熱風(fēng)管道加溫下日光溫室根區(qū)溫度場(chǎng)的CFD模擬

高振軍 司長(zhǎng)青 何 芬 張彥萍 朱立保

(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)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125； 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125; 4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，河北 保定 071001)

根區(qū)溫度對(duì)作物根系生長(zhǎng)，水分及礦物營(yíng)養(yǎng)的吸收產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)根區(qū)溫度高于或低于作物生長(zhǎng)和代謝的最適溫度時(shí)，根系生理功能受到抑制或脅迫。日光溫室冬季主要依靠太陽(yáng)能提高室內(nèi)溫度，當(dāng)遇到極端天氣時(shí)，室內(nèi)溫度無(wú)法達(dá)到作物最適宜生長(zhǎng)溫度，為此采用主動(dòng)加溫設(shè)備提升空氣和根區(qū)環(huán)境溫度是必要的。熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)具備升溫快，設(shè)備投資低等優(yōu)點(diǎn)，在冬季日光溫室生產(chǎn)中已有一定應(yīng)用。但由于實(shí)際生產(chǎn)中，難以掌握實(shí)際根區(qū)溫度分布情況，進(jìn)而影響熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)的調(diào)控。為此，研究熱風(fēng)加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)根區(qū)溫度分布的影響具有重要意義。

目前對(duì)于溫室加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的方法主要以試驗(yàn)測(cè)試為主。張卓等采用硅橡膠加熱板對(duì)盆栽作物的基質(zhì)進(jìn)行加熱，分析對(duì)比了不同根區(qū)加熱溫度對(duì)作物生長(zhǎng)的影響。賈宋楠等以地暖管加熱溫室土壤為研究對(duì)象，通過(guò)不同試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比得到了熱管的最佳埋設(shè)深度。孫先鵬等開(kāi)展了太陽(yáng)能蓄熱聯(lián)合空氣源熱泵加熱試驗(yàn)研究，通過(guò)多組試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果得到了最優(yōu)的供熱方式。隨著CFD技術(shù)的迅速發(fā)展，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于溫室的熱濕環(huán)境模擬和自然通風(fēng)模擬，但用于溫室加溫系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方面的研究較少。王謙等構(gòu)建了冬季夜間供暖條件下溫室室內(nèi)熱環(huán)境的CFD模型，并對(duì)室內(nèi)溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。劉文和等采用CFD建立了太陽(yáng)能墻體輔助加溫系統(tǒng)模型，對(duì)加溫系統(tǒng)中的管徑、管間距、流體溫度等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。張勇等構(gòu)建了日光溫室蓄熱后墻的CFD模型，通過(guò)模擬不同工況下蓄熱風(fēng)道的溫度場(chǎng)得到了通風(fēng)蓄熱的高效范圍及有效長(zhǎng)度。

本研究擬構(gòu)建日光溫室熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)的CFD模型，探究進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速和開(kāi)孔數(shù)量對(duì)根區(qū)溫度的影響，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)確定各參數(shù)對(duì)根區(qū)溫度分布均勻性的影響，以期為熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 日光溫室熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)

本研究采用的熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)在已有試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，主要由電熱暖風(fēng)機(jī)、自動(dòng)控制臺(tái)、送風(fēng)主支管等組成，具體布置見(jiàn)圖1。試驗(yàn)日光溫室位于北京密云區(qū)(東經(jīng)116.83°，北緯40.37°)，東西方向長(zhǎng)度50 m，南北方向跨度7.2 m，后墻為490 mm厚磚墻，后墻高度2.3 m，脊高3.3 m。室內(nèi)采用高架基質(zhì)栽培種植黃瓜。該系統(tǒng)由自動(dòng)控制臺(tái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，當(dāng)空氣溫度低于12 ℃時(shí)自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到15 ℃時(shí)延遲關(guān)閉。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，送風(fēng)主管出風(fēng)口溫度為40～50 ℃，送風(fēng)支管出風(fēng)口溫度25～30 ℃。

