淺析國內(nèi)外溫室環(huán)境數(shù)值模擬研究進展

李卓謙++邱施榮

摘要：本文簡要回顧了國內(nèi)外溫室環(huán)境數(shù)值模擬研究發(fā)展?fàn)顩r，淺析了前人的研究成果，比較了國內(nèi)外研究方向的異同。

關(guān)鍵詞：溫室；環(huán)境數(shù)值模擬研究；現(xiàn)狀分析

1.1前言

溫室作為植物生產(chǎn)的一種保護性設(shè)施，其主要的功能是實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的可控性。其中環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)包括自然通風(fēng)、濕簾風(fēng)機通風(fēng)降溫、噴霧降溫和輔助性遮陽網(wǎng)等降溫系統(tǒng)以及熱風(fēng)或熱水取暖和輔助性內(nèi)保溫幕等采暖系統(tǒng)。傳統(tǒng)研究溫室環(huán)境的方法常采用現(xiàn)場實驗測試，再通過統(tǒng)計分析得出有關(guān)環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律。隨著計算機技術(shù)水平不斷地提高，計算機模擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于各研究領(lǐng)域。1989年，Okushima首次將數(shù)值模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于溫室室內(nèi)環(huán)境研究。雖然限于當(dāng)時計算機硬件條件，模擬結(jié)果并不理想，但其為溫室環(huán)境的研究拓寬了思路。此后，溫室環(huán)境數(shù)值模擬研究工作如火如荼，國內(nèi)外研究者針對上述各調(diào)控方式溫室環(huán)境做了許多模擬研究工作，并取得了矚目的成果

1.2 國內(nèi)外溫室環(huán)境數(shù)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(shù)的研究內(nèi)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(nèi)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(tǒng)之間的輻射和對流傳熱情況。模擬結(jié)果與他人實驗結(jié)果吻合較好，對流傳熱系數(shù)小于2.5%。實際溫室模擬結(jié)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(nèi)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(xiàn)室內(nèi)氣流的總體流動特性。

2000年LEE等對圓拱型溫室室外風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)口大小及室內(nèi)植物對通風(fēng)率和流場分布的影響進行深入研究，通過引入多孔介質(zhì)作物模型、遮陽網(wǎng)多孔介質(zhì)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(nèi)流場分布和通風(fēng)率為指標，對通風(fēng)口進行模擬優(yōu)化設(shè)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(qū)典型溫室類型進行模擬優(yōu)化，比較分析了四種不同類型溫室的通風(fēng)效率及室內(nèi)溫度場。

2006年KHAOUA等在驗證CFD模型基礎(chǔ)上，對4跨連棟頂開窗人字坡溫室不同室外風(fēng)速和開窗形式室內(nèi)流場和溫度場分布情況進行模擬研究，并以通風(fēng)率為指標，比較分析不同開窗方式的通風(fēng)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(nèi)空氣相對濕度的分布。

2010年FIDAROS等模擬了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種情況室內(nèi)熱環(huán)境（包括溫度場和光合有效輻射PAR分布） 結(jié)果表明非穩(wěn)態(tài)模擬更能反映溫室通風(fēng)的真實情況。

1.2.2國內(nèi)研究進展

國內(nèi)關(guān)于溫室CFD數(shù)值模擬的研究起步較晚，大部分成果都集中在近10年內(nèi)。

2004年李永欣等模擬Venlo型溫室研究室外遮陽系統(tǒng)與屋頂噴淋對室內(nèi)溫度場的影響。Standardκ-ε； 3D 提出了噴淋、遮陽網(wǎng)等邊界條件的處理方法，并采用瞬態(tài)模擬；模擬結(jié)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(huán)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(guān)系。

2006年楊振超研究自然通風(fēng)情況下日光溫室室內(nèi)流場分布規(guī)律，并模擬分析了通風(fēng)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(fēng)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(fēng)機安裝高度、距離及內(nèi)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(fēng)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(fēng)采暖溫室熱環(huán)境，并考慮作物影響；程秀花等對Venlo型溫室自然通風(fēng)工況，溫室內(nèi)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(fēng)的條件下對Venlo型溫室模擬研究室內(nèi)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(fēng)速大小和方向?qū)厥沂覂?nèi)外流場的影響

2013年譚勝男等研究了在自然通風(fēng)條件下Venlo型溫室噴霧措施對室內(nèi)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(jié)

綜合國內(nèi)外關(guān)于CFD技術(shù)應(yīng)用于溫室環(huán)境系統(tǒng)的研究成果，主要包括兩方面：一是利用CFD技術(shù)優(yōu)化指導(dǎo)溫室物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計。二是在一定模式下如自然通風(fēng)、機械通風(fēng)、噴霧降溫等，研究溫室CFD模擬的有效性，并以此為基礎(chǔ)對溫室進行環(huán)境預(yù)測。

此外，國內(nèi)外研究方向及重點也存在差異。（1）國內(nèi)學(xué)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(fēng)工況研究方面，國外學(xué)者對溫室自然通風(fēng)工況的模擬研究較多，對機械通風(fēng)工況的模擬研究主要是針對畜禽舍環(huán)境，而國內(nèi)情形卻相反。原因可能與氣候環(huán)境條件有關(guān)，我國大部分地區(qū)夏季都存在極端高溫天氣，自然通風(fēng)不能滿足降溫要求，溫室采用機械通風(fēng)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(fēng)降溫的CFD數(shù)值模擬[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2004（06）：44-48.

2.朱文見. 冬季供暖條件下連棟溫室夜間熱環(huán)境的CFD模擬[D]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2005.

3.楊振超. 日光溫室內(nèi)最佳風(fēng)速指標與CFD模擬[D]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2006.

4.陳曉. 機械通風(fēng)條件下Venlo型溫室內(nèi)溫度場與流場的數(shù)值模擬研究[D]. 浙江工業(yè)大學(xué)，2008.

5. 強制通風(fēng)條件下Venlo型溫室內(nèi)氣流場和溫度場的CFD數(shù)值模擬研究[D]. 江蘇大學(xué)， 2009.

6.吳飛青， 張立彬， 胥芳， 等. 機械通風(fēng)條件下玻璃溫室熱環(huán)境數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2010（01）：153-158.

7.何國敏.現(xiàn)代化溫室溫度場數(shù)字化模擬研究[D]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2011.

作者簡介 ： 李卓謙，女（1989——），華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，碩士在讀，農(nóng)業(yè)建筑規(guī)劃與設(shè)施環(huán)境工程。

邱施榮，男（1988——），華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，碩士在讀，農(nóng)業(yè)建筑規(guī)劃與設(shè)施環(huán)境工程。endprint