基于有限元的蔬菜大棚通風(fēng)模擬研究

王金翔,謝婭婭

基于有限元的蔬菜大棚通風(fēng)模擬研究

王金翔,謝婭婭*

荊楚理工學(xué)院, 湖北 荊門(mén) 448000

本文基于有限元仿真模型模擬了不同通風(fēng)方式下大棚內(nèi)的空氣流場(chǎng)分布規(guī)律，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口相對(duì)時(shí)，靠近進(jìn)風(fēng)口附近可種植的蔬菜高度高于出風(fēng)口附近。出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口不相對(duì)時(shí)，靠近出風(fēng)口一定范圍內(nèi)的空氣速度較為平穩(wěn)，有利于蔬菜種植。頂部通風(fēng)有助于改變大棚頂部的空氣循環(huán)模式。在遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的頂部設(shè)置出風(fēng)口可促進(jìn)空氣流動(dòng)速度增加。本文的研究結(jié)果可為蔬菜大棚通風(fēng)口設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

有限元模型; 蔬菜大棚; 通風(fēng)模擬

隨著生活水平的提高，人們對(duì)各種各樣的蔬菜的需求量增加，餐桌上時(shí)?？梢?jiàn)反季節(jié)的蔬菜，這都?xì)w功于蔬菜大棚大面積推廣應(yīng)用。由于大棚能夠改變蔬菜生長(zhǎng)的微氣候，為其營(yíng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，無(wú)需根據(jù)天氣選擇種植的蔬菜品種。通風(fēng)在大棚內(nèi)部微氣候調(diào)控中起到非常重要的作用。通風(fēng)的作用是交換熱量、降低濕度，為大棚提供新鮮空氣保證其內(nèi)部的二氧化碳濃度。但如果大棚通風(fēng)不暢，會(huì)出現(xiàn)溫度過(guò)高、濕度過(guò)大、二氧化碳濃度偏低和有害氣體積累等問(wèn)題，影響蔬菜的正常生長(zhǎng)，造成病蟲(chóng)害嚴(yán)重、作物減產(chǎn)、品質(zhì)低劣。因此，通風(fēng)方式對(duì)大棚環(huán)境調(diào)控規(guī)律研究尤為重要[1-3]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于有限元的計(jì)算流體力學(xué)模擬（CFD）被廣泛用于流體流動(dòng)規(guī)律研究。大棚由于尺寸較大，實(shí)驗(yàn)研究存在一定的難度和誤差，因此眾多研究者利用CFD研究大棚在應(yīng)用過(guò)程中的空氣流動(dòng)和溫度分布。何科奭等[4]利用計(jì)算流體力學(xué)模擬的方式研究不同通風(fēng)方式下溫室內(nèi)氣流和溫度場(chǎng)，探究通風(fēng)方式對(duì)通風(fēng)率、室內(nèi)外溫差和室內(nèi)氣候均勻性的影響規(guī)律，揭示溫室微氣候形成機(jī)理?，F(xiàn)有的通風(fēng)方式主要有機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)，研究者研究了不同通風(fēng)方式的特征。趙杰強(qiáng)等[5]、黃全豐等[6]利用Fluent模擬了機(jī)械通風(fēng)形式下，連棟大棚內(nèi)的溫度分布規(guī)律。部分研究者[7-11]通過(guò)Fluent模擬了不同通風(fēng)方式下大棚內(nèi)的空氣流動(dòng)和溫度場(chǎng)分布，研究大棚的通風(fēng)操作方式。目前的研究成果[12-20]均是針對(duì)不同類(lèi)型的大棚進(jìn)行模擬，未充分討論研究不同通風(fēng)模式下大棚內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，以及根據(jù)該流動(dòng)規(guī)律選擇種植事宜的蔬菜品種。

本文建立有限元仿真模型，利用Fluent軟件模擬了不同通風(fēng)方式下大棚內(nèi)的空氣流場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)比分析了通風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口相對(duì)位置不同的影響，探究了不同頂部通風(fēng)口布置方式對(duì)大棚內(nèi)的流場(chǎng)影響規(guī)律。本文的研究結(jié)果可為大棚通風(fēng)口的設(shè)計(jì)和大棚內(nèi)蔬菜種植方式提供指導(dǎo)。

