連棟溫室內(nèi)濕簾-風(fēng)機(jī)流場(chǎng)特性

高振軍，李文楊，丁小明，李葦，NYAMOSOR Batkhuu

（1. 三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125； 3. 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州510630； 4. Department of Forest Environmental Science, National University of Mongolia, Ulaanbaatar 14201, Mongolia）

與傳統(tǒng)溫室相比，大型連棟玻璃溫室具有更大的利用空間，可進(jìn)行更加高效、節(jié)能、科學(xué)的操作，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?但是，由于大型連棟溫室的大空間跨度造成的溫度分布不均、降溫困難等問題也十分明顯，夏季通風(fēng)不良甚至?xí)沟脺厥覂?nèi)溫度過高而休棚，無法實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)[1-2].

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于小型溫室內(nèi)的溫度分布和各種條件下的通風(fēng)情況已有了較為詳盡的研究[3-6]，但針對(duì)大型連棟溫室的通風(fēng)情況的研究仍較少.沈明衛(wèi)等[7]對(duì)塑料連棟溫室進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)計(jì)算，討論了開窗形式對(duì)溫室內(nèi)流場(chǎng)的影響.王新忠等[8]、張芳等[9]對(duì)自然通風(fēng)條件下，連棟溫室內(nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬.趙杰強(qiáng)等[10]研究了機(jī)械通風(fēng)時(shí)連棟溫室內(nèi)溫度場(chǎng)的分布.在國(guó)外，TEITEL等[11]研究了單跨溫室中風(fēng)速對(duì)溫室內(nèi)空氣交換和通風(fēng)效率的影響；LEE等[12]研究發(fā)現(xiàn)文洛型多跨溫室由于更復(fù)雜的屋頂開窗形狀，自然通風(fēng)時(shí)容易出現(xiàn)溫室內(nèi)部氣流分布的不穩(wěn)定.上述對(duì)溫室通風(fēng)情況的研究大多局限在對(duì)單一流場(chǎng)或溫度場(chǎng)的分析，且對(duì)濕簾-風(fēng)機(jī)通風(fēng)工況的研究很少，另外已有的連棟溫室的計(jì)算模型多為穩(wěn)態(tài)計(jì)算，忽略了對(duì)其中變化規(guī)律的總結(jié)和討論.

近年來，將計(jì)算流體力學(xué)和試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法相結(jié)合的研究方式在溫室通風(fēng)領(lǐng)域已十分成熟[13-16].通過對(duì)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站的連棟溫室模型進(jìn)行計(jì)算，揭示濕簾-風(fēng)機(jī)通風(fēng)條件下，其內(nèi)部流場(chǎng)的瞬態(tài)變化特征，并在相同步長(zhǎng)下，將溫度和速度的計(jì)算結(jié)果對(duì)照分析，探究通風(fēng)過程中溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的聯(lián)系，希望為進(jìn)一步掌握連棟玻璃溫室內(nèi)濕簾-風(fēng)機(jī)的降溫規(guī)律，提高溫室內(nèi)適宜小氣候的調(diào)控效率，降低運(yùn)行能耗等提供有價(jià)值的參考.

1 連棟玻璃溫室建模

1.1 建模對(duì)象

農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站示范基地位于廣州市天河區(qū)柯木塱（113.4°E，23.18°N），地處南亞熱帶，屬于亞熱帶典型的季風(fēng)海洋氣候.圖1為文洛小尖頂溫室及結(jié)構(gòu)尺寸示意圖.連棟溫室主體構(gòu)架采用輕型熱鍍鋅鋼材料，四周覆蓋5 mm厚單層玻璃.試驗(yàn)溫室共3棟，單棟跨度9.6 m，長(zhǎng)36 m，每棟開間數(shù)為3.肩高6.5 m，屋脊方向?yàn)闁|西走向跨28.8 m，脊高7.5 m ，濕簾距地高度1.6 m，風(fēng)機(jī)距地高度2 m.

1.2 幾何模型

按1∶1建立試驗(yàn)溫室的幾何模型，如圖2所示.考慮實(shí)際過程中入口空氣的流通形式以及與濕簾之間的換熱，對(duì)溫室內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)做簡(jiǎn)化處理.以笛卡爾坐標(biāo)作為所建模型的全局坐標(biāo)系，并規(guī)定x軸正方向?yàn)槟希瑈軸正方向?yàn)闁|.圖2a為濕簾側(cè)，圖2b為風(fēng)機(jī)出口側(cè)，溫室頂部窗口關(guān)閉.將風(fēng)機(jī)口設(shè)置為流量出口，濕簾處設(shè)置為自由入口，并按外界環(huán)境條件設(shè)置流入空氣的參數(shù)，依靠風(fēng)機(jī)出口的負(fù)壓形成濕簾側(cè)的進(jìn)風(fēng)條件.

