基于CFD的頂部可開合塑料溫室外流場仿真分析

胡光艷，曾憲任，余香梅，王海平

（1.九江學(xué)院，江西 九江 332005；2.江西省九面旗生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司，江西 九江 332000）

設(shè)施種植是保障“菜籃子”產(chǎn)品供應(yīng)、促進(jìn)農(nóng)民增收和繁榮農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的有效途徑[1]。截至2021年底，全國大中拱棚以上設(shè)施面積達(dá)413.33 萬hm2，有效保障了農(nóng)產(chǎn)品的市場供應(yīng)，增加了農(nóng)民收入，也符合鄉(xiāng)村振興的時代需要。但傳統(tǒng)塑料大棚條件簡陋，控制不便，采光、通風(fēng)效果不佳，影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量。近年來，新型智能溫室成為研究熱點。這些智能溫室配套設(shè)施相對完善，一系列補(bǔ)光、保溫、遮陽等技術(shù)的應(yīng)用為作物生長創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件，但也不可避免地增加了建造和維護(hù)成本，難以普及推廣。如何有效利用現(xiàn)有條件，在控制成本的同時有效改善溫室條件，是研究人員需要重點考慮和著力解決的問題。對此，引入一種頂部可開合的塑料溫室，可通過溫室頂部鋼絲繩運動來帶動薄膜，實現(xiàn)整個棚頂?shù)倪m時開啟，進(jìn)而解決傳統(tǒng)塑料大棚通風(fēng)不便的問題，達(dá)到適時通風(fēng)、降溫、除濕和改善空氣質(zhì)量的目的，而且，這種塑料溫室建造及維護(hù)成本低，配套機(jī)構(gòu)簡單易控，值得研究與推廣。在實際應(yīng)用過程中，這種頂部可開合的塑料溫室需要重點關(guān)注其抗風(fēng)性能，以防止大風(fēng)帶來安全隱患。研究運用CFD 方法，模擬溫室在較大風(fēng)力作用下的風(fēng)壓及流場分布，借此改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)而增強(qiáng)塑料溫室的可靠性和安全性。

1 頂部可開合塑料溫室的結(jié)構(gòu)特點

頂部可開合塑料溫室主要由溫室主體支撐結(jié)構(gòu)、屋頂可開合系統(tǒng)、立面覆蓋、電氣及控制系統(tǒng)等組成。現(xiàn)以大跨度雙坡溫室為例，其基本尺寸為長度60 m，寬度6 m（可擴(kuò)展），中間脊高5 m，兩端肩高3.5 m，其主體結(jié)構(gòu)特征見圖1。

圖1 可開合棚頂結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structural diagram of retractable roof

這種塑料溫室的工作原理是：多條并列的鋼絲繩與覆蓋其上的薄膜共同組成鋸齒形屋頂，這些鋼絲繩兩端連在支架上，支架可在導(dǎo)軌上移動和偏轉(zhuǎn)。根據(jù)室內(nèi)實時溫度、濕度等指標(biāo)，可控制電機(jī)適時啟動，帶動支架在導(dǎo)軌上運行，拉動薄膜如折扇狀折疊與展開，進(jìn)而完成棚頂?shù)拈_合[2]。

棚頂斜坡采用V 型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計，可解決排水問題。溫室立面部分用較厚的薄膜加以覆蓋，也可利用原有墻面。屋頂合攏時，應(yīng)與溫室立面部分保證可靠的貼合。

