軟籽石榴防寒設(shè)施CFD 模擬優(yōu)化

胡俊超 馬昊 程博

摘 要： 為探索解決露地軟籽石榴種植越冬問(wèn)題的新途徑，設(shè)計(jì)、搭建了一種簡(jiǎn)易式非固定防寒設(shè)施，針對(duì)該防寒設(shè)施冬季日間集熱特性，利用ANSYS Fluent 建立了穩(wěn)態(tài)模擬模型，對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，并使用該模型對(duì)防寒設(shè)施參數(shù)（空氣間層和通風(fēng)孔直徑）進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，華氏度相對(duì)誤差ERE<1‰，防寒設(shè)施內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度模擬值的決定系數(shù)R2 和均方根誤差ERMSE 分別為0.962 5 與1.19 K，表明模型可信度較高。優(yōu)化試驗(yàn)表明，防寒設(shè)施空氣間層厚度最佳3 cm、通風(fēng)孔直徑最佳14 cm。

關(guān)鍵詞：軟籽石榴；防寒設(shè)施；CFD 模擬

中圖分類號(hào)：S628文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）12-0054-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.010

0 引言

軟籽石榴樹作為從國(guó)外引進(jìn)的食用性狀優(yōu)良的果樹種類，豐富國(guó)內(nèi)水果市場(chǎng)品類的同時(shí)，為石榴種植戶帶來(lái)了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)收益。但軟籽石榴果樹普遍抗寒性較差，在–10 °C 溫度下，半日便會(huì)出現(xiàn)凍害[1]。目前，已有大量報(bào)道表明，低溫為突尼斯軟籽石榴引種推廣的主要限制因素[2-4]。國(guó)內(nèi)研究人員從軟籽石榴的防寒設(shè)施越冬、抗寒措施等方面，進(jìn)行了一些探索研究，但研究進(jìn)展較為緩慢，軟籽石榴抗寒越冬栽培技術(shù)尚未成熟。

覆土、覆蓋保溫材料是目前國(guó)內(nèi)主流的果樹防寒措施，據(jù)此，一些研究將防寒措施應(yīng)用于軟籽石榴。覆蓋防寒在防寒設(shè)施軟籽石榴種植中的應(yīng)用研究較少，馮一峰等[5] 對(duì)冷棚內(nèi)不同防寒措施下軟籽石榴的生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了相關(guān)研究，并得出秸稈＋黑膜的防寒設(shè)施內(nèi)防寒措施對(duì)軟籽石榴越冬保溫、防霉作用最佳。在露地軟籽石榴栽培上的應(yīng)用研究多一些，李銀芳等[6-9] 研究了不同覆蓋物下新疆果樹（包括軟籽石榴）的越冬效果及成本，并對(duì)防寒措施下的栽培管理提出了建議。宋娟等[10] 對(duì)不同防寒處理下匍匐栽培突尼斯軟籽石榴微域溫度進(jìn)行了研究，綜合得出鋼筋架+草苫+厚覆土（30 cm）對(duì)突尼斯軟籽石榴微域溫度提升最明顯。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)軟籽石榴防寒越冬問(wèn)題的解決途徑較為局限，保溫覆蓋較為簡(jiǎn)陋，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化種植，并且這些措施對(duì)于露地栽培的軟籽石榴防寒越冬局限性強(qiáng)，如在覆蓋物下的狹小空間內(nèi)，容易造成濕度過(guò)高，果樹枝條易發(fā)生霉變等問(wèn)題。

為拓寬軟籽石榴防寒越冬問(wèn)題的解決思路，本研究以露地傾斜栽培的軟籽石榴為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種非固定的防寒設(shè)施，以軟籽石榴防寒越冬防寒設(shè)施的模擬優(yōu)化為研究方向，在實(shí)物的基礎(chǔ)上，建立三維模型。利用CFD 技術(shù)，進(jìn)行防寒設(shè)施內(nèi)日間穩(wěn)態(tài)溫度分析。將模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)，在達(dá)到可靠性前提下，對(duì)不同尺寸參數(shù)配置下的防寒設(shè)施進(jìn)行模擬、分析，優(yōu)選出最佳的參數(shù)配置，為防寒設(shè)施性能改良提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

