溫室內噴霧降溫系統的CFD 模擬

譚勝男， 汪小旵， 保智敏， 劉 釗

(1.南京農業大學工學院，江蘇 南京210031;2.江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，江蘇 南京210031)

在溫室栽培生產中，室內環境的高溫高濕易使 作物發生真菌病害，破壞作物正常生長發育。單獨采用自然通風降溫的措施易受外界氣候影響，難以進行人工控制，降溫效果不理想;采用濕簾-風機降溫系統雖然降溫效果好，但是運行能耗高，而且降溫效果受風機和濕簾間距離的影響。為了解決這一問題，一些溫室在室內外安裝了遮陽網和室內噴霧系統，在自然通風基礎上結合室外遮陽系統和室內噴霧系統降溫，取得了較好的降溫效果。

1989 年Okushima 等［1］首次采用CFD 技術對溫室內氣流流動模式進行預測，開啟了利用CFD 技術用于溫室系統模擬的先河。隨著計算機硬件的發展和計算方法效率的提高，借助該數值模擬技術對溫室內微環境分布模式進行分析已成為各國學者［2-10］研究的熱點。本研究以荷蘭Venlo 型玻璃溫室為研究對象，運用CFD 數值模擬技術，將溫室內氣體視為含水蒸氣的混合氣體，結合離散坐標(DO)輻射模型，在綜合考慮太陽輻射、室內外空氣自然對流及圍護結構熱傳導的情況下，采用組分傳輸模型和離散相模型對溫室內溫、濕度分布模式進行3-D 穩態數值模擬，從而提出在溫室微環境數值研究中采用輻射、對流、熱傳導耦合計算的新方法，并利用現場測試數據驗證模擬結果，為溫室內噴霧降溫系統的推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究對象

以雙脊Venlo 型鋁合金玻璃溫室為研究對象，溫室位于東經118°46'、北緯32°03'，東西向跨度16.00 m，南北向跨度8.00 m，脊高4.20 m，頂高5.20 m，面積128 m2，覆蓋物為4 mm 浮法玻璃，透光率大于88%。配備開窗系統、外遮陽系統、內遮陽系統、噴霧系統和滴灌系統等，南北各6 個天窗聯動。

1.2 試驗方法

試驗于2012 年6 月15 日進行，試驗期間天氣多云。室內噴霧系統在當天9∶ 32進行噴霧1 min。

用南京農業大學工學院自主研發的設備(基于ZigBee 的無線傳感器網絡溫室監控系統)和室外氣象站的數據采集儀采集室內外環境參數，數據采集頻率:5 min 1 次。①用室外氣象站的數據采集儀測定室外環境參數:空氣溫度測量范圍－30.0 ～70.0 ℃，分辨率0.1 ℃，測量精度±0.2 ℃;空氣相對濕度范圍0 ～100%，分辨率0.1，測量精度±3%;風速范圍0 ～32.4 m/s，分辨率0.1，測量精度±1.0 m/s;輻射范圍0 ～2 000 W/m2，分辨率0.1，測量精度1 W/m2;風向范圍16 風向。②用無線傳感器網絡溫室監控系統測定室內溫、濕度:傳感器型號為AM2301，測量范圍0 ～100%、－40.0 ～80.0 ℃，測量精度±3%、±0.5℃。③圍護結構、地表溫度采用手持式AR300 紅外測溫儀測定:數據的測量均采用布點測量法，在溫室內沿長度、跨度及高度方向布置9 個測點，如圖1 所示(溫室內共有5 條噴霧帶，距地2.00 m，每條噴霧帶分布10 個霧化噴頭，噴頭間距1.55 m，其中第1、第3、第5 排的第1 個噴頭距西墻1.00 m，第2、第4 排的第1 個噴頭距西墻1.60 m)。

圖1 溫室內溫、濕度傳感器測點位置Fig.1 Positions of measurement points for temperature and humidity sensors in the greenhouse

2 CFD 模型

2.1 基本控制方程

溫室自然通風過程具有明顯湍流特征，選取標準k－ε 湍流模型對玻璃溫室進行三維穩態數值模擬。壁面對湍流有明顯影響，在近壁處采用壁面函數法。溫室流體基本控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，方程通式為:

式中，φ:通用變量μ，ν，ω，h，T(或E)等;ρ:密度，單位kg/m3;u:速度矢量;Г:擴散通量;Sφ:源項。

2.2 輻射模型

太陽輻射是玻璃溫室白天室內溫濕度場和速度場分布的重要因素。當陽光照射到溫室的玻璃覆蓋層時，一部分被其表面反射或折射，一部分被玻璃吸收升溫，其余的則進入溫室。進入溫室的太陽輻射，一部分被空氣介質吸收，其余的被四周壁表面和地面吸收。同時，溫室還受熱輻射影響，溫室內四周壁、空氣、作物之間也通過輻射進行能量交換。模擬中采用射線跟蹤法加載太陽模型，選取離散坐標(DO)輻射模型對玻璃作半透明處理，進行玻璃溫室數值模擬中熱輻射求解。

2.3 組分模型

濕度是溫室中影響作物生長的重要因素，為探討現代化溫室內濕度場分布，在CFD 數值模擬中選用組分模型。設置空氣和水蒸氣的混合物，通過水蒸氣的質量分數計算空氣相對濕度(RH)，并將該氣體混合物視為不可壓縮理想氣體，在2 種組分間無化學反應發生。首先將水蒸氣質量分數轉換為含濕量，進一步將含濕量轉換為相對濕度。為求解濕空氣的溫度，須求解濕空氣的焓，其關系滿足如下能量守恒方程:

式中，h:焓，單位為J/m3;E:總能，單位為J;p:大氣壓;ρ:空氣密度，單位為kg/m3;mj:對應組分的質量分數;hj:對應組分的焓，單位為J/m3;ui、uj:速度矢量;keff:有效熱傳導系數;(τij)eff:有效粘性應力;Cp，j:定壓比熱容，單位為J(kg·K);Jj:組分擴散量，單位為g/s;T:有效溫度，單位為K;Sh:體積熱源項，單位為W/m3。

2.4 網格劃分

計算域的選取和網格劃分的精細程度會對計算精度產生直接影響。為了與試驗測試結果進行對比，CFD 模擬的溫室結構與進行試驗測試的Venlo 型溫室完全相同。室外區域的選取對CFD 數值模擬具有雙重影響，所取區域越大，與實際空氣流動情況吻合越好;但是計算域的網格數目增大，使數值計算的時間更長。本次CFD 數值計算的室外空間區域為溫室東、南、西、北墻各延伸30.00 m。采用分區域劃分網格方法對計算域網格劃分，共劃分為3 個子區域(室內區、室外區和噴頭區)，采用結構化網格與非結構化網格對不同的區域來進行劃分。對于溫度及流場梯度變化大的近壁區進行適當的網格加密，共生成257 315個節點(Nodes)、2 974 447個面網格(Faces)以及1 479 083個體網格(Hybrid cells)，按計算機硬件條件:Pentium(R)8 CPU 2.4 GHz、內存12 G 來看，可進行數值模擬。

2.5 邊界條件

溫室CFD 數值模擬以室內空氣為研究對象，給定合理的邊界條件:室外氣象條件、進出口邊界條件和溫室圍護結構及地面邊界條件，就可計算出流場的解。將計算域室外空間迎風面設置為速度進口邊界條件(Velocity-inlet)，背風面設置為壓力出口邊界條件(Pressure-outlet)，室外頂面設置為壁面邊界條件(Wall)，其余2 個面設置為周期性邊界條件(Periodic)。玻璃溫室內外的能力通過覆蓋層及四周圍護結構以對流、熱傳導和輻射3 種形式進行熱交換，室內區域溫室圍護結構和地面設置為壁面邊界條件(Wall)，溫室門及天窗設置為內部界面邊界條件(Interior)。主要邊界條件的初始條件和邊界條件如表1 所示。

3 結果

3.1 CFD 模型驗證

噴霧后，溫室內各測點模擬值與實測值的比較結果(圖2)可以看出:溫度模擬值與實測值吻合良好，平均差值為1 ℃，平均相對誤差為4.9%;相對濕度模擬值與實測值的平均差值與平均相對誤差分別為4.2%和5.7%。數值模擬結果能夠較真實有效地反映實際溫室內溫、濕度的空間分布模式。可見，本研究所建立的CFD 數值模型有效，邊界條件設定正確。

表1 初始條件和邊界條件Table 1 Initial and boundary conditions

圖2 測點的實測值與模擬值的比較Fig.2 Comparison of measured and simulated environmental factors at each measurement points

3.2 噴霧前后溫室內溫度分布

從噴霧前溫室內氣相流場的溫度分布(圖3a)中可以看出，溫室垂直方向上存在明顯的溫度梯度分布，溫室頂部到地面，溫度逐漸降低，作物區溫度最低，隨著高度的增加，溫度上升梯度變緩，而在靠近溫室頂部圍護結構區域時，溫度梯度變化又變劇烈，主要是由于頂部覆蓋層直接吸收太陽輻射的原因。

從噴霧后剖面溫度的分布(圖3b)中可以看出，溫室內溫度快速下降，降溫效果明顯，尤其是噴頭下方。同時由于靠近溫室圍護結構區域的等溫面非常狹小，所以其溫差較大;由于受到太陽輻射和空氣對流的的影響，溫室內溫度逐漸回升，但由于溫室內仍存在大量霧滴，霧滴蒸發帶走熱量，使得溫室內溫度不能迅速升高(圖3c)。同時還可以看出由于溫室圍護結構區域的霧滴分布比較稀薄，故其溫度上升的比溫室中間快;隨著時間的推移，溫室內溫度逐漸回升(圖3d)，從圖3b、圖3c、圖3d 中，我們還可以發現，溫室溫度的回升隨著高度的增加而速度加快，溫度的回升速度與高度呈正相關。

4 結論

(1)對荷蘭Venlo 型玻璃溫室在自然通風狀況下的噴霧降溫系統進行CFD 數值模擬，溫室內測點平均溫、濕度的模擬值與實測值的平均相對誤差分別為4.9%和5.7%，模擬結果與試驗結果吻合良好，說明所建立的CFD 模型和邊界條件是正確的，采用離散相模型模擬噴霧是可行的。

(2)噴霧前溫室內氣相流場的溫度在垂直方向上存在著明顯的溫度梯度，作物區溫度最低，隨著高度的增加，溫度上升梯度變緩，但在靠近頂部圍護結構區域時，溫度變化劇烈，這主要是由于頂部直接吸收太陽輻射的原因。

(3)噴霧后，溫室內溫度迅速下降，噴頭下方溫度下降最為明顯。隨著太陽輻射和空氣對流的影響，溫室內溫度逐漸回升，但由于溫室內仍存在大量液滴，使得室內溫度不能迅速升高，溫室內溫度的回升速度與高度呈正相關。

圖3 溫室室內溫度分布的CFD 模擬Fig.3 CFD simulation of temperature distribution in the greenhouse

(4)噴霧降溫系統設備便宜，安裝簡單，降溫效果好，但由于其在降溫的同時增加了空氣濕度，不當的控制策略，常會使噴霧降溫效果大打折扣。因此為了使噴霧系統發揮最優降溫效果，需對其控制策略進行進一步研究。

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