1.2 物理模型

圖2為單個(gè)基質(zhì)栽培槽熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)物理模型，該系統(tǒng)工作時(shí)，熱風(fēng)從送風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)送風(fēng)孔對(duì)根區(qū)進(jìn)行加熱。送風(fēng)管總長(zhǎng)度6 m，管道直徑0.15 m，沿管徑方向均勻開(kāi)設(shè)30個(gè)直徑為0.04 m的送風(fēng)孔。送風(fēng)管上方0.07 m為U型基質(zhì)栽培槽，槽厚為0.002 m，槽內(nèi)為基質(zhì)。由于基質(zhì)栽培槽厚度較薄，且槽底部開(kāi)設(shè)有透氣孔，為簡(jiǎn)化模型忽略栽培槽結(jié)構(gòu)。根區(qū)即為基質(zhì)所在區(qū)域，尺寸為6 m×0.5 m×0.25 m。

1.進(jìn)風(fēng)口；2送風(fēng)管；3.根區(qū)；4.出風(fēng)口；5.流體域 1.Inlet; 2.Air supply duct; 3.Root zone; 4.Outlet; 5.Fluid domain圖2 單個(gè)基質(zhì)栽培槽熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)物理模型Fig.2 Physical model of hot air duct heating system in single substrate cultivation tank

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集于2021-01-06 T3:30—4:30。根區(qū)溫度采用智能土壤記錄儀TJ1(量程：-40～120 ℃，精度：±0.2 ℃)進(jìn)行測(cè)量，室內(nèi)溫度選用溫濕度記錄儀TR-72U(量程：-40～110 ℃，精度：±0.2 ℃)，采用室外氣象站Vantage Pro2采集室外溫濕度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速風(fēng)向等參數(shù)。根區(qū)溫度測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在距離進(jìn)風(fēng)口0.5、3.0和5.5 m的中心面上，溫度傳感器埋設(shè)在土深0.15 m處。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用溫度不均勻度、最低溫度、最高溫度和平均溫度作為評(píng)價(jià)根區(qū)溫度分布特性的指標(biāo)。其中，溫度不均勻度用來(lái)評(píng)估根區(qū)溫度分布均勻程度，各測(cè)點(diǎn)間溫度離散程度越大，溫度不均勻度越高。溫度不均勻度計(jì)算公式為：

(1)

式中：

σ

為溫度不均勻度；

t

為各測(cè)點(diǎn)溫度，℃，

i

=1,2,…,

n

，

n

為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；為各測(cè)點(diǎn)溫度算術(shù)平均值，℃。

為使根區(qū)溫度評(píng)價(jià)更加客觀，在根區(qū)長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向分別以1 000、125和10 mm為單位均勻取點(diǎn)，共建立625個(gè)取樣點(diǎn)，用于后續(xù)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算。

2 計(jì)算模型與模型驗(yàn)證

2.1 計(jì)算模型

為便于仿真模擬計(jì)算，提出以下合理性假設(shè)：1)空氣為牛頓流體且不可壓縮。2)根區(qū)視為各向同性均質(zhì)多孔介質(zhì)，傳熱方式為穩(wěn)態(tài)傳熱。3)忽略作物根部與根區(qū)之間進(jìn)行熱量交換，根部溫度等同于根區(qū)溫度。4)忽略根區(qū)水力傳導(dǎo)對(duì)模型傳熱的影響。

本研究以送風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口另一端中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，定義

X

方向?yàn)闄M向，

Y

方向?yàn)楦叨确较颍?p>Z

方向?yàn)榭v向。采用模型和SIMPLC算法對(duì)熱風(fēng)加熱根區(qū)過(guò)程中溫度進(jìn)行模擬，計(jì)算域內(nèi)流體傳質(zhì)傳熱均滿足質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒方程。根區(qū)因結(jié)構(gòu)疏松多孔模擬時(shí)可視為多孔介質(zhì)，假定根區(qū)為各向同性均質(zhì)材料，流體和多孔介質(zhì)之間處于熱平衡狀態(tài)。當(dāng)熱風(fēng)加溫根區(qū)時(shí)會(huì)受到來(lái)自基質(zhì)的阻力，滿足方程：

(2)

