計(jì)算流體力學(xué)在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用

周阿連，陳 靜

（煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院 信息工程系，山東 煙臺(tái) 264670）

1 引言

溫室內(nèi)的氣候環(huán)境變化是非常復(fù)雜的，研究者需要做大量的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，人力財(cái)力都消耗很大.計(jì)算流體力學(xué)的基本特征是數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中產(chǎn)生巨大的影響.CFD作為一種模擬仿真工具，最先是在化學(xué)、汽車、航空、石油等領(lǐng)域發(fā)展起來，在1989年，由Okushima等第一次用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）來研究溫室的通風(fēng)情況.現(xiàn)在許多研究者用CFD來模擬溫室內(nèi)的氣候環(huán)境，用以研究外界控制對(duì)室內(nèi)環(huán)境的關(guān)系.

2 CFD軟件簡(jiǎn)介

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué).它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問題.自1981年，英國(guó)CHAM公司推出求解流動(dòng)與傳熱問題的商業(yè)軟件PHOENICS以來，迅速在國(guó)際軟件產(chǎn)業(yè)中形成了通稱為CFD軟件產(chǎn)業(yè)市場(chǎng).在溫室內(nèi)氣候模型方面，起初用商業(yè)CFD包PHOENICS V3.1（CHAMLtd，London，UK）.后來到商業(yè)CFD包 Fluent 5（Fluent Inc.，Lebanon，USA）和 CFX等.這幾個(gè)軟件包提供了相似的工具用來模擬室內(nèi)氣候，都可以和標(biāo)準(zhǔn)個(gè)人計(jì)算機(jī)和多處理器計(jì)算機(jī)上運(yùn)行.CFD軟件依賴復(fù)雜的模擬（如變量個(gè)數(shù)，流體種類）和網(wǎng)格的尺寸，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比優(yōu)點(diǎn)在于，可以減小時(shí)間和成本，對(duì)大范圍的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是不可能做到的.

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

CFD技術(shù)用來做溫室內(nèi)部氣候模型和針對(duì)通風(fēng)影響研究改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)強(qiáng)大的工具.它在工業(yè)的應(yīng)用如航空、運(yùn)輸機(jī)和化學(xué)比較廣泛，在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用研究才剛剛起步.大多研究都是和通風(fēng)相關(guān)的.

3.1 在溫室應(yīng)用方面

隨著科技的發(fā)展及CFD程序的改進(jìn)，用空氣的傳送方程計(jì)算通風(fēng)，使得在溫室氣候方面的標(biāo)量和矢量領(lǐng)域的研究簡(jiǎn)單化.這個(gè)技術(shù)不但可以應(yīng)用到溫室的一般情況的模擬，如自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)，還可以讓我們考慮溫室內(nèi)的特征，如防蟲網(wǎng)和栽培的作物等.

3.1.1通風(fēng)

自然通風(fēng)是系統(tǒng)通常用來控制溫室氣候的，它需要很少的能源和設(shè)備操作以及維護(hù)，它比其他系統(tǒng)在控制溫室空氣溫度方面要便宜的多.在夏季，主要的季節(jié)用來降低溫度和增加濕度；當(dāng)在冬季，通風(fēng)是為了減少過高的濕度.對(duì)溫室控制系統(tǒng)來說，為了作物特殊的氣候條件，一個(gè)有效的通風(fēng)系統(tǒng)是必要的.外部的流動(dòng)在溫室周圍通常是很復(fù)雜的，在溫室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的位置直接影響內(nèi)部氣流循環(huán)，是影響通風(fēng)的最重要因素.自然通風(fēng)的動(dòng)力是依靠風(fēng)速和內(nèi)外溫室的溫度差異.通常，風(fēng)的影響超過浮力[1].