1.3 計(jì)算模型

1.3.1 能量方程

采用的能量方程求解形式[17]，式（1）中包括了壓力作用和動(dòng)能項(xiàng)，等號(hào)右邊的前3項(xiàng)分別表示由于導(dǎo)熱、組分?jǐn)U散和黏性耗散所產(chǎn)生的能量傳遞.

?·[keff?T-∑hjJj+（τeff·v）]+Sh,

（1）

1.3.2 輻射傳遞方程

輻射方程可用于求解輻射傳熱產(chǎn)生的能量源項(xiàng)，計(jì)算過程中設(shè)置太陽(yáng)輻射模型考慮自然環(huán)境中的太陽(yáng)輻射.對(duì)于吸收、發(fā)射、散射性介質(zhì)，在位置r處沿方向s的輻射傳遞方程為

（2）

式中:a,n,σs分別為吸收系數(shù)、折射系數(shù)、散射系數(shù)；σ為玻爾茲曼常數(shù)；I為輻射強(qiáng)度；Φ為凝聚相的散射相函數(shù)；Ω′為立體角;r為位置向量；s為方向向量；s′為散射方向散度.

1.3.3 湍流方程

模擬中湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，考慮浮力的影響，溫室內(nèi)流場(chǎng)通過質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程表征，選擇雷諾時(shí)均N-S方程進(jìn)行求解.湍流模型方程為

E′=Gk+Gb-ρε-YM+Sk,

（3）

（4）

（5）

式中：Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM為湍流膨脹過程中的耗散率；σk,σε分別為k方程和ε方程中的湍流prandtl數(shù)；Sk,Sε分別為湍流動(dòng)能項(xiàng)和湍流耗散源項(xiàng)；C1,C2,C3為常數(shù)；Prt為湍流能量普朗特?cái)?shù).

式（3），（4）分別為標(biāo)準(zhǔn)模型的湍動(dòng)能和湍流耗散的輸運(yùn)方程，式（5）為方程中考慮的浮力項(xiàng).由于連棟溫室占地面積較大，溫度分布具有更大的不均勻性，選用標(biāo)準(zhǔn)模型，用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理將得到更高的計(jì)算效率和計(jì)算精度[18].

將溫室內(nèi)氣體流動(dòng)視為低速、不可壓縮的湍流流動(dòng)，建立的雷諾時(shí)均N-S方程為

（6）

（7）

式中：Ui,Uj為時(shí)均的速度；p為壓力值;u′i,u′j為速度脈動(dòng)值;Sji為變形率張量.

2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值計(jì)算

2.1 網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型中選取整棟溫室作為計(jì)算域，對(duì)其進(jìn)行以四面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分，平均網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.25～0.50 m，考慮風(fēng)機(jī)與濕簾入口處氣流變化的復(fù)雜性，對(duì)模型進(jìn)出口附近及壁面邊界的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以保證這些區(qū)域在溫度、速度梯度變化劇烈時(shí)仍有較好的計(jì)算精度.為得到網(wǎng)格線性無關(guān)解，反復(fù)嘗試不同密度網(wǎng)格后，根據(jù)特征點(diǎn)的平均溫度誤差結(jié)果，最終確定計(jì)算模型的網(wǎng)格單元為887 590.表1為網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果，表中N為網(wǎng)格數(shù)，e為平均誤差.

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果

2.2 數(shù)值計(jì)算

選擇Fluent 軟件，以上述實(shí)測(cè)結(jié)果作為初始條件進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算.由于計(jì)算中考慮了傳熱模型、湍流模型、輻射模型和組分輸運(yùn)模型，因此采用SIMPLEC半隱式耦合算法，以提高瞬態(tài)計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性.時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.08 s，每計(jì)算6步保存1次，計(jì)算600 s.關(guān)注濕簾-風(fēng)機(jī)通風(fēng)方式下，連棟溫室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的瞬態(tài)變化特征.

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模型驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)溫室監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)區(qū)連棟玻璃溫室內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示.分別在距地面0.6,2.5,4.5 m這3個(gè)水平高度的監(jiān)測(cè)平面上按照?qǐng)D4b的布局每層選取9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器編號(hào)：距地面 0.6,2.5,4.5 m每層傳感器的編號(hào)首位分別為A,B,C，圖4b所標(biāo)數(shù)字作為0.6 m處傳感器的位置編號(hào).在溫室外1.5 m高度處設(shè)置氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距邊墻5 m，周圍無障礙物，進(jìn)行同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)記錄.試驗(yàn)過程中由環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器（SS-EST-2000）對(duì)溫室內(nèi)溫度和風(fēng)速信息進(jìn)行采集.