1 模擬模型及對(duì)象

1.1 模型方程

在進(jìn)行通風(fēng)操作時(shí)，溫室內(nèi)空氣流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的雷諾數(shù)Re一般大于4 000，具有較高的湍流特性，因此本文選用-湍流模型來(lái)描述空氣流動(dòng)。同時(shí)本文假設(shè)大棚內(nèi)氣體為連續(xù)、穩(wěn)定、不可壓縮牛頓流體，因此用有限元的方法求解空氣流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，控制方程滿足連續(xù)性方程、動(dòng)能方程、湍流能量耗散方程和湍流能量耗散率方程如下。

（1）連續(xù)性方程：

（2）動(dòng)量方程：

（3）湍流能量耗散方程和能量耗散率方程

1.2 模擬對(duì)象及方法

本文選擇華中地區(qū)典型的金屬骨架塑料溫室大棚為研究對(duì)象，寬度8 m，長(zhǎng)度20 m，脊高3 m，頂高5.0 m，主進(jìn)風(fēng)口寬0.8 m。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)大棚進(jìn)行劃分，進(jìn)出風(fēng)口進(jìn)行了網(wǎng)格加密。進(jìn)口風(fēng)速為1.2 m?s-1。模擬計(jì)算時(shí)采用的邊界條件和初始條件如表1所示。

表 1 模擬邊界條件和初始條件

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

為了避免網(wǎng)格大小影響模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，本文采用3種網(wǎng)格尺寸對(duì)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口相對(duì)的大棚進(jìn)行模擬研究。各種網(wǎng)格尺寸大小下，通風(fēng)30 min之后沿著大棚長(zhǎng)度方向距地面2 m高度處的空氣速度如圖1所示。

圖 1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

圖1中，曲線為模擬值，星號(hào)為實(shí)際測(cè)量值。由圖可見(jiàn)，不網(wǎng)格大小模擬獲得的空氣速度沿長(zhǎng)度方向變化趨勢(shì)基本一致，而且與實(shí)測(cè)值之間誤差較小。因此，模擬過(guò)程采用的模型準(zhǔn)確，可很好地反應(yīng)實(shí)際通風(fēng)過(guò)程，同時(shí)網(wǎng)格尺寸對(duì)模擬結(jié)果影響較小。后文的模擬中采用的網(wǎng)格尺寸為0.05 m。

2.2 進(jìn)風(fēng)口位置及數(shù)量對(duì)蔬菜大棚內(nèi)空氣流動(dòng)的影響

進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的相對(duì)位置會(huì)影響通風(fēng)時(shí)空氣在蔬菜大棚內(nèi)的流動(dòng)軌跡，進(jìn)而影響不同高度處蔬菜和空氣接觸的量，因此本節(jié)考察了三種不同出風(fēng)口位置對(duì)大棚內(nèi)的空氣流動(dòng)影響。圖2所示的是不同出風(fēng)方式下大棚沿長(zhǎng)度方向的中軸面上的空氣速度分布，其中middle代表出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口相對(duì)，lower代表出風(fēng)口在進(jìn)風(fēng)口相對(duì)位置的下方，upper代表出風(fēng)口在進(jìn)風(fēng)口相對(duì)位置的上方，出風(fēng)口的尺寸均為0.8 m。由圖2（a）可見(jiàn)，出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口相對(duì)時(shí)，空氣達(dá)到大棚中心位置后的速度可以保持在0.5 m?s-1左右，之后速度逐漸減小。在出口附近高度方向上空氣的速度梯度較大。因此，圖2（a）的通風(fēng)方式下，靠近進(jìn)風(fēng)口的地方比較適合種植高度與進(jìn)風(fēng)口高度差不多的蔬菜品種，如黃瓜、西紅柿等。而在出風(fēng)口附近比較適合種植低于出風(fēng)口的蔬菜品種，如芹菜、青菜、豌豆等，這樣增加不同種類(lèi)的蔬菜與空氣接觸的機(jī)會(huì)。由圖2（b）和（c）可見(jiàn)，當(dāng)出風(fēng)口在進(jìn)風(fēng)口相對(duì)位置的下方和上方時(shí)，另外一個(gè)在距地面1 m的位置時(shí)，空氣在未到達(dá)大棚中心位置前，其速度已降至0.4 m?s-1左右，之后風(fēng)速繼續(xù)降低且在高度方向上速度梯度較小。靠近進(jìn)風(fēng)口的地方比較適合種植高度與進(jìn)風(fēng)口高度差不多，且需要通風(fēng)量較大的蔬菜品種。而在出風(fēng)口附近比較適合種植低于出風(fēng)口的蔬菜品種，或與進(jìn)風(fēng)口高度差不多但需要的通風(fēng)量較小的蔬菜品種，這樣增加不同種類(lèi)的蔬菜與空氣接觸的機(jī)會(huì)。

