外大氣候環(huán)境影響，還受室內(nèi)小氣候環(huán)境影響，如太陽(yáng)光照射、土壤、果蔬作物、空氣溫度、空氣濕度等。運(yùn)用建筑熱物理學(xué)、熱工學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、農(nóng)業(yè)生物環(huán)境學(xué)等理論，分析日光溫室墻體的傳熱與流動(dòng)有實(shí)際意義。日光溫室因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)是重質(zhì)實(shí)心材料組成，對(duì)太陽(yáng)輻射熱能只吸收和反射，該傳熱過(guò)程為不穩(wěn)定傳熱。研究墻體的熱質(zhì)傳遞規(guī)律，進(jìn)行數(shù)值模擬，分析墻體內(nèi)溫度分布規(guī)律和變化趨勢(shì)，為日光溫室墻體的設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)提供科學(xué)合理的方法和依據(jù)[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】日光溫室熱環(huán)境模擬預(yù)測(cè)軟件以有限差分?jǐn)?shù)值解法為理論基礎(chǔ)，采用橫截面內(nèi)二維傳熱模型，分析日光溫室墻體、后屋面和土壤的傳熱，反映了梯形截面墻體、復(fù)合材料建筑墻體和下沉式日光溫室土壤中的蓄熱過(guò)程，其模型可靠性已被驗(yàn)證[2]。郭慧卿等[3]分別在 1992 年及 1994 年利用非穩(wěn)態(tài)傳熱理論搭建了日光溫室數(shù)學(xué)模型， 模擬20 種后墻日光溫室，總結(jié)北墻內(nèi)表面熱得失，評(píng)價(jià)墻體保溫性。利用上述幾個(gè)指標(biāo)為墻體熱工特性優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是可行的，所得結(jié)論與日光溫室實(shí)測(cè)的保溫效果一致；均較容易計(jì)算若干層均質(zhì)穩(wěn)定材料組成的一維墻體或屋面的動(dòng)態(tài)熱性能[4]。佟國(guó)紅[5]利用頻率響應(yīng)法建立日光溫室熱環(huán)境模型并分析后得出，從頻率響應(yīng)、傳熱量計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果看，單獨(dú)用聚苯板或磚作為墻體材料都不合適。佟國(guó)紅[6]對(duì)日光溫室墻體材料溫度環(huán)境影響的CFD模擬研究認(rèn)為上午卷簾前，復(fù)合墻中隔熱層以內(nèi)的磚墻和隔熱層為放熱體，磚墻靠近室內(nèi)近1/3的墻體溫度高于室內(nèi)溫度，而全苯板墻僅內(nèi)表面附近高于室氣溫度。白天全磚墻、復(fù)合墻及全苯板墻溫度均低于室內(nèi)溫度，都為吸熱體。【本研究切入點(diǎn)】孟力力等[7]根據(jù)日光溫室各個(gè)部分的傳熱機(jī)理和質(zhì)能守恒定律，采用VB和MATLAB相結(jié)合離散的思想分析處理了墻體導(dǎo)熱過(guò)程，模擬日光溫室分層墻體各位置的溫度值，后墻表面溫度模擬精度IA可達(dá)0.83，模型模擬值與實(shí)測(cè)值吻合程度好，且利用該模型對(duì)日光溫室后墻進(jìn)行優(yōu)化。張立明等[8]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法并以ANSYS軟件為技術(shù)手段，模擬分析吸熱過(guò)程中的復(fù)合材料的溫度場(chǎng)及熱梯度場(chǎng)情況，模擬結(jié)果中復(fù)合材料的溫度場(chǎng)及熱梯度場(chǎng)情況與實(shí)際情況符合。目前隨著日光溫室結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和發(fā)展，需要建立新的模型來(lái)模擬和優(yōu)化日光溫室結(jié)構(gòu)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】用ansys分析軟件進(jìn)行溫度場(chǎng)和流場(chǎng)模擬，使用UG軟件對(duì)日光溫室進(jìn)行造型，將頂部保溫被、骨架等結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化，計(jì)算域分為內(nèi)部空氣與外部空氣2部分。采用DO輻射模型和湍流模型進(jìn)行模擬，采用CFX-Post計(jì)算處理，得到溫度云圖，分析對(duì)比2種墻體溫室內(nèi)溫度分布規(guī)律和變化趨勢(shì)，明確砌塊復(fù)合墻體和磚墻日光溫室的熱性能。

1 材料與方法

1.1 材 料

模擬日光溫室長(zhǎng)度80 m，跨度8.5 m，脊高3.9 m；北墻墻體高2.2 m；外部空氣設(shè)定為長(zhǎng)400 m，寬70 m，高40 m。圖1

