栽有作物的圓拱型連棟溫室強制通風氣流場模擬

毛羽西，毛罕平

(江蘇大學 現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室，江蘇 鎮江　212013)

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栽有作物的圓拱型連棟溫室強制通風氣流場模擬

毛羽西，毛罕平

(江蘇大學 現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室，江蘇 鎮江212013)

摘要：為了研究連棟塑料溫室在強制通風情況下內部風速場，采用流體力學分析軟件Fluent軟件建立圓拱型連棟塑料溫室強制通風模型加以分析。溫室內栽種作物以番茄為例，研究了作物高度為0.5、1、1.5、1.8m條件下溫室內部的氣流分布情況。數值模擬結果表明：作物對強制通風情況下溫室內流場有較大影響，作物區域空氣流速變化平緩，作物上部風速迅速增加；由于作物明顯阻礙氣流運動，不同作物高度的溫室內氣流分布存在較大差別。

關鍵詞：連棟塑料溫室；fluent；氣流場模擬

0引言

溫室內部氣流速度適宜可改善溫室內部的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境條件，還可以促進作物的光合、呼吸和蒸騰作用，是溫室環境調控的重要內容。強制通風是夏季常用的調節溫室內部氣流的方式之一，通過風機抽風在溫室內形成負壓，強制溫室外新鮮空氣通過濕簾進入溫室，起到調節作用。因此，研究強制通風下溫室內部風速場有重要意義。溫室內部栽培的作物無疑對溫室內部風速分布產生重要影響，然而目前關于此內容的研究相對缺乏。本文將著重研究栽有不同高度作物的圓拱型溫室強制通風條件下的氣流場。

CFD通過各種離散化的數學方法，對流體力學相關的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，在20世紀90年代左右被用于溫室環境相關研究中[1]。目前，CFD模型的平均誤差在30%左右，而由于溫室幾何結構相對簡單，因此CFD方法用于溫室環境模擬的結果較為理想，一般誤差在13.5%左右[2]。

本文針對常見的圓拱型連棟塑料溫室，利用CFD技術建立溫室三維模型，模擬強制通風情況下溫室內部的氣流分布規律，并研究不同作物高度的影響，為溫室環境控制管理與溫室設計提供理論依據。

1溫室CFD建模

溫室位于北緯39.9°，東經116.3°；屋脊南北走向，跨度為8m，連跨數3，總跨度24m；開間3m，開間數為6，總長18m；溫室肩高3m，頂高4.9m。溫室頂部覆蓋雙層充氣薄膜，南墻為PC板，裝有6臺風機，北墻裝有濕簾，濕簾高1.2m。

在Gambit建模中，以y軸作為豎直方向，x軸指向東方，z軸指向南方，原點位于溫室西北角地面，模型與真實溫室比例為1∶1，采用六面體代替每槽番茄。

2數值模擬

2.1計算域選擇與網格劃分

在模擬溫室強制通風情況，通常采用整個溫室作為計算域[3]，本文也選取整個溫室作為計算域。

溫室主體網格劃分采用非結構化網格，以TGird方式劃分，對濕簾風機處網格進行加密處理；作物采用結構化網格，以Map方式劃分。根據Equip Angle Skew質量控制法，4種作物高度模型的QEAS在0～0.5之間的比例分別為90.83%、90.91%、88.97%、90.91%，網格劃分有效，計算結果可靠。

2.2邊界條件與初始環境

課題組前期研究中，模擬強制通風設定濕簾入口速度邊界條件，風機為outflow，模擬結果較好[4]。本文采用同樣設置。溫室頂、四周與地面設置為wall，屋頂與南墻熱邊界條件為Heat flux，北墻與東西墻為對流換熱。太陽輻射采用DO輻射模型，以Solar Calculator根據經緯度計算。

番茄設置為多孔介質，動量源項與番茄冠層特征及溫室內空氣流速的關系為

其中，K為多孔介質滲透率，對于番茄一般可以取0.395m2計算[5]；Cf代表非線性動量損失因子，可取0.4[6]；LAI為葉面積指數；CD是作物冠層阻力系數，根據風洞測試，成熟的番茄取0.32[7]。

初始環境根據實際試驗數據確定[8]，土壤溫度為24.79℃，溫室外太陽輻射強度837.3W/ m2，溫室濕簾入口處平均風速為1.24m/s，風機口平均風速為3.02m/s。

2.3CFD模型驗證

試驗數據由陳忠購于2003年7月19日測得[8]，共布置39個測點測量溫室內氣流場。模擬結果與溫室實測結果比較：沿z軸方向各面平均風速的平均相對誤差為12.3%，最大相對誤差為18.4；沿x軸方向各面平均風速平均誤差為13.4%，最大相對誤差為19.4%，如圖1和圖2所示。模擬值于實測值變化趨勢均一致，誤差在允許范圍內，表明本研究中所建立的CFD模型可正確反應圓拱型連棟塑料溫室內氣流分布，因此將以此模型分析溫室中氣流分布情況。

3結果與分析

圖3中3個截面的x坐標分別為2、12、19m。其中，x=2m處截面下部有番茄，該截面通過風機中心位置；x=12m處截面處于整個溫室正中，下部有番茄，處于兩臺風機中間，不通過風機；x=19m截面下部無作物，不通過風機。