1989年Okushima[6]等第一次用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）來研究溫室的通風(fēng)情況，他用數(shù)字方法和1984年Sase在風(fēng)道獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論[7]進(jìn)行比較.在那時(shí)由于有限的計(jì)算機(jī)資源，盡管他們的結(jié)果表明與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有聯(lián)系，但他們提供了在溫室內(nèi)流動(dòng)形式的重要的新信息.直到1996年Bot等在二跨溫室內(nèi)CFD模擬與用音速風(fēng)速儀獲得的數(shù)據(jù)比較才再一次應(yīng)用.Al－Helal（1998）[8]用CFD模型研究自然通風(fēng)在干旱區(qū)域的溫室，比較模擬結(jié)果由能量和大量平衡模型決定的平衡模型有很好的一致.Boulard等(1999)[9]研究了自然通風(fēng)（熱和產(chǎn)生的風(fēng)）在縮小比例溫室里用二維方法.2001Montero等通過溫差和比例模型的風(fēng)引起的通風(fēng)進(jìn)行了分析[10].童莉等研究了機(jī)械通風(fēng)條件下連棟溫室速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的CFD數(shù)值模擬[11].李永欣等用CFD數(shù)值模擬Venlo型溫室夏季自然通風(fēng)降溫的效果[12].

目前，大多的研究者在自然通風(fēng)方面的研究是基于用煙追蹤技術(shù)估計(jì)全部的空氣交換率[2]和用能量守恒模型模擬均勻空氣溫度[3].在研究通風(fēng)在溫室氣候控制上，建立了許多數(shù)字函數(shù)，不同的環(huán)境變量可以直接與通風(fēng)率聯(lián)系，如風(fēng)速和風(fēng)向，太陽輻射或內(nèi)外溫度.也因?yàn)楹芏嗟淖兞繀?shù)，所以還沒有人研究出一個(gè)通用的溫室通風(fēng)模型[4].

3.1.2 考慮植物等其他因素

然而，有一個(gè)重要的不足在研究由風(fēng)或浮力壓力引起的溫室內(nèi)的氣流方面缺少信息.因此，大多作者表現(xiàn)溫室內(nèi)的氣候條件為統(tǒng)一的溫度和空氣速率在作物區(qū)和植物上方區(qū)域沒有區(qū)別.Haxaire（1999）是第一個(gè)研究在溫室內(nèi)部的氣流中作物的影響，他在風(fēng)道中實(shí)驗(yàn)，研究了作物葉面積指數(shù)和由不同空氣速率產(chǎn)生的壓力下降的關(guān)系.這個(gè)關(guān)系后來應(yīng)用在CFD對(duì)遮蓬在內(nèi)部氣候的影響調(diào)查上.Lee和Short（2000）也研究了一個(gè)CFD模型決定空氣速度和壓力在作物的關(guān)系.Reichrath等（2000）用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD預(yù)測(cè)一個(gè)商業(yè)的60跨內(nèi)種番茄作物的紋絡(luò)型溫室內(nèi)部環(huán)境，獲得很好的一致.

近來，Bartzanas等（2002）研究了隧道溫室通風(fēng)的影響由防蟲網(wǎng)引起的壓力，每個(gè)優(yōu)良的抵抗牧草蟲和抵抗蚜蟲的網(wǎng)安在通風(fēng)口也在商業(yè)溫室內(nèi)由三維模擬.

3.1.3 溫室建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在自然通風(fēng)Almeria型溫室內(nèi)的氣流已用二維的方式分析過和三維模擬.Kacira等1998也評(píng)估多跨鋸齒溫室的通風(fēng)在幾個(gè)環(huán)境條件.郭萬東等用CFD模擬溫室結(jié)構(gòu)風(fēng)壓，對(duì)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出建議.

3.2 在畜禽舍應(yīng)用方面

計(jì)算流體力學(xué)在工程設(shè)計(jì)是一個(gè)高級(jí)的技術(shù)，在其他類型的農(nóng)業(yè)研究逐漸增加，在畜舍環(huán)境方面，研究在家畜身體周圍由于對(duì)流引起的熱浮力流動(dòng).多墻有進(jìn)風(fēng)口的畜舍的通風(fēng)情況，在風(fēng)道里采用30分之一的奶牛場(chǎng)比例模型試驗(yàn)，研究自然通風(fēng)下的空著牛舍，在屋頂開啟角度的不同，內(nèi)部空氣和污染物的情況.用計(jì)算流體力學(xué)模擬有多頭牛在空間內(nèi)的流場(chǎng).預(yù)測(cè)了在夏季實(shí)驗(yàn)的豬舍內(nèi)氨的分布.預(yù)測(cè)機(jī)械通風(fēng)的豬舍內(nèi)微粒的傳送.在對(duì)畜舍結(jié)構(gòu)研究方面，在風(fēng)道里模擬自然通風(fēng)豬舍內(nèi)氣流狀況，獲得畜舍的設(shè)計(jì)參數(shù)，溫室結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)阻力的實(shí)驗(yàn)[13].在自然通風(fēng)下豬舍的比例模型的擋風(fēng)物對(duì)氣流的影響[14].研究了嚙齒動(dòng)物絕緣籠的通風(fēng).通過模擬對(duì)畜舍的大小，形狀等提出改進(jìn)[15].這些研究在對(duì)改善畜舍內(nèi)的環(huán)境，對(duì)畜舍設(shè)計(jì)的改進(jìn)都提供了很好的依據(jù).