圖1 日光溫室總體Fig.1 Overall solar greenhouse

1.2 方 法

1.2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)際尺寸劃分網(wǎng)格，為降低網(wǎng)格數(shù)量，采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，總結(jié)點(diǎn)數(shù)295×104，總網(wǎng)格數(shù)305×104。表1

表1 計(jì)算域結(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格數(shù) (104)Table 1 Calculate the number of domain node grids (ten thousand)

網(wǎng)格外形與質(zhì)量如下圖2所示：

a.內(nèi)部空氣網(wǎng)格示意 b.外部網(wǎng)格示意 c.外部空氣網(wǎng)格示意

1.2.2 Boussinesq假設(shè)

日光溫室內(nèi)部由于存在溫差而引起熱壓作用，模擬時(shí)對(duì)于浮力項(xiàng)的處理常常采用Boussinesq假設(shè)；密度以外，其他量的物理特性是常數(shù)；密度只分析動(dòng)量方程中和體積力有關(guān)的各項(xiàng)，其他項(xiàng)中的密度都作為常數(shù)處理[9]，其表達(dá)式如下[10]：

(ρ-ρ0)g=-ρ0β(T-Tref)g.

(1)

式中，ρ0為空氣參考密度(kgm-3)；Tref為空氣參考溫度(K)。

1.2.3 控制方程

流體流動(dòng)滿足以下3大方程[11]：

(1)質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒定律，即：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，流體微元體里所增多的質(zhì)量等于同時(shí)段內(nèi)流進(jìn)其微元體的凈質(zhì)量。該數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

適合可壓和不可壓流動(dòng)；源項(xiàng)Sm為分散的二級(jí)項(xiàng)中進(jìn)到連續(xù)相的質(zhì)量，亦能為自定義源項(xiàng)；ρ是流體密度，kg/m3；u1是i方向質(zhì)量的平均速度，m/s；xi是i方向微元體的長(zhǎng)度，m。

(2)動(dòng)量守恒方程

(3)

式中：p——平均壓力；

ρ——流體密度；

μ——流體分子粘度；

(3)能量守恒方程

(4)

式中：Cp——比熱容，J/(kg·K)；

T——熱力學(xué)溫度，K；

k——流體的傳熱系數(shù)；

u——速度項(xiàng)，m/s；

ST——流體的內(nèi)熱源。

1.2.4 輻射模型

Fluent軟件提供5種傳熱模型，分別為DTRM、Rosseland、P1、S2S和DO。5種模型中，DTRM模型比較簡(jiǎn)明直觀，假設(shè)所有的表面為散射；介于灰體輻射假定；不包含散射效應(yīng)；耗CPU計(jì)算時(shí)間。用于灰體輻射的求解假設(shè)。Rosseland模型對(duì)比P1輻射模型而言，其無(wú)需計(jì)算其他入射、輻射傳輸方程，求解速度比P1模型快，且節(jié)省內(nèi)存，但適用光學(xué)深度大的情況。針對(duì)封閉空間，無(wú)傳輸介質(zhì)輻射問(wèn)題，S2S模型較為適合。假設(shè)全部表面都為散射；為灰體輻射假設(shè)；但不適合含周期邊界和對(duì)稱邊界的情況。DO模型適合全部光學(xué)深度區(qū)域的輻射情況，運(yùn)行所用內(nèi)存、計(jì)算量均適中[12-14]。

選用DO輻射模型對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行模擬。輻射方程如下：

(5)

式中：I——輻射強(qiáng)度，依賴于位置向量和方向向量，J/cm2·min；

α——吸收系數(shù)；

n——折射系數(shù)；

s——行程長(zhǎng)度；

σ——Stefan-Boltzmann常數(shù)，5.672×10-8W/(m2.K4)；

Τ——當(dāng)?shù)販囟?，K；

σs——散射系數(shù)；

φ——相位函數(shù)；

Ω，——輻射立體角。

1.2.5 湍流模型

判斷流體流態(tài)采用雷諾數(shù)Re，計(jì)算公式：

Re=ρvL/μ.