2 CFD建模與數(shù)值分析

2.1 CFD在溫室工程中的應(yīng)用

計算流體力學(xué)（CFD）在溫室領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：一是研討風(fēng)荷載對溫室結(jié)構(gòu)性能的影響，二是研究溫室通風(fēng)狀況并作環(huán)境分析。風(fēng)壓是建筑設(shè)計中需要主要考慮的荷載之一，目前對風(fēng)壓的研究屬于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程范疇。CFD 方法作為計算風(fēng)工程的主要手段，其研究多集中在如何選用合適的湍流模型，以達(dá)到較好的預(yù)測精度[3]。目前，針對房屋建筑的風(fēng)壓研究較為常見[4-7]，即通過數(shù)值模擬的方法來分析屋面的風(fēng)壓分布規(guī)律，從而評價或修正房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計。顏菲爾和李偉清[8]對尖頂型溫室風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬與研究，探討了不同風(fēng)向風(fēng)荷載對不同跨數(shù)的溫室結(jié)構(gòu)直面風(fēng)壓的作用效應(yīng)，趙玉磊[9]應(yīng)用CFD方法對光伏農(nóng)業(yè)科技大棚內(nèi)的溫度及流場分布進(jìn)行模擬仿真分析，用以指導(dǎo)環(huán)流風(fēng)機(jī)、排氣窗等安裝及棚內(nèi)建筑物的合理布局。王新忠、張偉建等[10-11]利用建立的CFD模型，對屋頂全開型玻璃溫室進(jìn)行自然通風(fēng)流場分析，研究降溫調(diào)控措施的有效性。

Fluent 軟件是目前CFD 仿真領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的軟件包之一，其豐富的物理模型能模擬層流、湍流、熱傳遞、熱反應(yīng)等物理現(xiàn)象。ANSYS集成Fluent后給用戶提供了可與大多數(shù)CAD 系統(tǒng)連接的接口，能方便地導(dǎo)入外部幾何模型。ANSYS Fluent 對Design Modeler和Meshing 進(jìn)行了集成，便于用戶對導(dǎo)入模型進(jìn)行修復(fù)和生成，并完成網(wǎng)格劃分。本研究就是以ANSYS Fluent軟件為主要工具，依托其強(qiáng)大的流體仿真功能來完成溫室外流場的仿真。

2.2 CFD建模與數(shù)值模擬

頂部可開合塑料溫室在使用中需要承受多種荷載作用，其中風(fēng)荷載是主要考慮的荷載之一。通常，風(fēng)速較高時溫室應(yīng)處在封閉狀態(tài)，故重點研究溫室在封閉狀態(tài)下的風(fēng)壓及流場分布。根據(jù)溫室的跨度方向（東西方向）與風(fēng)向的位置關(guān)系，將來風(fēng)方向分為以下3 種：東風(fēng)和西風(fēng)，與跨度方向平行；南風(fēng)和北風(fēng)，與跨度方向垂直；東南風(fēng)、東北風(fēng)、西南風(fēng)、西北風(fēng)，與跨度方向夾角45°?，F(xiàn)分別研究3種風(fēng)向的溫室流場分布情況。

2.2.1 有限元模型與網(wǎng)格劃分首先，利用SolidWorks軟件建立1∶1 單跨雙坡溫室實體模型，寬12 m，縱向長60 m（單坡30 m），肩高3.5 m，脊高5 m。然后，將幾何模型導(dǎo)入ANSYS Fluent 模塊計算域設(shè)置與網(wǎng)格劃分。計算域為長方體，按照最大阻塞率（建筑物最大迎風(fēng)面面積/流域橫截面面積）小于3%的原則，設(shè)定長方體尺寸為200 m×350 m×65 m。溫室置于風(fēng)速流動方向前1/4處，3種來風(fēng)方向均與計算域入口平面保持垂直，不同的是溫室在計算域內(nèi)所處的方位。東風(fēng)、西風(fēng)、南風(fēng)、北風(fēng)均設(shè)置對稱面，以減少計算量。最后，進(jìn)入Fluent自帶的mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按默認(rèn)設(shè)置即可。

2.2.2 模型選擇與邊界條件設(shè)定選取Realizable k-ε 湍流模型，增強(qiáng)型壁面函數(shù)（Enhanced Wall Treatment），采用速度入口（velocity-inlet）。對于B 類地貌，用指數(shù)函數(shù)模擬風(fēng)速分布：

式中，vz為任意高度z處的平均風(fēng)速；z0為參考高度，取為10 m；v0為參考高度10 m 處的平均風(fēng)速，取20 m/s（相當(dāng)于8級風(fēng)）；α與地面粗糙度有關(guān)，取值0.2。