式中：

μ

為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；

α

為多孔介質(zhì)滲透率，m；

C

為慣性阻力因子，m；

ρ

為流體密度，kg/m;

v

為流體速度，m/s;

v

為流體速度在

X

、

Y

、

Z

方向的分量，m/s。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用ANSYS Meshing對(duì)模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)選用了4種，分別為549 786、820 934、1 014 373和1 238 103，綜合考慮耗費(fèi)時(shí)間和計(jì)算精度，最終采用網(wǎng)格數(shù)為1 014 373，其網(wǎng)格最小正交質(zhì)量為0.5，滿足后續(xù)計(jì)算要求。

采用試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為模型初始及邊界條件。室內(nèi)空氣溫度初始化為12 ℃、基質(zhì)為15 ℃。送風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口采用速度入口，大小為1.5 m/s，送風(fēng)溫度為30 ℃。出風(fēng)口為流體域上表面，設(shè)為壓力出口邊界。送風(fēng)管道壁面設(shè)置為耦合傳熱，對(duì)流系數(shù)1.5 W/(m·K)，溫度為12 ℃。日光溫室流體域四周設(shè)置為對(duì)流傳熱，對(duì)流系數(shù)1.5 W/(m·K)，溫度為-3.5 ℃。根區(qū)孔隙率為0.6，采用Ergun方程計(jì)算得到根區(qū)粘性阻力因子和慣性阻力因子。

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，以實(shí)測(cè)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)作為模型的初始條件，模擬熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)工作1 h后根區(qū)溫度分布情況，并與實(shí)測(cè)根區(qū)溫度對(duì)比。采用均方根誤差(RMSE)評(píng)價(jià)實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果的差異。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，同一位置根區(qū)溫度的實(shí)測(cè)值和模擬值之間的平均相對(duì)誤差為0.89%，均方根誤差為0.02，模型可準(zhǔn)確模擬根區(qū)溫度。

3 結(jié)果與分析

采用非穩(wěn)態(tài)模擬方法，時(shí)間步長(zhǎng)為2 s、迭代步數(shù)300步，模擬熱風(fēng)加熱根區(qū)10 min后溫度分布情況。研究進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速和開(kāi)孔數(shù)量3個(gè)因素對(duì)根區(qū)溫度分布的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)3因素4水平正交試驗(yàn)，得到不同加溫系統(tǒng)參數(shù)組合下最優(yōu)方式。

3.1 單因素分析

3

.

1

.

1

進(jìn)風(fēng)口溫度對(duì)根區(qū)溫度的影響

進(jìn)風(fēng)口溫度分別設(shè)為20、25、30和35 ℃，對(duì)根區(qū)加溫過(guò)程進(jìn)行模擬，不同進(jìn)口溫度根區(qū)下表面和中心面的溫度分布見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)，進(jìn)風(fēng)口溫度對(duì)根區(qū)下表面溫度分布有較大影響。當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度為20 ℃時(shí)根區(qū)下表面高溫區(qū)域較少，溫度分布均勻。進(jìn)風(fēng)口溫度為35 ℃時(shí)根區(qū)下表面出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)域，溫度分布不均并呈現(xiàn)出中心高溫向邊緣低溫過(guò)渡的趨勢(shì)。這是由于熱風(fēng)加溫時(shí)間較短，加之根區(qū)傳熱系數(shù)較小，短時(shí)間內(nèi)根區(qū)下表面區(qū)域高溫難以通過(guò)對(duì)流傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞到根區(qū)內(nèi)部，同理根區(qū)上表面區(qū)域低溫難以傳遞到根區(qū)內(nèi)部。

圖3 不同進(jìn)風(fēng)口溫度(tinlet)根區(qū)溫度分布Fig.3 Root zone temperature distribution under different inlet temperatures (tinlet)