(6)

式中：ρ——流體密度，(kgm-3)；

μ——流體動(dòng)力粘度；

v——表征速度，m/s；

L——表征長(zhǎng)度，m。

由流體實(shí)驗(yàn)，當(dāng)雷諾數(shù)小于1010時(shí)，空氣流體流動(dòng)為層流，當(dāng)雷諾數(shù)大于1010時(shí)，流體流動(dòng)不穩(wěn)定，呈無(wú)序混亂狀態(tài)，即湍流狀態(tài)。該日光溫室模型尺度較大，經(jīng)估算符合湍流條件，故采用湍流模型來(lái)模擬。選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算[15-18]。對(duì)其中雷諾應(yīng)力項(xiàng)進(jìn)行建模，表達(dá)為以下形式：

(7)

其中，μt是渦流粘度，k為湍流動(dòng)能，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε由以下兩個(gè)方程求解，所示：

湍流動(dòng)能k方程：

(8)

耗散率ε方程：

(9)

其中，方程中GK和Gb是湍流動(dòng)能，YM是可壓縮湍流，C1，C2，C3是常量，σk和σe是湍流動(dòng)能方程和耗散方程的湍流Prandtl數(shù)，Sk和Se是用戶定義的。

1.2.6 邊界條件

數(shù)值模擬新疆南疆和田地區(qū)的復(fù)合墻體和磚墻日光溫室所在位置的經(jīng)度為79.87°、緯度37.04°，時(shí)區(qū)東八區(qū)，模擬時(shí)間是冬季2019年1月20日。墻體的材料不同(普通磚與砂漿復(fù)合砌塊)、模擬的時(shí)間不同(白天與夜晚)。定常計(jì)算需要在計(jì)算域相應(yīng)位置設(shè)定初始邊界條件，主要初始條件為日光溫室各墻體溫度、地面溫度、內(nèi)外部空氣溫度(均由實(shí)測(cè)知道)、有無(wú)日照及日照強(qiáng)度。墻體、后屋面模擬時(shí)都設(shè)定為一種單一材料，前屋面白天只有棚膜，夜間只考慮保溫被。模擬白天時(shí)，采用下午02:00時(shí)的實(shí)測(cè)溫度條件；模擬黑夜時(shí)，采用凌晨03:00和06:00時(shí)的實(shí)測(cè)溫度。模擬的時(shí)間段，初始溫度由實(shí)測(cè)給出。該模擬將墻體的參數(shù)設(shè)置在墻體壁面上，直接模擬日光溫室內(nèi)溫度分布規(guī)律和變化。表2，表3，表4

2 結(jié)果與分析

2.1 白天2種墻體的溫度分布特點(diǎn)和規(guī)律

研究表明，白天14:00時(shí)由于陽(yáng)光輻射熱較明顯，日光溫室內(nèi)部溫度較高，兩種溫室都超過(guò)284.5 K ，即 11.35℃，各墻面間溫差較小，對(duì)流傳熱不明顯；日光溫室外部由于墻體與外部環(huán)境間的溫差較大以及空氣流動(dòng)，散熱明顯，在墻體表面形成明顯的溫度梯度。磚墻日光溫室和砌塊復(fù)合墻體日光溫室間溫度云圖無(wú)明顯差別，白天日光溫室的熱傳遞方式以陽(yáng)光輻射占主導(dǎo)作用，磚墻日光溫室和砌塊復(fù)合墻體日光溫室室內(nèi)溫度分布規(guī)律沒(méi)有明顯差異。圖3，圖4

表2 普通磚墻日光溫室初始溫度Table 2 Temperature of common brick- wall greenhouse

表3 砌塊復(fù)合墻日光溫室初始溫度Table 3 Temperature of block and brick wall greenhouse

表4 日光溫室各材料性質(zhì)[19]Table 4 Properties of greenhouse materials

圖3 普通磚墻白天溫度云Fig.3 Daily temperature nephogram of common brick wall

圖4 復(fù)合砌塊墻白天溫度云Fig.4 The daytime temperature nephogram of composite block wall

2.2 夜間03:00時(shí)2種墻體的溫度分布特點(diǎn)和規(guī)律

研究表明，夜間03:00時(shí)磚墻墻體溫度較日光溫室內(nèi)部溫差較小，熱量從北部墻體向日光溫室內(nèi)部散發(fā)。日光溫室內(nèi)部空氣溫度由室內(nèi)下部往上部降低，后屋面和屋脊處溫度最低，約280.9 K ，即7.75℃。日光溫室內(nèi)北部墻體處約2 m高、1 m寬扇形最高溫區(qū)，最高溫達(dá)到285 K ，即11.85℃，整個(gè)日光溫室南到北部有高度約0.5 m、寬度8 m的高溫區(qū)，溫度約284 K ，即10.85℃，大部分區(qū)域的溫度約為283.15 K，即10.0℃，日光溫室內(nèi)溫度的分布均勻性較差，不利于植物的均勻生長(zhǎng)。夜間陽(yáng)光輻射作用極弱，對(duì)流傳熱占主導(dǎo)作用，普通磚墻白天蓄熱能力較弱；后屋面和屋脊處是夜間熱量散失較多的部位。前屋面因?yàn)橛? cm厚的保溫被，所以溫度云圖顯示前屋面有厚約20 cm的淡藍(lán)色低溫區(qū)。日光溫室外部由于墻體與外部環(huán)境間的溫差較大以及空氣流動(dòng)，散熱明顯，在墻體表面形成明顯的溫度梯度。圖5