3.2 模型驗(yàn)證

由于監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度較大，難以通過數(shù)值計(jì)算得到長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的瞬態(tài)結(jié)果，故將6:00的試驗(yàn)結(jié)果作為初始條件開始進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，將8:00以后各時(shí)刻點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行誤差分析.考慮到溫室中監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面的對(duì)稱性，選取A1,B1,C1這3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到的對(duì)比結(jié)果如圖5所示，圖中tk為時(shí)刻，Te為溫度誤差值.

0.6～4.5 m高度顯示的最大溫度誤差依次為1.80,3.20,3.90 ℃，平均溫度誤差依次為1.17,1.90,2.34 ℃.從誤差分析結(jié)果來看，隨著高度增加，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差有增大趨勢(shì)，分析認(rèn)為主要由于模擬過程中，連棟溫室頂部?jī)?nèi)遮陽(yáng)對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用難以準(zhǔn)確模擬，使得溫室頂部的試驗(yàn)值普遍大于計(jì)算值.總體上，產(chǎn)生的誤差較小，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，表明建立的計(jì)算模型是可靠的.

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 濕簾-風(fēng)機(jī)通風(fēng)過程分析

4.1.1 溫度場(chǎng)分析

圖6為溫室中部截面的整體溫度T的變化，在濕簾-風(fēng)機(jī)系統(tǒng)通風(fēng)的初始時(shí)刻，濕簾入口及入口以下區(qū)域降溫效果明顯，但之后的氣溫變化與小型溫室的變化趨勢(shì)差別較大.小型溫室內(nèi)地面附近先降溫，距地面較高區(qū)域后降溫，通風(fēng)過程中的溫度差異主要表現(xiàn)在垂直方向的分布不均，且窗口處常常存在受速度場(chǎng)影響的明顯的帶狀低溫區(qū)域[16].而在連棟溫室的實(shí)際計(jì)算中，溫室內(nèi)的氣溫隨時(shí)間變化表現(xiàn)為梯度推進(jìn)的降溫特征，濕簾側(cè)到風(fēng)機(jī)側(cè)產(chǎn)生明顯的溫度梯層，溫度場(chǎng)的分布受空間跨度影響較大.

將圖6所示的計(jì)算的溫度瞬態(tài)變化數(shù)據(jù)量化分析，取不同時(shí)刻2.5 m高度，分別距濕簾側(cè)6，15，24，33 m的溫度值，得到圖7所示的曲線圖.由圖可知，在濕簾側(cè)開始進(jìn)入較冷空氣后，連棟溫室內(nèi)的大環(huán)境溫度已經(jīng)開始逐漸下降，越靠近濕簾側(cè)降溫越明顯.最終表現(xiàn)出明顯的梯度降溫和小幅度整體降溫共存的溫度變化特征.當(dāng)溫度下降到34.00 ℃時(shí)，靠近風(fēng)機(jī)側(cè)所用時(shí)間約為濕簾側(cè)的4倍.從濕簾側(cè)開始，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度開始快速下降的時(shí)間分別為0.8，2.0，4.0，6.0 s.越靠近濕簾側(cè)，最終穩(wěn)定的溫度值也越小，濕簾附近到風(fēng)機(jī)區(qū)域氣溫穩(wěn)定值依次為31.15，31.86，32.42，32.67 ℃.

4.1.2 速度場(chǎng)分析

圖8為連棟溫室中部縱截面的速度場(chǎng)，圖中v為速度.從圖中可以看出，在重力、浮升力等因素的共同作用下，連棟溫室內(nèi)的速度場(chǎng)存在湍流現(xiàn)象.風(fēng)機(jī)出口速度變化劇烈，隨著通風(fēng)過程的不斷進(jìn)行，逐漸形成了從濕簾入口向下貫通風(fēng)機(jī)口的高速氣流帶.通風(fēng)初期（t為0～12.8 s）風(fēng)機(jī)對(duì)溫室內(nèi)整體氣流場(chǎng)的帶動(dòng)作用明顯，溫室的絕大部分區(qū)域受風(fēng)機(jī)影響均產(chǎn)生了一定的流動(dòng)速度.隨著通風(fēng)過程的進(jìn)行，濕簾側(cè)進(jìn)入的氣流速度較其他區(qū)域高并逐漸發(fā)展，最終成為主導(dǎo)連棟溫室的速度場(chǎng).而溫室內(nèi)最初產(chǎn)生的低速流場(chǎng)，在濕簾側(cè)的高速氣流場(chǎng)發(fā)展過程中受其高速核心（最高速度可達(dá)1.6 m/s）的影響先增強(qiáng)，之后逐漸變?nèi)?，?dāng)濕簾側(cè)到風(fēng)機(jī)側(cè)的氣流場(chǎng)完全穩(wěn)定后基本消失.

