淺析國內外溫室環境數值模擬研究進展

李卓謙++邱施榮

摘要：本文簡要回顧了國內外溫室環境數值模擬研究發展狀況，淺析了前人的研究成果，比較了國內外研究方向的異同。

關鍵詞：溫室；環境數值模擬研究；現狀分析

1.1前言

溫室作為植物生產的一種保護性設施，其主要的功能是實現室內環境的可控性。其中環境調控系統包括自然通風、濕簾風機通風降溫、噴霧降溫和輔助性遮陽網等降溫系統以及熱風或熱水取暖和輔助性內保溫幕等采暖系統。傳統研究溫室環境的方法常采用現場實驗測試，再通過統計分析得出有關環境參數的變化規律。隨著計算機技術水平不斷地提高，計算機模擬仿真技術廣泛應用于各研究領域。1989年，Okushima首次將數值模擬仿真技術應用于溫室室內環境研究。雖然限于當時計算機硬件條件，模擬結果并不理想，但其為溫室環境的研究拓寬了思路。此后，溫室環境數值模擬研究工作如火如荼，國內外研究者針對上述各調控方式溫室環境做了許多模擬研究工作，并取得了矚目的成果

1.2 國內外溫室環境數值模擬研究進展

1.2.1國外研究進展

在國外， 早期的CFD技術的研究內容相對較單一，最初對溫室的研究對象也是以小型溫室和比例溫室為主，對室內的氣流場和溫度場的分布進行二維模擬。

1995年VOLLEBREGT等模擬了荷蘭Venlo型溫室壁面與鄰近熱水管道系統之間的輻射和對流傳熱情況。模擬結果與他人實驗結果吻合較好，對流傳熱系數小于2.5%。實際溫室模擬結果表明，墻體吸收熱源的熱量和從墻體損失的熱量比例分別為20%，30%

1997年MISTRIOTIS等對圓拱型溫室室內流場和溫度場分布進行研究，并比較不同湍流模型得出RNGκ-ε模型吻合度比標準κ-ε模型要好，而CK模型更能再現室內氣流的總體流動特性。

2000年LEE等對圓拱型溫室室外風向、風速、風口大小及室內植物對通風率和流場分布的影響進行深入研究，通過引入多孔介質作物模型、遮陽網多孔介質跳躍模型和輻射模型，考慮了自然對流影響，壁面邊界采用固定溫度邊界條件。

2004年KACIRA等基于CFD驗證模型考慮作物影響，以室內流場分布和通風率為指標，對通風口進行模擬優化設計對2跨連棟人字坡溫室進行研究。

2005年Campen利用CFD對熱帶地區典型溫室類型進行模擬優化，比較分析了四種不同類型溫室的通風效率及室內溫度場。

2006年KHAOUA等在驗證CFD模型基礎上，對4跨連棟頂開窗人字坡溫室不同室外風速和開窗形式室內流場和溫度場分布情況進行模擬研究，并以通風率為指標，比較分析不同開窗方式的通風效果。

2008年KIM等對單棟頂開窗人字坡溫室進行研究，分別模擬分析了噴霧降溫和噴霧降溫+冷卻除濕工況室內空氣相對濕度的分布。

2010年FIDAROS等模擬了穩態和非穩態兩種情況室內熱環境（包括溫度場和光合有效輻射PAR分布） 結果表明非穩態模擬更能反映溫室通風的真實情況。

1.2.2國內研究進展

國內關于溫室CFD數值模擬的研究起步較晚，大部分成果都集中在近10年內。

2004年李永欣等模擬Venlo型溫室研究室外遮陽系統與屋頂噴淋對室內溫度場的影響。Standardκ-ε； 3D 提出了噴淋、遮陽網等邊界條件的處理方法，并采用瞬態模擬；模擬結果的平均誤差為5%。

2005年朱文見；對采用圓翼型加熱方式的連棟圓拱型溫室夜間熱環境進行了二維和三維模擬，并分析了散熱器和保溫幕布置方式與供暖效率的關系。

2006年楊振超研究自然通風情況下日光溫室室內流場分布規律，并模擬分析了通風面積比對溫室性能的影響。同年，傅寧等對單棟人字坡溫室運用Airpak模擬機械通風有作物情況下溫室溫度場和速度場。

2008年陳曉研究了Venlo型溫室濕簾風機安裝高度、距離及內遮陽對溫度場分布的影響。

2009年李本卿對Venlo型溫室模擬了在機械通風下作物對溫度場和速度場的影響。

2010年吳飛青等對Venlo型溫室模擬夜間熱風采暖溫室熱環境，并考慮作物影響；程秀花等對Venlo型溫室自然通風工況，溫室內濕空氣流場模擬，并考慮作物生理活動的影響

2011年何國敏；在自然通風的條件下對Venlo型溫室模擬研究室內溫度場和濕度場。

2012年穆大偉等對圓拱型連棟溫室及溫室群采用1：5三維模型，模擬分析室外風速大小和方向對溫室室內外流場的影響

2013年譚勝男等研究了在自然通風條件下Venlo型溫室噴霧措施對室內溫度場和濕度場的影響，引入濕空氣組分模型，提出了噴頭邊界條件的處理方法。

1.3總結

綜合國內外關于CFD技術應用于溫室環境系統的研究成果，主要包括兩方面：一是利用CFD技術優化指導溫室物理結構的設計。二是在一定模式下如自然通風、機械通風、噴霧降溫等，研究溫室CFD模擬的有效性，并以此為基礎對溫室進行環境預測。

此外，國內外研究方向及重點也存在差異。（1）國內學者對Venlo型溫室的模擬研究較多，模擬其他溫室如鋸齒型、哥特式型溫室的較少；（2）在對不同通風工況研究方面，國外學者對溫室自然通風工況的模擬研究較多，對機械通風工況的模擬研究主要是針對畜禽舍環境，而國內情形卻相反。原因可能與氣候環境條件有關，我國大部分地區夏季都存在極端高溫天氣，自然通風不能滿足降溫要求，溫室采用機械通風降溫不可避免。

參考文獻

1.李永欣， 李保明， 李真， 等. Venlo型溫室夏季自然通風降溫的CFD數值模擬[J]. 中國農業大學學報， 2004（06）：44-48.

2.朱文見. 冬季供暖條件下連棟溫室夜間熱環境的CFD模擬[D]. 中國農業大學， 2005.

3.楊振超. 日光溫室內最佳風速指標與CFD模擬[D]. 西北農林科技大學， 2006.

4.陳曉. 機械通風條件下Venlo型溫室內溫度場與流場的數值模擬研究[D]. 浙江工業大學，2008.

5. 強制通風條件下Venlo型溫室內氣流場和溫度場的CFD數值模擬研究[D]. 江蘇大學， 2009.

6.吳飛青， 張立彬， 胥芳， 等. 機械通風條件下玻璃溫室熱環境數值模擬[J]. 農業機械學報， 2010（01）：153-158.

7.何國敏.現代化溫室溫度場數字化模擬研究[D]. 南京農業大學， 2011.

作者簡介 ： 李卓謙，女（1989——），華南農業大學，碩士在讀，農業建筑規劃與設施環境工程。

邱施榮，男（1988——），華南農業大學，碩士在讀，農業建筑規劃與設施環境工程。endprint