圖5 普通磚墻夜間03:00時(shí)溫度云Fig.5 Night temperature nephogram of common brick wall at 03:00

研究表明，夜間06:00時(shí)磚墻的墻體溫度較日光溫室內(nèi)部低，日光溫室內(nèi)部空氣溫度由室內(nèi)南部往北部逐漸降低，南部最高溫區(qū)域約284.2 K，即11.05℃，北墻體和后屋面溫度最低，約280 K，即6.85℃；大部分區(qū)域的溫度約為280.9 K，即7.75℃。日光溫室內(nèi)溫度的分布均勻性較差，不利于植物的均勻生長(zhǎng)。說(shuō)明夜間06:00時(shí)，沒(méi)有陽(yáng)光輻射作用，也沒(méi)有墻體散熱，室內(nèi)熱量散失較多，只能靠室內(nèi)現(xiàn)有熱量維持。日光溫室外部由于墻體與外部環(huán)境間的溫差較大以及空氣流動(dòng)，散熱明顯，在墻體表面形成明顯的溫度梯度。圖6

圖6 普通磚墻夜間06:00時(shí)溫度云Fig.6 Night temperature nephogram of common brick wall at 06:00

2.3 夜間06:00時(shí)2種墻體的溫度分布特點(diǎn)和規(guī)律

研究表明，夜間03:00時(shí)砌塊復(fù)合墻體溫度明顯高于日光溫室內(nèi)部空氣溫度，北部墻體向日光溫室內(nèi)部顯著散熱，起到增溫作用。日光溫室內(nèi)部空氣溫度由北部往南部緩慢降低，后屋面和屋脊處溫度最低，整個(gè)日光溫室南到北部有高度大于2.2 m、寬度8 m的高溫區(qū)，大部分區(qū)域的溫度達(dá)到284.5 K，即11.35℃，高溫區(qū)的覆蓋范圍較大、分布均勻性較好，利于作物的生長(zhǎng)。也說(shuō)明復(fù)合墻體白天蓄熱能力較強(qiáng)，較磚墻蓄積了更多的熱量，夜間03:00時(shí)溫室內(nèi)溫度較磚墻溫室高約1.35℃。在后屋面和屋脊附近區(qū)域，室內(nèi)溫度較低，約281.2 K，即8.05℃，說(shuō)明后屋面和屋脊是夜間熱量散失較多的部位。日光溫室外部由于墻體與外部環(huán)境間的溫差較大以及空氣流動(dòng)，散熱明顯，在墻體表面形成明顯的溫度梯度。圖7

研究表明，夜間06:00時(shí)砌塊復(fù)合墻體溫度略高于日光溫室內(nèi)部空氣溫度，北部墻體向日光溫室內(nèi)部散熱，起到增溫作用。日光溫室內(nèi)部空氣溫度由北往南、由下往上降低，后屋面和屋脊處溫度最低，日光溫室內(nèi)北部墻體附件最高溫達(dá)到284.5 K，即11.35℃，大部分區(qū)域的溫度為283 K，即9.85℃。復(fù)合墻體白天蓄熱能力較強(qiáng)，較磚墻蓄積了更多的熱量，到夜間06:00時(shí)依然向日光溫室內(nèi)散熱，是日光溫室夜間的熱源。日光溫室外部由于墻體與外部環(huán)境間的溫差較大以及空氣流動(dòng)，散熱明顯，在墻體表面形成明顯的溫度梯度。圖8

圖7 復(fù)合砌塊墻夜間03:00溫度云Fig.7 Temperature nephogram of composite block wall at 03:00 at night

圖8 復(fù)合砌塊墻夜間06:00溫度云Fig.8 Temperature nephogram of composite block wall at 06:00 at night