4 分析與討論

4.1 CFD模擬方法討論

在對(duì)溫室或畜舍的CFD模擬過程中，有研究等比例模型和小比例模型的，有用二維和三維的方法來進(jìn)行模擬的，選擇比較合適的方法需要針對(duì)不同的問題，也要考慮到計(jì)算機(jī)本身的限制.

大多數(shù)研究通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)是在等比例溫室模型里用追蹤技術(shù).這種方法更貼近真實(shí)的情況，但在等比例溫室要確定準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)的邊界條件是很復(fù)雜的，因?yàn)闅饬骷词乖诤苄〉乃俾氏乱彩俏蓙y的，所以研究?jī)?nèi)部的對(duì)流循環(huán)是非常復(fù)雜的，而且大型的玻璃溫室，不能做成等比例模型放到風(fēng)道與CFD模擬比較.而且大型的玻璃溫室，不能做成等比例模型放到風(fēng)道與CFD模擬比較[5].

4.1.2 半/小比例模型模擬

若有定義好邊界條件的穩(wěn)定狀態(tài)可以在比例模型里的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn).縮小比例的溫室模型可以容易的控制外界條件，最常用的就是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)外界的風(fēng)速變化，分析室內(nèi)的氣流場(chǎng)，但也因?yàn)槭窃谌藶榭刂频沫h(huán)境下，所以與真實(shí)的環(huán)境有一定的差距.

4.1.3 二維模擬

在對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行模擬時(shí)采用二維模擬，可以減少模擬過程的復(fù)雜性和大大減少計(jì)算量.

4.1.4 三維模擬

在二維模型不能滿足精度時(shí)就需要三維模型，但需要一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī).三維模型可以提供更精確的溫室氣候變化的三維信息，但需要更全面的準(zhǔn)確的數(shù)據(jù).

4.2 CFD模擬結(jié)果的驗(yàn)證

CFD的準(zhǔn)確性主要依賴于設(shè)計(jì)者的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，需要更多可信賴的數(shù)據(jù)驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果，可將驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果的方法分為以下幾類：

4.2.1 與傳感器測(cè)試結(jié)果比較

通過在實(shí)際環(huán)境中，用傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)與CFD模擬的結(jié)果比較.對(duì)于簡(jiǎn)單的驗(yàn)證是可行的，但對(duì)于模擬結(jié)果的整體準(zhǔn)確性驗(yàn)證，有明顯的不足.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感器布置較多，實(shí)現(xiàn)的是單點(diǎn)測(cè)試，無法知道全場(chǎng)信息，容易把局部關(guān)鍵點(diǎn)信息丟失，對(duì)于工況較多的情況下的試驗(yàn)量較大；

4.2.2 與風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果比較

風(fēng)洞環(huán)境下，在縮小比例模型內(nèi)，通過傳感器實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，與上述傳感器測(cè)試結(jié)果比較有相同不足，但工作量相對(duì)較少.

4.2.3 與模型比較

模型的計(jì)算只能得到整個(gè)環(huán)境的平均測(cè)量值，不能得到局部各點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù).

4.2.4 與風(fēng)洞內(nèi)PIV測(cè)試結(jié)果比較

粒子圖像速度場(chǎng)儀（PIV），因?yàn)樗苯釉诳諝庵凶粉櫉燁w粒或其他媒體，可以準(zhǔn)確的獲得全部流動(dòng)域的流動(dòng)速度，可用來作為CFD模擬結(jié)果驗(yàn)證，是一個(gè)較好的方法，PIV技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境的應(yīng)用才剛剛起步，此方面的文獻(xiàn)還不多見.