入口處湍流特性由湍動能k和湍流耗散率ε確定，其表達(dá)式如下：

式中，l為湍流積分尺度，參照日本規(guī)范，取值為為湍流強(qiáng)度，參考日本規(guī)范Ⅲ類地貌，取值為

式中，α=0.2，zb=5m，zG=450m以上速度入口邊界條件均用UDF編程實現(xiàn)并作為用戶自定義函數(shù)由Fluent 調(diào)用和編譯。圖2、圖3 分別為入口速度和湍動能隨高度變化的曲線，與此類似，還可得到湍流耗散率的變化曲線。

圖2 入口速度隨高度的變化Figure 2 Inlet velocity changes with height

圖3 湍動能隨高度的變化Figure 3 Turbulent kinetic energy changes with height

出口邊界條件：采用完全發(fā)展出流（outflow）邊界條件；溫室模型表面和流場地面：采用無滑移壁面條件（wall）；流域頂部和兩側(cè)：采用自由滑移邊界條件，其中東風(fēng)、西風(fēng)工況和南風(fēng)、北風(fēng)工況含1 個對稱邊界條件（symmetry）。

2.2.3 初始化與計算收斂壓力—速度耦合采用Coupled 算法，利用Hybrid 方法進(jìn)行初始化。設(shè)置迭代次數(shù)200次，殘差小于1×10-3即可認(rèn)為達(dá)到收斂。

3 頂部可開合塑料溫室多工況流場分析

3.1 東（西）風(fēng)工況流場分析

東（西）風(fēng)工況下溫室表面及其對稱面的壓力云圖見圖4、圖5，速度矢量圖見圖6，跡線圖見圖7。

圖5 東（西）風(fēng)壓力云圖（對稱面）Figure 5 East(west)wind pressure cloud map(symmetrical plane)

圖6 東（西）風(fēng)速度矢量圖（對稱面）Figure 6 East(west)wind velocity vector map(symmetrical plane)

圖7 東（西）風(fēng)跡線圖Figure 7 East(west)wind track chart

由圖4、圖5和圖6可知：在溫室迎風(fēng)面有較大的正壓產(chǎn)生，在底部形成低速高壓區(qū)，并有一些碰撞回流現(xiàn)象；屋頂前部風(fēng)壓變化急劇，形成較大梯度；整個屋頂上方形成負(fù)壓區(qū)，即對屋頂形成“風(fēng)升”效應(yīng)；背風(fēng)面處有負(fù)壓產(chǎn)生，后方區(qū)域產(chǎn)生明顯的低速渦流區(qū)。從圖7 跡線圖可以明顯看出后方（圖中右下方）形成的渦流，屋頂前部V型槽結(jié)構(gòu)起始部分因風(fēng)場干擾效應(yīng)也在局部形成渦流特征。

3.2 南（北）風(fēng)工況流場分析

南（北）風(fēng)工況下溫室表面及其對稱面的壓力云圖見圖8、圖9，速度矢量圖見圖10，跡線圖見圖11。

迎風(fēng)面正壓、底部碰撞回流、屋頂“風(fēng)升”效應(yīng)、背風(fēng)面負(fù)壓等主要特征與前一種工況類似。同時，由圖8 可以看出，屋頂風(fēng)壓呈現(xiàn)明顯分層，這與荷載設(shè)計規(guī)范給出的鋸齒形屋頂風(fēng)荷載體型系數(shù)變化特征極為相符，對照圖9 可以更加清晰地看出分層面的位置。由圖10 和圖11 可以看出，橫向風(fēng)與屋頂V 型槽壁面之間來回碰撞回流，層層遞進(jìn)疊加，最終沿著來風(fēng)方向形成明顯的梯度。與平行風(fēng)相比，后方形成的渦流區(qū)域更大一些。對比兩張對稱面壓力云圖（圖5和圖9），可以看出垂直風(fēng)向的工況負(fù)壓絕對值更大，“風(fēng)升”效應(yīng)更加明顯。

圖8 南（北）風(fēng)壓力云圖（溫室表面）Figure 8 South(North)wind pressure cloud map(greenhouse surface)

圖9 南（北）風(fēng)壓力云圖（對稱面）Figure 9 South(North)wind pressure cloud map(symmetrical plane)