表1示出不同進(jìn)風(fēng)口溫度根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果?？梢?jiàn)，隨著進(jìn)風(fēng)口溫度增大，根區(qū)溫度不均勻度明顯上升，由2.78×10增大到8.24×10，增長(zhǎng)幅度為196.40%。這是由于熱風(fēng)加溫導(dǎo)致根區(qū)下部分區(qū)域溫度高于根區(qū)平均溫度，離散程度增大。根區(qū)最低溫度隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，變化幅度為1.35%。根區(qū)最高溫度、平均溫度和進(jìn)風(fēng)口溫度均存在正比例線性關(guān)系，即隨著進(jìn)風(fēng)口溫度的增大，最高溫度和平均溫度相應(yīng)升高，增長(zhǎng)幅度分別為42.96%和2.78%。這是由于進(jìn)風(fēng)口溫度直接影響根區(qū)下表面溫度分布，下表面與根區(qū)內(nèi)部進(jìn)行熱量交換，間接使得根區(qū)整體平均溫度升高。

表1 不同進(jìn)風(fēng)口溫度根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
Table 1 Calculation results of root zone temperature evaluation index under different inlet temperatures

進(jìn)風(fēng)口溫度/℃Inlet temperature溫度不均勻度Temperature unevenness最低溫度/℃Lowest temperature最高溫度/℃Maximum temperature平均溫度/℃Average temperature202.78×10-213.3516.4614.77254.35×10-213.3718.8214.91306.22×10-213.5321.1415.03358.24×10-213.4123.5315.18

3

.

1

.

2

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速對(duì)根區(qū)溫度的影響

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速分別設(shè)為1.5、3.5、5.5和7.5 m/s，對(duì)根區(qū)加溫過(guò)程進(jìn)行模擬，不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速根區(qū)溫度分布見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，根區(qū)下表面溫度高、溫度梯度大，每個(gè)送風(fēng)孔對(duì)應(yīng)根區(qū)下表面形成高溫區(qū)域，并且隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增大，下表面高溫區(qū)域明顯增加。這是由于在相同開(kāi)孔條件下，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速越大，送風(fēng)孔風(fēng)速就越大，熱空氣與根區(qū)交換更為充分。根區(qū)上表面區(qū)域?yàn)榈蜏?，并隨著風(fēng)速的增加低溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大，主要是由于根區(qū)上表面區(qū)域主要和室內(nèi)冷空氣進(jìn)行交換。此外，根區(qū)內(nèi)部溫度隨風(fēng)速的改變變化較小，說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)熱風(fēng)加溫對(duì)根區(qū)內(nèi)部溫度升溫能力有限。

圖4 不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速(vinlet)根區(qū)溫度分布Fig.4 Root zone temperature distribution under different inlet wind speeds (vinlet)

表2示出不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果?？梢?jiàn)，隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增大，根區(qū)溫度不均勻度明顯上升，由6.22×10增加到1.29×10，增長(zhǎng)幅度為106.75%。這是由于進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增大，使得根區(qū)下表面溫度迅速升高，但根區(qū)內(nèi)部溫度變化不明顯，因此整個(gè)根區(qū)整體溫度不均勻度增大。此外，隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大，根區(qū)最低溫度不斷減小，減少幅度為4.00%；最高溫度不斷增大，增長(zhǎng)幅度為11.92%。對(duì)于不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速下，根區(qū)平均溫度隨進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增大呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，變化幅度為0.60%。

表2 不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
Table 2 Calculation results of root zone temperature evaluation index under different inlet wind speeds

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速/(m/s)Inlet wind speed溫度不均勻度Temperature unevenness最低溫度/℃Lowest temperature最高溫度/℃Maximum temperature平均溫度/℃Average temperature1.56.22×10-213.5321.1415.033.59.46×10-213.2222.5115.055.51.16×10-113.1223.3715.117.51.29×10-113.0123.6615.12

3

.

1

.