1.1.1 防寒設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以露地傾斜平地栽培（東西向種植，植株垂直高100 cm、株距100 cm）的軟籽石榴苗為設(shè)計(jì)對(duì)象。設(shè)計(jì)相鄰3 棵軟籽石榴植株共用一個(gè)防寒設(shè)施。防寒設(shè)施整體呈三棱柱形，東西長(zhǎng)400 cm、高100 cm、底寬約85 cm，防寒設(shè)施剖面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。東西兩側(cè)為三角形彩鋼板，北側(cè)為傾斜角度60°的矩形彩鋼板（采光集熱板），彩鋼板厚度均為10 cm。采光集熱板上設(shè)有4 個(gè)通風(fēng)孔，直徑10 cm，位置如圖2 所示。

采光集熱板仰面噴涂黑色油漆，其上覆蓋0.03 cm厚PVC 薄膜（集熱罩），膜與板間撐起1 cm 厚空氣間層；防寒設(shè)施南側(cè)懸掛厚度0.5 cm 的草苫和0.03 cm的PVC 薄膜，形成封閉圍護(hù)結(jié)構(gòu)。2022 年10 月15 日防寒設(shè)施實(shí)物在石河子大學(xué)試驗(yàn)地完成搭建，如圖3所示。

1.1.2 防寒設(shè)施原理

以防寒設(shè)施及其內(nèi)部所占空氣為研究對(duì)象，日間、夜間能量平衡方程如下。

式中 Qin——室內(nèi)熱量

Qsolar——防寒設(shè)施內(nèi)凈太陽(yáng)輻射量

Qf——各壁面與外界的凈輻射量

Qv——冷風(fēng)滲透量

Qc——各壁面對(duì)流散熱量

Qs——地中傳熱量

考慮到冬季落葉果樹對(duì)光照要求低，防寒設(shè)施以犧牲光照為條件，增加了防寒結(jié)構(gòu)的面積，以降低外界溫度對(duì)防寒設(shè)施內(nèi)部溫度的影響。

1.2.4 邊界條件

（1）輻射模型。防寒設(shè)施模型日間集熱過(guò)程涉及壁面間的輻射熱傳導(dǎo)及透明介質(zhì)的輻射問(wèn)題，需要使用輻射模型。選取Do 模型作為輻射模型，模型允許用來(lái)解決各類輻射問(wèn)題，包括半透明壁面的輻射問(wèn)題和不透明面與面之間的輻射問(wèn)題，普適性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛[14]。日間的太陽(yáng)輻射量采用太陽(yáng)輻射追蹤模型，輸入石河子市的地理位置數(shù)據(jù)、模擬日日期和時(shí)間，晴天氣象因子輸入0.75，陰天氣象因子輸入0.45。

（2）材料物性及邊界參數(shù)設(shè)置。采光集熱板結(jié)構(gòu)仰側(cè)至背側(cè)依次為0.2 cm 鐵板、10 cm 苯板和0.2 cm鐵板，考慮到上層鐵板涂有吸光材料，具有集熱作用，將其依次簡(jiǎn)化為0.2 cm 材料為鐵平面、10 cm 材料為苯板固體域；兩側(cè)三角形擋板直接簡(jiǎn)化為10 cm 材料為苯板平面。集熱罩簡(jiǎn)化為0.03 cm 的PVC 材料平面。南側(cè)柔性材料由外至內(nèi)為0.03 cm 的PVC 膜＋0.5 cm的草苫，簡(jiǎn)化為0.5 cm 草苫材料平面。地面簡(jiǎn)化為10 cm 材料為土壤的平面。模擬所用材料物理參數(shù)如表1 所示。

對(duì)防寒設(shè)施日間太陽(yáng)輻射下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，邊界條件設(shè)置如表2 所示。

1.2.5 初始條件

以模擬日日間防寒設(shè)施內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度值處于較穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的外界環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射量作為模擬的初始條件。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及設(shè)備

防寒設(shè)施仿真實(shí)物建于石河子大學(xué)北苑新區(qū)試驗(yàn)地，地理位置為東經(jīng)85.94°、北緯44.27°。測(cè)溫設(shè)備使用彭云物聯(lián)溫濕度計(jì)，類型編號(hào)S10A-2 300，共4 臺(tái)。該設(shè)備溫度測(cè)量精度±0.3 K，記錄間隔5 min。