5 結(jié)論

CFD的數(shù)值模擬，節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需的人力、物力和時(shí)間.用CFD模擬一個(gè)虛擬實(shí)際情形可以很通用而且相對(duì)便宜，可以為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到很好的指導(dǎo)作用.但因?yàn)闇y(cè)量的空間密度不足夠密，不能任意點(diǎn)都與模擬比較，不能充分的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)內(nèi)部有代表性的氣候，所以這些模擬的結(jié)果是定性的，目前，雖然已建立的多種參數(shù)的通風(fēng)模型，但由于大量的氣候參數(shù)變量，沒有一個(gè)溫室的通風(fēng)模型為通用的，沒有普遍性.

CFD的前景和它在溫室研究的應(yīng)用，在溫室設(shè)計(jì)、操作、和控制策略方面，對(duì)參數(shù)的研究可能導(dǎo)致革命性的變化，未來可以把CFD模型數(shù)據(jù)嵌入到溫室控制系統(tǒng)中改善對(duì)溫室氣候的風(fēng)速、光和溫度的變化的相應(yīng)；確定通風(fēng)系統(tǒng)的特征，提供對(duì)內(nèi)部氣候條件有效控制.

CFD模擬方法和驗(yàn)證方法，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、計(jì)算機(jī)硬件條件以及驗(yàn)證精確度，確定不同的方法，對(duì)于高精度CFD模擬驗(yàn)證，PIV測(cè)試是一個(gè)比較新穎、準(zhǔn)確性好的方法，值得進(jìn)一步探討.

〔1〕De Jong,T.,Natural ventilation of large multispan greenhouses[Ph.D.Thesis][D]Netherlands:Agricultural University of W ageningen,1990.

〔2〕Kittas,C.,Boulard,T.,Merm ier,M.,W ind induced air exchange rates in a greenhouse tunnel w ith continuous side openings[J].J.Agric.Eng.Res.1996,65:37–49.

〔3〕Fernández,J.E.,Bailey,B.J.,Measurement and prediction of greenhouse ventilation rates[J].Agric.For.Meteorol.1992,58:229–245.

〔4〕Bailey,B.J.,Constraints lim itations and achievements in greenhouse natural ventilation [J].Acta Hortic.1999,534:21–30.

〔5〕S.Reichrath,T.W.Davies Computational Fluid Dynam ics and Glasshouse Research[J].Proceedings of the W orld Congress of Computers in Agriculture and Natural Resources.,Iguacu Falls,Brazil,2002,March 13-15:175-182.

〔6〕Okushima,L.,Sase,S.,Nara,M.,A support system for natural ventilation design of greenhouses based on computational aerodynamics[J].Acta Hortic.1989,284:129-136.

〔7〕Sase,S.,Takakura,T.,Nara,N.,W ind tunnel testing on airflow and temperature distribution of a naturally ventilated greenhouse[J].Acta Hortic.1984,148:329–336.

〔8〕Al-Helal,I.,A computational fluid dynam ics study of natural ventilation in arid region greenhouses[Ph.D.Thesis][D].Ohio,USA:Department of Food,A gricultural and Biological Engineering,The Ohio State University,1998.

〔9〕Boulard,T.,Haxaire,R.,Lam rani,M.A.,Characterization and modelling of the air fluxes induced by natural ventilation in a greenhouse[J].J.Agric.Eng.Res.1999,74:135–144.

〔10〕Montero,J.I.,Antón,A.,Analysis of thermally driven ventilation in tunnel greenhouses using small scale models[J].J.Agric.Eng.Res.2001,79(2):213–222.

〔11〕童莉，張政，陳忠購(gòu)，等.機(jī)械通風(fēng)條件下連棟溫室速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的CFD數(shù)值模擬 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,8(6):33～37.

〔12〕李永欣，王朝元，李保明.荷蘭Venlo型連棟溫室夏季自然通風(fēng)降溫系統(tǒng)的試驗(yàn)研究 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，7(6)：44～48.

〔13〕M istriotis,A.,Briassoulis,D.,Numerical estimation of internal and external aerodynam ic coefficients of a tunnel greenhouse structure w ith openings[J].Comput.Electron.Agric.,2002,34:191–205.

〔14〕A.Ikeguchi,G.Zhang,L.Okushima.W indward w indbreak effects on airflow in and around a scale model of a naturally ventilated pig barn[J].American Society of Agricultural Engineers,2003,46(3):789–795.

〔15〕J.S.Hynek,K.M.Bryden,and T.L.R ichard,Potential applications of virtual engineering to sw ine production systems[J].Proceedings of the Seventh International Symposium,2005:223-226.