3

開(kāi)孔數(shù)量對(duì)根區(qū)溫度的影響

開(kāi)孔數(shù)量分別設(shè)為20、30、40和50，對(duì)根區(qū)加溫過(guò)程進(jìn)行模擬，不同開(kāi)孔數(shù)量根區(qū)溫度分布見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，根區(qū)下表面對(duì)應(yīng)送風(fēng)孔處為高溫區(qū)域，但面積大小存在差異。具體表現(xiàn)為當(dāng)開(kāi)孔數(shù)量為20時(shí)，高溫區(qū)域面積較小并且每個(gè)區(qū)域之間不連續(xù)；當(dāng)開(kāi)孔數(shù)量為50時(shí)，高溫區(qū)域面積較大并且每個(gè)區(qū)域連為一體，這是由于每個(gè)通風(fēng)孔在對(duì)應(yīng)根區(qū)下表面形成高溫區(qū)域面積有限，當(dāng)開(kāi)孔數(shù)量較少時(shí)極易出現(xiàn)高溫區(qū)域不連續(xù)的情況，隨著開(kāi)孔數(shù)量的增加，高溫區(qū)域之間連為一體，表明隨著根區(qū)溫度的升高，整體溫度不均勻度增大。

圖5 不同開(kāi)孔數(shù)量(n2)根區(qū)溫度分布Fig.5 Root zone temperature distribution under different number of openings (n2)

表3示出不同開(kāi)孔數(shù)量根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)，隨著開(kāi)孔數(shù)量增加，根區(qū)溫度不均勻度明顯上升，由5.97×10增加到7.21×10，增長(zhǎng)幅度為20.77%。這是由于開(kāi)孔數(shù)量增加導(dǎo)致熱空氣與根區(qū)熱交換面積增加，使得根區(qū)下表面溫度升高，造成根區(qū)溫度分布不均勻度增加。根區(qū)最高溫度和平均溫度隨著開(kāi)孔數(shù)量的增加，增長(zhǎng)幅度分別為10.43%和0.40%，呈現(xiàn)出不斷升高的變化趨勢(shì)。這是由于相鄰送風(fēng)孔加熱根區(qū)時(shí)形成“疊加效應(yīng)”，產(chǎn)生局部高溫。最低溫度隨開(kāi)孔數(shù)量增加上下波動(dòng)，變化幅度為1.08%。

表3 不同開(kāi)孔數(shù)量根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
Table 3 Calculation results of root zone temperature evaluation index under different numbers of openings

開(kāi)孔數(shù)量Number of openings溫度不均勻度Temperature unevenness最低溫度/℃Lowest temperature最高溫度/℃Maximum temperature平均溫度/℃Average temperature205.97×10-213.6919.4715.00306.22×10-213.5321.1415.03407.15×10-213.7021.3115.08507.21×10-213.5421.5015.06

3.2 正交試驗(yàn)

以根區(qū)溫度分布均勻性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單因素分析的基礎(chǔ)上，以進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速和開(kāi)孔數(shù)量作為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素考慮4個(gè)水平，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表4。對(duì)3因素4水平正交試驗(yàn)選用

L

(4)正交表，利用熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)CFD模型進(jìn)行不同參數(shù)組合下的模擬計(jì)算。由于根區(qū)溫度不均勻度為負(fù)向指標(biāo)，即數(shù)值越小越好，所以對(duì)其采用逆向化處理(NMMS),使其變?yōu)檎蛑笜?biāo)，即表明根區(qū)溫度分布均勻程度大小。模擬結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 熱風(fēng)管道加溫參數(shù)因素水平表
Table 4 Hot air duct heating parameter factor level
Table

水平Level進(jìn)風(fēng)口溫度/℃Inlettemperature進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速/(m/s)Inlet wind speed開(kāi)孔數(shù)量Number ofopenings1201.5202253.5303305.5404357.550

表5 熱風(fēng)管道加溫參數(shù)正交試驗(yàn)表及計(jì)算結(jié)果
Table 5 Orthogonal test
Table and calculation results of heating parameters of hot air duct

試驗(yàn)Test進(jìn)口溫度/℃Inlet temperature進(jìn)口風(fēng)速/(m/s)Inlet wind speed開(kāi)孔數(shù)量Number of openings溫度均勻度Temperature uniformity1201.5201.002251.5300.783301.5400.344351.5500.005203.5300.906253.5200.897303.5500.248353.5400.369205.5400.7310255.5500.3211305.5200.8512355.5300.4613207.5500.5814257.5400.5315307.5300.6316357.5200.80