圖10 南（北）風(fēng)速度矢量圖（對稱面）Figure 10 South(North)wind velocity vector map(symmetrical plane)

至于最大風(fēng)速，由于計算域的高度遠(yuǎn)大于溫室高度（約12倍），按照UDF編程，計算域高度不變時的最大風(fēng)速應(yīng)出現(xiàn)在計算域的頂部且為定值。但從仿真結(jié)果看，兩種工況的最大風(fēng)速稍有差異，可能是在不同工況條件下，由于溫室在計算域中的相對位置不同而導(dǎo)致阻塞率存在差異所造成的，但也不排除計算精度的影響。

3.3 東南風(fēng)（45°風(fēng)向）工況流場分析

東南風(fēng)（45°風(fēng)向）工況下溫室表面及其對稱面的壓力云圖見圖12、圖13。

圖12 東南風(fēng)（45°風(fēng)向角）壓力云圖（溫室表面）Figure 12 Southeast wind(45°angle of direction wind)pressure cloud map(greenhouse surface)

圖13 東南風(fēng)（45°風(fēng)向角）壓力云圖（輔助平面）Figure 13 Southeast wind(45°angle of direction wind)pressure cloud map(auxiliary plane)

斜風(fēng)向來風(fēng)比較復(fù)雜，從圖12 可以看到兩個迎風(fēng)面的壓力變化情況，即從正壓過渡到負(fù)壓分層明顯，屋頂前端極限負(fù)壓涉及到兩段邊沿，整個屋頂?shù)呢?fù)壓分區(qū)更為復(fù)雜。對此，通常做法是在計算域內(nèi)設(shè)置一些平面進(jìn)行輔助分析，如圖13所示，該平面經(jīng)過兩個迎風(fēng)面交線且平行于風(fēng)向。通過觀察圖12和圖13 所示壓力云圖，可以看出東南風(fēng)壓力分布規(guī)律與前兩種工況類似，但背風(fēng)面渦流尤為明顯。速度矢量圖和跡線圖與前兩種工況類似，這里不再贅述。顯然，平面所處位置不同，其流場分布特征不同。另外要說明的是，實際風(fēng)向往往諸多變化，完全正東正西（或正南正北）的風(fēng)向極少，因此在溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮整體結(jié)構(gòu)各方面的的承載性能，確保安全可靠。

綜合比較三種工況的數(shù)據(jù)可以看出，迎風(fēng)面上的最大正壓值出現(xiàn)在東（西）風(fēng)工況（風(fēng)向與跨度方向平行），最小值出現(xiàn)在南（北）風(fēng)工況（風(fēng)向與跨度方向垂直），45°風(fēng)向的正壓力大小居中。相應(yīng)地，屋頂前端出現(xiàn)的最大負(fù)壓值（絕對值最大），大小關(guān)系則剛好相反，南（北）風(fēng)工況負(fù)壓最大，即垂直風(fēng)向的屋頂“風(fēng)升”效應(yīng)最明顯，但是45°風(fēng)向時，極限負(fù)壓分布的區(qū)域更大，這也是不利的。具體到實際中，則宜參考區(qū)域內(nèi)常年風(fēng)向的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)該地區(qū)最常見的風(fēng)向和地理特征來進(jìn)行布局和選址，并優(yōu)化溫室的相關(guān)結(jié)構(gòu)等。

4 結(jié)論

頂部可開合的塑料溫室能更好地滿足溫室采光、降溫、換氣、除濕的要求，同時由于頂部可收放的特殊構(gòu)造，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要多加重視整體結(jié)構(gòu)包括各連接部分的穩(wěn)定性以及確保在各種荷載組合作用下安全可靠。

風(fēng)荷載是溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計需要重點考慮的因素，CFD數(shù)值方法是溫室風(fēng)壓研究最重要的方法之一，本文運用ANSYS Fluent 軟件模擬三種風(fēng)向下溫室的風(fēng)壓和風(fēng)速的流場分布情況，得出溫室風(fēng)載的特征及其變化規(guī)律，與規(guī)范相符，說明CFD方法在風(fēng)壓分析方面的有效性，分析結(jié)果可以為溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及建造提供有價值的參考。