1.3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)：防寒設(shè)施東側(cè)的上、下通風(fēng)孔中心點(diǎn)和防寒設(shè)施內(nèi)近中心點(diǎn)。上通風(fēng)孔中心點(diǎn)（T1）對(duì)應(yīng)模型坐標(biāo)（?12.49，78，180），下通風(fēng)孔中心點(diǎn)（T2）對(duì)應(yīng)模型坐標(biāo)（?47.7，17.3，180），近中心點(diǎn)（T3）對(duì)應(yīng)模型坐標(biāo)（0，40，0），坐標(biāo)單位cm，x 正方向?yàn)檎龞|，y 正方向?yàn)檎?，z 正方向?yàn)檎薄４送?，在防寒設(shè)施外高50 cm 處設(shè)置一個(gè)測(cè)溫設(shè)備，監(jiān)測(cè)外環(huán)境溫度。測(cè)試時(shí)間2020 年11 月16—24 日，采用2020 年11 月20 日（晴天）及2020 年11月23 日（陰天） 14： 30—16： 30 防寒設(shè)施內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫度進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬驗(yàn)證。

1.3.3 優(yōu)化試驗(yàn)

集熱墻通風(fēng)口直徑和空氣間層厚度對(duì)其集熱性能有較大的影響[15]。防寒設(shè)施防寒保溫作用直接或者間接來(lái)自于采光集熱板的集熱效應(yīng)，為達(dá)到最佳的保溫防寒效果，需對(duì)防寒設(shè)施中的采光集熱板相關(guān)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)置1、3、5 和7 cm 厚的空氣間層厚度，每種間層厚度下設(shè)置6、10、14 和19 cm 4 種通風(fēng)孔直徑。通過(guò)更改模型參數(shù)，以晴天的輻射條件，對(duì)16 組模型進(jìn)行晴天日間流場(chǎng)模擬，獲得不同參數(shù)下防寒設(shè)施同一時(shí)間段下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，以防寒設(shè)施內(nèi)3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬溫度為依據(jù)，對(duì)不同配置下晴天日間的集熱能力進(jìn)行判斷，得出最佳集熱采光板參數(shù)配置。

2 結(jié)果與分析

2.1 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分析

2.1.1 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

選用相對(duì)誤差（ERE）、均方根誤差（ERMSE）和決定系數(shù)（R2）對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值之間的符合度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?？紤]到攝氏度相對(duì)誤差在0 °C 附近時(shí)，分子過(guò)小并不能合理地反映誤差值，本研究選擇華氏度千分相對(duì)誤差。ERMSE 計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[16]、ERE 計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[17]。

防寒設(shè)施內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值ERE 經(jīng)計(jì)算整理如表3 所示，華氏溫度的絕對(duì)誤差≤1.79 K，千分相對(duì)誤差均<1‰。防寒設(shè)施內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度模擬結(jié)果如圖4 所示， 模擬溫度與測(cè)試溫度的決定系數(shù)R2 和ERMSE 分別為0.962 5 和1.19 K，由圖4 可知，模擬值與實(shí)測(cè)值接近1∶1 線，表明模擬方案的可靠性較高。

2.1.2 穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分析

截取計(jì)算區(qū)域內(nèi)上、下通風(fēng)口中心處的溫度場(chǎng)剖面云圖，可以看出日間穩(wěn)態(tài)時(shí)防寒設(shè)施最高溫度出現(xiàn)在集熱采光板仰面中上部，溫度可達(dá)301.5 K，最低溫度出現(xiàn)在草苫近地面，為271.08 K。采光集熱板固體域溫度仰側(cè)向背側(cè)遞減，中部向四周遞減。不包括空氣間層在內(nèi)的流體域，整體呈現(xiàn)溫度隨高度增加而增加的趨勢(shì)，上通風(fēng)及以上區(qū)域流體溫度較高，并且上下部溫差最大在14 K 左右。模擬誤差可能主要來(lái)源于地中傳熱。

2.2 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣溫度隨空氣間層厚度和通風(fēng)直徑變化的趨勢(shì)如圖5 所示。