圖 2 不同出風(fēng)方式下大棚沿長(zhǎng)度方向的中軸面上的空氣速度分布

圖3所示的是不同出風(fēng)方式下大棚沿長(zhǎng)度方向的中軸面上的空氣速度矢量分布。由圖可見(jiàn)，在大棚的頂部形成一個(gè)空氣流動(dòng)大循環(huán)，不利于空氣的交換，因此進(jìn)風(fēng)口以上的位置不適合種植過(guò)高的蔬菜品種?？拷M(jìn)風(fēng)口2 m左右的位置存在一個(gè)空氣流動(dòng)小循環(huán)，不利于空氣的交換，因此靠近進(jìn)風(fēng)口不適宜種植蔬菜。

圖 3 不同出風(fēng)方式下大棚沿長(zhǎng)度方向的中軸面上的空氣速度矢量分布

圖4所示的是三種不同出風(fēng)口設(shè)置方式下0.8 m和2 m高度處空氣速度沿長(zhǎng)度方向分布。由圖可見(jiàn)，出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口不相對(duì)時(shí)，大棚內(nèi)的空氣速度比兩個(gè)風(fēng)口相對(duì)時(shí)較小，主要是由于空氣運(yùn)動(dòng)的軌跡有一定的增加。但是出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口不相對(duì)時(shí)，靠近出風(fēng)口一定范圍內(nèi)的空氣速度較為平穩(wěn)。

圖 4 三種不同出風(fēng)口設(shè)置方式下不同高度處空氣速度沿長(zhǎng)度方向分布

圖5所示的是三種不同出風(fēng)口設(shè)置方式下長(zhǎng)度5 m、10 m、15 m處空氣速度沿高度方向分布。由圖可見(jiàn)，三種不同出風(fēng)口下，大棚長(zhǎng)度L=5 m、高度H=3 m左右存在一個(gè)空氣速度非常小的區(qū)域，這是由于大棚上不氣流大循環(huán)引起的，因此該高度范圍內(nèi)不適宜種植蔬菜。大棚長(zhǎng)度L＞10 m后空氣的速度沿軸向分布梯度較小。