2.4 2種墻體對(duì)日光溫室保溫作用的影響

研究表明，夜間06:00時(shí)，與墻體表面距離相同的情況下，復(fù)合墻體日光溫室的溫度值明顯高于普通磚墻溫度值。L=5 cm處，復(fù)合墻日光溫室溫度比普通磚墻高約2.5 K；L=45 cm處，復(fù)合墻日光溫室溫度比普通磚墻高約1.5 K；L=75 cm處，復(fù)合墻日光溫室溫度比普通磚墻高約1 K 。距地面L=5 cm處，兩日光溫室溫差最大，隨著高度增加，溫差減小。距離墻體表面越遠(yuǎn)，兩日光溫室溫差逐漸降低，但復(fù)合墻體日光溫室溫度始終高于普通磚墻日光溫室，砌塊復(fù)合墻體對(duì)日光溫室的保溫效果明顯優(yōu)于普通磚墻日光溫室。圖9

圖9 選定位置溫度值曲線Fig.9 Temperature Value Curve at Selected Position

3 討 論

侯加林[20]基于有限元日光溫室土墻溫度場(chǎng)模擬和試驗(yàn)，用ANSYS軟件模擬，研究墻體蓄、放熱層1 d 24 h內(nèi)的溫度周期性變化，土墻因外界溫度變化少，下半部分溫度高，水平方向變化梯度小，10～14℃穩(wěn)定時(shí)間久；20 cm厚度位置是最高溫，往北外側(cè)緩慢降低，土質(zhì)墻體北面外表面的溫度是最低的。

3.1日光溫室砌塊復(fù)合墻體為內(nèi)外擾均為周期性非線性條件的二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，用ANSYS分析軟件模擬日光溫室溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，白天14:00時(shí)由于陽(yáng)光輻射熱較明顯，2種墻體日光溫室內(nèi)部溫度較高，超過(guò)12.0℃，各墻面間溫差較小，對(duì)流傳熱不明顯；日光溫室外側(cè)由于墻體與外部環(huán)境間的溫差較大以及空氣流動(dòng)，散熱明顯，在墻體表面形成明顯的溫度梯度。磚墻日光溫室和砌塊復(fù)合墻體日光溫室間溫度云圖無(wú)明顯差別，白天日光溫室的熱傳遞方式以陽(yáng)光輻射占主導(dǎo)作用，磚墻日光溫室和砌塊復(fù)合墻體日光溫室室內(nèi)溫度沒(méi)有明顯差異。

3.2夜間03:00時(shí)，砌塊復(fù)合墻體日光溫室地面上部有高度2.2 m的高溫區(qū)，溫度達(dá)到11.2℃，高溫區(qū)的覆蓋范圍較大、分布均勻性較好，利于作物的生長(zhǎng)。與墻體表面距離相同的情況下，砌塊復(fù)合墻體日光溫室的溫度值明顯高于磚墻溫度值，距離墻體表面越遠(yuǎn)，兩日光溫室溫差逐漸降低，但砌塊復(fù)合墻體日光溫室溫度始終高于磚墻日光溫室，砌塊復(fù)合墻體對(duì)日光溫室的保溫效果明顯優(yōu)于磚墻。且隨著時(shí)間的推移，兩日光溫室溫差逐漸增加，到夜間06:00時(shí)，磚墻溫度低于室內(nèi)，沒(méi)有散熱；砌塊復(fù)合墻體溫度仍高于室內(nèi)，繼續(xù)散熱。復(fù)合墻體白天蓄熱能力較強(qiáng)，較磚墻蓄積了更多的熱量，到夜間06:00時(shí)依然向日光溫室內(nèi)散熱。該模擬，后屋面只設(shè)定了彩鋼板一種材料，后屋面是熱量散失較多的部位，后期設(shè)計(jì)時(shí)，需要注重后屋面的保溫性。脊高處也是熱量損失較多的部位，需要加強(qiáng)脊高處的密封性。

4 結(jié) 論

日光溫室墻體為內(nèi)外擾均為周期性非線性條件的二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，白天14:00時(shí)2種墻體溫室內(nèi)超過(guò)12.0℃，各墻面間溫差較小，對(duì)流傳熱不明顯。夜間03:00時(shí)，砌塊復(fù)合墻體日光溫室地面上部有高度2.2 m、溫度11.2℃的高溫區(qū)。砌塊復(fù)合墻體日光溫室的熱性能明顯好于磚墻日光溫室，與實(shí)際栽培試驗(yàn)結(jié)果相同。日光溫室砌塊復(fù)合墻體為內(nèi)外擾均為周期性非線性條件的二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，白天日光溫室的熱傳遞方式以陽(yáng)光輻射占主導(dǎo)作用，磚墻日光溫室和砌塊復(fù)合墻體日光溫室室內(nèi)溫度沒(méi)有明顯差異。夜間砌塊復(fù)合墻體對(duì)日光溫室的保溫效果明顯優(yōu)于磚墻。