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，確定熱風(fēng)管道加溫參數(shù)對(duì)根區(qū)溫度均勻性影響的主次因素及最佳組合方式(表6)?？梢?jiàn)，開(kāi)孔數(shù)量的極差值最大為0.601，進(jìn)風(fēng)口速度的極差值最小為0.105，表明在給定試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，開(kāi)孔數(shù)量對(duì)根區(qū)溫度分布均勻性影響最大，進(jìn)風(fēng)口速度對(duì)根區(qū)分布均勻性影響最小。觀察熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)參數(shù)在不同水平時(shí)的變化可以看出，隨著進(jìn)風(fēng)口速度的增大，對(duì)根區(qū)溫度均勻分布影響程度逐漸增加；隨著進(jìn)風(fēng)口溫度以及開(kāi)孔數(shù)量的增大，對(duì)根區(qū)溫度分布均勻影響程度均減小。因此，當(dāng)進(jìn)口溫度為水平1，進(jìn)風(fēng)口速度為水平4和開(kāi)孔數(shù)量為水平1時(shí)，得到最佳參數(shù)組合，即進(jìn)風(fēng)口溫度為20 ℃，進(jìn)風(fēng)口速度7.5 m/s和開(kāi)孔數(shù)量為20時(shí)，此時(shí)根區(qū)溫度分布最均勻。

表6 根區(qū)溫度分布均勻性因素極差分析
Table 6 Analysis of the range of factors for the uniformity of temperature distribution in the root zone

指標(biāo)Index進(jìn)風(fēng)口溫度/℃Inlet temperature進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速/(m/s)Inlet wind speed開(kāi)孔數(shù)量Number of openingsK10.8020.5300.886K20.6320.5980.693K30.5150.5910.489K40.4050.6350.285極差 Range0.3970.1050.601主次順序Primary and secondary order開(kāi)孔數(shù)量>進(jìn)風(fēng)口溫度>進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速最佳水平 Best level141

注：、、和為各個(gè)因素對(duì)應(yīng)各水平結(jié)果的平均值。

Note: , , and are the average values of the results corresponding to each level of each factor.

4 結(jié) 論

本研究建立了日光溫室熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)CFD模型，采用單因素分析法探究不同進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速和開(kāi)孔數(shù)量下根區(qū)溫度分布規(guī)律，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)綜合考慮各因素對(duì)根區(qū)溫度分布均勻性的影響，得到以下結(jié)論：

1)將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，根區(qū)實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度平均相對(duì)誤差為0.89%，均方根誤差為0.02，證明模型可靠，可以準(zhǔn)確描述根區(qū)溫度分布情況。

2)當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度由20 ℃增大到35 ℃，根區(qū)溫度不均勻度和最高溫度增長(zhǎng)幅度分別為196.40%和42.96%；當(dāng)進(jìn)風(fēng)口速度由1.5 m/s增大到7.5 m/s，根區(qū)溫度不均勻度和最高溫度增長(zhǎng)幅度分別為106.75%和11.92%；當(dāng)開(kāi)孔數(shù)量由20增大到50，根區(qū)溫度不均勻度和最高溫度增長(zhǎng)幅度為20.77%和10.43%；根區(qū)平均溫度和最低溫度最大變化幅度均小于5%。表明隨著進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速、開(kāi)孔數(shù)量的增大，根區(qū)溫度不均勻度、最高溫度有較為明顯的增加，平均溫度和最低溫度無(wú)顯著變化。

3)在研究參數(shù)范圍內(nèi)，影響根區(qū)溫度分布均勻性主次順序?yàn)殚_(kāi)孔數(shù)量>進(jìn)風(fēng)口溫度>進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，最優(yōu)參數(shù)組合方式為：進(jìn)風(fēng)口溫度為20 ℃，進(jìn)風(fēng)口速度7.5 m/s，開(kāi)孔數(shù)量20。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，在保證作物實(shí)際所需溫度的條件下，優(yōu)先選用進(jìn)風(fēng)口溫度較低，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速較高以及開(kāi)孔數(shù)量較少的參數(shù)組合，來(lái)保證根區(qū)溫度分布均勻性。