圖 5 三種不同出風(fēng)口設(shè)置方式下不同長(zhǎng)度位置處空氣速度沿高度方向分布

2.3 頂部出風(fēng)口打開(kāi)方式對(duì)大棚內(nèi)空氣流動(dòng)的影響

圖6和圖7分別是不同頂部出風(fēng)方式下大棚沿長(zhǎng)度方向的中軸面上的空氣速度和空氣速度矢量分布，四種通風(fēng)方式分別為：1個(gè)頂部中間出風(fēng)口、1個(gè)頂部中間出風(fēng)口和1個(gè)左側(cè)出風(fēng)口、1個(gè)頂部中間出風(fēng)口和1個(gè)右側(cè)出風(fēng)口、1個(gè)頂部中間出風(fēng)口和1個(gè)左側(cè)出風(fēng)口和1個(gè)右側(cè)出風(fēng)口，出風(fēng)口的尺寸均為0.8 m。由圖可見(jiàn)，頂部出風(fēng)方式對(duì)大棚2 m高度以下范圍內(nèi)的空氣流速影響較小，這主要是由于空氣沿著水平方向經(jīng)過(guò)大棚且進(jìn)風(fēng)口中心距地面高度為1.4 m，大棚頂部的空氣流速較小。由圖6可見(jiàn)，在遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的頂部設(shè)置出風(fēng)口可促進(jìn)遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口端的位置處的空氣流動(dòng)，提高空氣流速，有助于蔬菜的種植。由圖7可見(jiàn)，頂部通風(fēng)有助于改變大棚頂部的空氣循環(huán)模式，有助于頂部空氣置換出大棚。

圖 6 不同頂部出風(fēng)方式下大棚沿長(zhǎng)度方向的中軸面上的空氣速度分布

圖 7 不同頂部出風(fēng)方式下大棚沿大棚長(zhǎng)度方向的中軸面上的空氣速度矢量分布

3 結(jié) 論

本文基于有限元仿真模型模擬了不同通風(fēng)方式下蔬菜大棚內(nèi)的空氣流場(chǎng)分布規(guī)律。模擬獲得的空氣速度分布結(jié)果和實(shí)際測(cè)量值對(duì)比說(shuō)明模型的準(zhǔn)確性。分別模擬了通風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口不同相對(duì)位置下大棚內(nèi)的流場(chǎng)分布，結(jié)果說(shuō)明出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口相對(duì)的通風(fēng)方式下，靠近進(jìn)風(fēng)口的地方比較適合種植高度與進(jìn)風(fēng)口高度差不多的蔬菜品種，如黃瓜、西紅柿等。而在出風(fēng)口附近比較適合種植低于出風(fēng)口的蔬菜品種，如芹菜、青菜、豌豆等，這樣增加不同種類(lèi)的蔬菜與空氣接觸的機(jī)會(huì)。出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口不相對(duì)時(shí)，靠近出風(fēng)口一定范圍內(nèi)的空氣速度較為平穩(wěn)。同時(shí)探究了不同頂部通風(fēng)口布置方式對(duì)大棚內(nèi)的流場(chǎng)影響規(guī)律。頂部通風(fēng)有助于改變大棚頂部的空氣循環(huán)模式，有助于頂部空氣置換出大棚。在遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的頂部設(shè)置出風(fēng)口可促進(jìn)遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口端的位置處的空氣流動(dòng)，提高空氣流速，有助于蔬菜的種植。本文的研究結(jié)果說(shuō)明需要根據(jù)不同通風(fēng)方式下大棚內(nèi)的流場(chǎng)分布確定種植的蔬菜類(lèi)型，同時(shí)頂部設(shè)置通風(fēng)口有助于通風(fēng)。

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Simulation for the Ventilation Process in Vegetable Greenhouses Based on Finite Element Method

WANG Jin-xiang, XIE Ya-ya*

448000,

This paper simulates the distribution of air flow field in greenhouses under different ventilation modes based on finite element simulation model. The accuracy of the model was verified by experimental data. It was found that when the air outlet was opposite to the air inlet, the height of vegetables planted near the air inlet was higher than that near the air outlet. When the air outlet is not relative to the air inlet, the air velocity within a certain range near the air outlet is relatively stable. Top ventilation helps to change the air circulation pattern at the top of the greenhouse. The air outlet at the top far from the air inlet can promote the increase of air flow speed. The results of this study can provide theoretical guidance for the design of greenhouse vents.

Finite element method; vegetable greenhouse; simulation ventilation

S625.51

A

1000-2324(2022)02-0314-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.020

2021-11-05

2021-12-06

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(B2021263);荊楚理工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(YD202101)

王金翔(1982-),男,碩士,講師,主要研究方向:通信與信息系統(tǒng)、機(jī)器人工程. E-mail:wjx1982@126.com

Author for correspondence. E-mail:33353302@qq.com