2.2.1 空氣間層厚度對(duì)防寒特性的影響

由圖5 可知，空氣間層厚度對(duì)防寒設(shè)施的集熱性能有較大影響，隨著空氣間層厚度增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣溫度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。中心、下通風(fēng)孔處空氣溫度在空氣間層厚度3 cm 時(shí)達(dá)到最大值，此后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。上通風(fēng)孔處空氣溫度變化稍有不同，對(duì)于通風(fēng)孔直徑6 和10 cm 的采光集熱板，上通風(fēng)孔處最高溫度出現(xiàn)在空氣間層厚度5 cm 時(shí)；而對(duì)于通風(fēng)孔直徑14 和18 cm 的集熱采光板，上通風(fēng)孔空氣溫度在空氣間層厚度7 cm 時(shí)，仍然呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，可能與空氣間層厚度試驗(yàn)組設(shè)置不足有關(guān)。考慮到上、下通風(fēng)孔處空氣溫度對(duì)防寒設(shè)施外環(huán)境變化反應(yīng)較為敏感，對(duì)于防寒設(shè)施內(nèi)平均空氣溫度變化代表性較差，防寒設(shè)施集熱性能評(píng)定主要參考中心空氣溫度變化規(guī)律，因此，可以得出空氣間層厚度3 cm 時(shí)，防寒設(shè)施的集熱性能較好，中心空氣溫度最高達(dá)到285.91 K。

2.2.2 通風(fēng)孔直徑尺寸對(duì)防寒特性的影響

由圖5 可知，通風(fēng)口直徑變化對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣溫度的影響差異較大，隨著通風(fēng)孔直徑的增加，上通風(fēng)孔空氣溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下通風(fēng)孔空氣溫度大致呈現(xiàn)平緩上升趨勢(shì)，中心空氣溫度大致呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)。上通風(fēng)孔空氣溫度呈現(xiàn)與下通風(fēng)孔和中心空氣溫度相反規(guī)律，可能與通風(fēng)孔直徑增大利于間層熱空氣與防寒設(shè)施內(nèi)部冷空氣流通有關(guān)。在空氣間層厚度3 和5 cm 時(shí)，中心空氣溫度最大值出現(xiàn)在通風(fēng)孔直徑14 cm 時(shí)，而在空氣間層厚度1 和7 cm 時(shí)，中心空氣溫度在通風(fēng)孔直徑18 cm 時(shí)，仍有增長(zhǎng)趨勢(shì)，未達(dá)到最大值。就中心空氣溫度變化趨勢(shì)來(lái)看，對(duì)于空氣間層厚度3 和5 cm 下，防寒設(shè)施最佳通風(fēng)孔直徑在14 cm 左右，對(duì)于空氣間層厚度1 和7 cm 時(shí)，防寒設(shè)施最佳通風(fēng)直徑在18 cm 及以上。

3 結(jié)束語(yǔ)

將集熱墻原理拓展應(yīng)用至農(nóng)業(yè)防寒設(shè)施中，提出一種簡(jiǎn)易型的非固定軟籽石榴防寒設(shè)施，建立并驗(yàn)證了防寒設(shè)施冬季日間穩(wěn)態(tài)模擬模型，并對(duì)防寒設(shè)施參數(shù)進(jìn)行了模擬優(yōu)化，指導(dǎo)該防寒設(shè)施防寒性能的優(yōu)化改良。

對(duì)于軟籽石榴的非適宜種植地區(qū)，低溫越冬對(duì)已建成和即將建成的露地軟籽石榴生產(chǎn)種植有極大的阻礙，嚴(yán)重影響軟籽石榴花、果數(shù)量和質(zhì)量。非固定軟籽石榴防寒設(shè)施能為露地軟籽石榴越冬提供較好的越冬條件，利于軟籽石榴生產(chǎn)與推廣種植，并能為北方果樹種植防寒越冬提供新的途徑。

模擬試驗(yàn)表明，建立的穩(wěn)態(tài)模型具有較高的可信度，為優(yōu)化模擬試驗(yàn)提供理論依據(jù)。優(yōu)化試驗(yàn)表明，空氣間層厚度3 cm、通風(fēng)孔直徑14 cm 時(shí)，防寒設(shè)施的集熱效果最佳，試驗(yàn)得到的防寒設(shè)施內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)與黑賞罡等[17] 的研究結(jié)果相近。

本研究?jī)H對(duì)防寒設(shè)施進(jìn)行了特定時(shí)段的穩(wěn)態(tài)模擬，不能在瞬態(tài)模擬下獲得防寒設(shè)施內(nèi)日間溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，但由于防寒設(shè)施日間集熱穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)直接影響防寒設(shè)施日間防寒效果、間接影響防寒設(shè)施夜間防寒效果，穩(wěn)態(tài)模擬的使用簡(jiǎn)化了模擬試驗(yàn)步驟，利于之后的優(yōu)化模擬試驗(yàn)快速獲得結(jié)論。此外，未對(duì)防寒設(shè)施夜間防寒性能及其適宜的參數(shù)進(jìn)行研究，保溫性能相關(guān)研究有待完善。

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