4.2 不同風(fēng)機(jī)流量的瞬態(tài)溫度分析

為分析不同風(fēng)機(jī)流量下，濕簾-風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的降溫效果，提取了風(fēng)機(jī)流量44 500 m3/h和89 000 m3/h，2.5 m 高度下，距濕簾入口6，15,24,33 m的4個(gè)位置在風(fēng)機(jī)開啟后0～50.0 s的瞬態(tài)溫度變化情況如圖9所示.

由圖9可知，隨著與濕簾入口距離的增加，降溫所達(dá)到的最終溫度逐漸升高.當(dāng)風(fēng)機(jī)流量增加1倍后，溫室內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定的時(shí)間縮短了一半左右，最終降溫效果表現(xiàn)的差異隨著距離的增加越來越明顯.在距離濕簾入口6，15 m處，不同風(fēng)機(jī)流量下產(chǎn)生的最終降溫溫差為0.14 ℃，而距濕簾24，33 m處，溫差達(dá)到了0.46 ℃和0.81 ℃.因此，風(fēng)機(jī)流量主要影響降溫時(shí)間，對(duì)溫室內(nèi)產(chǎn)生的最終降溫效果差異較小.在溫室內(nèi)降溫速度需求并不迫切時(shí)，可適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)流量以減少能耗.

5 結(jié) 論

建立了華南地區(qū)連棟玻璃溫室濕簾-風(fēng)機(jī)通風(fēng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算模型，并通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)而得到了連棟溫室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的變化情況，分析得出如下結(jié)論：

1） 大型連棟溫室采用濕簾-風(fēng)機(jī)通風(fēng)時(shí)，其降溫過程的瞬態(tài)溫度場(chǎng)呈梯層分布，從濕簾側(cè)向風(fēng)機(jī)側(cè)分層推進(jìn)，同時(shí)溫室內(nèi)整體環(huán)境溫度以微小幅度持續(xù)降溫，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

2） 溫室內(nèi)風(fēng)機(jī)口速度變化劇烈，初始時(shí)刻的速度場(chǎng)以占據(jù)整個(gè)溫室的低速流場(chǎng)為主，之后受穿堂現(xiàn)象影響，由濕簾側(cè)貫通風(fēng)機(jī)口的高速氣流場(chǎng)發(fā)展為溫室內(nèi)主要的流場(chǎng)特征，初始的低速流場(chǎng)逐漸消失，最終地面附近的空氣更新率將保持在約0.8 m/s的穩(wěn)定狀態(tài).

3） 在大型連棟溫室運(yùn)行中，濕簾-風(fēng)機(jī)通風(fēng)過程中，速度場(chǎng)中全局性的低速流場(chǎng)和發(fā)展形成的高速貫通流場(chǎng)，直接影響了溫度場(chǎng)整體小幅度降溫和由濕簾側(cè)梯度降溫的瞬態(tài)變化特征.因此，針對(duì)連棟溫室通風(fēng)過程中的速度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化是提高其降溫效果的關(guān)鍵；風(fēng)機(jī)流量的提高主要表現(xiàn)在溫室內(nèi)降溫速度的縮短，對(duì)最終達(dá)到的降溫效果影響較小.越靠近濕簾側(cè)，不同風(fēng)機(jī)流量造成的這種降溫效果的差異越小.

4） 在大型連棟溫室設(shè)計(jì)中，可適當(dāng)抬高濕簾高度，預(yù)計(jì)穩(wěn)定后的氣流場(chǎng)可對(duì)更大區(qū)域產(chǎn)生同樣的降溫效果；若需增大溫室占地面積，在保證濕簾-風(fēng)機(jī)系統(tǒng)仍可形成穩(wěn)定的貫通氣流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加濕簾與風(fēng)機(jī)的距離，同樣可保持現(xiàn)有的通風(fēng)效果.后續(xù)可根據(jù)不同溫室長(zhǎng)寬比對(duì)濕簾-風(fēng)機(jī)運(yùn)行的流場(chǎng)特性進(jìn)一步研究，以得到對(duì)溫室設(shè)計(jì)的更多指導(dǎo).