圖1　沿z軸方向平均風速變化

圖2　沿x軸方向平均風速變化

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1m

(c)　作物高度1.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(d)　作物高度1.8m

圖3中可以看出：濕簾上方出現明顯回旋，而隨著作物高度上升，進入溫室的空氣向上爬升坡度變陡，導致回旋變小。風機出風口處形成“射流”，風速最大。溫室底部作物區內風速很小。溫室中部風速變化較緩和，分布均勻，有利于作物生長。

圖4中3個截面為圖3同截面。由圖4可以看出：風速在垂直方向的變化，風速在作物區較低，高于作物后風速隨高度增加而升高，在靠近溫室頂時風速迅速減小。在溫室屋脊方向，風速從濕簾到溫室內部逐步降低。當溫室內作物高度較低時，這一變化較為緩和；當作物高度較高時，氣流被作物阻擋明顯，氣流較為紊亂。風機口風速呈球形放射狀向外遞減，變化劇烈。

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1.5m

由圖5可看出：作物內部風速很低，低于0.1m/s，而作物邊緣部分風速略高，約為0.1～0.2m/s；受兩側作物影響，溫室中部作物之間的風速也較低。由圖5(b)可以看出：在高度略高于作物處，風速也受到作物影響，作物正上方處風速比周圍減少約0.1m/s。

(a)　高度0.5m處　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　高度2m處

圖6中截面z軸坐標分別為3、9、17m。由圖6(b)中可看出：當作物高度較高時，z=3m截面距離濕簾較近，作物對風速的阻礙作用明顯，沿x軸方向風速變化顯著；z=9m處截面位于溫室中部，作物之間的風速已經較小，低于0.2m/s；截面3靠近風機，由于風機強制通風，風機附近風速迅速增加，只有距離風機較遠的幾槽作物對風速影響明顯。當作物高度較低時，作物對風速的阻礙并不明顯，風速沿x軸方向分布均勻。

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1.8m

圖7為高度為0～3m內風速隨高度變化規律。貼近地面處不在氣流入口正前方，并且存在作物阻礙，風速較低，約為0.23m/s。高度低于作物高度時，風速隨高度增長緩慢上升，在高于作物后風速迅速增加。作物高0.5m時，作物對氣流的阻礙十分有限，風速在濕簾—風機中心高度1.2m處取得最大值。而作物高度為1m時氣流被迫抬升，風速最大值位置高于1.2m。對于作物高度取1.5m和1.8m的情況，大量空氣從拱頂通過，導致風速最大值點高于天溝，接近拱頂的位置。

圖7　風速沿豎直方向變化規律

4結論

1)作物對強制通風情況下溫室內部氣流分布影響明顯，作物區域及附近的風速較低。溫室內部存在濕簾風機兩邊風速高，而內部風速較低的情況。溫室設計時應當考慮到此影響，可采用環流風機等機構確保溫室內風速分布均勻。

2)不同高度作物對溫室內氣流場影響不同，作物高度低時影響較小，溫室內氣流分布與空溫室接近；而作物高度較高時，作物區的風速較低，導致作物區域無法得到良好的通風效果。在夏季采用強制通風降溫時需考慮作物影響，在作物高度較高時增加通風量。

參考文獻：

[1]Franco A, Valera D L, Pena A, et al. Aerodynamic analysis and CFD simulation of several cellulose evaporative cooling pads used in Mediterranean greenhouse[J].Computers and Electronics in Agriculture, 2011,76(2):218-230.

[2]程秀花.溫室環境因子時空分布CFD模型構建及預測分析研究[D].鎮江:江蘇大學,2011.

[3]童莉,張政,陳忠購，等.機械通風條件下連棟溫室速度場和溫度場的CFD數值模擬[J].中國農業大學學報,2003,8(6):33-37.

[4]李本卿.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].鎮江：江蘇大學:2009.

[5]Bartzanas T, Boulard T, Kittas C. Numerical simulation of the airflow and temperature distribution in a tunnel greenhouse equipped with insect-proof screen in the openings[J].Computers and Electronics in Agriculture，2002,34:207-221.

[6]程秀花,毛罕平,伍德林，等.栽有番茄的玻璃溫室內氣流場分布CFD數值模擬[J].江蘇大學學報,2010,31(5):510-514.

[7]Mofina Aiz F D, Valera D L, Alvarez A J. A wind Tunnel Study of Airflow through Horticultural Crops: Determination of the Drag Coefficient[J].Biosystems Engineering,2006,93(4):447-457.

[8]陳忠購.CFD在機械通風的華北型連棟塑料溫室的應用研究[D].北京,中國農業大學,2004.

Abstract ID:1003-188X(2016)05-0028-EA

CFD Simulations of Airflow Distributions Inside Arched Multi-span Greenhouse with Crops

Mao Yuxi, Mao Hanping

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology,Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：In order to analyses the airflow field in greenhouse, using the computational fluid dynamic software fluent to establish mechanical ventilation model of arched multi-span plastic greenhouse.In the condition of four tomato crops height, this study discussed the air distributions.The result shows that the plants play an irreplaceable role in the compulsory aeration.The airflow velocity changes little in the crops areas,but the flow rate in the areas above the tomato crops increase rapidly.Because of the hindrance of plants to the airflow,the different heights of plants make a great contribution to the difference of airflow field.

Key words：plastic covered multi-span greenhouse; fluent; airflow field simulation

文章編號：1003-188X(2016)05-0028-04

中圖分類號：S625.5+3

文獻標識碼：A

作者簡介：毛羽西(1990-),女，江蘇揚州人，碩士研究生，(E-mail) maoyx90@163.com。通訊作者：毛罕平(1961-)，男，浙江寧波人，教授，博士生導師。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B03)；國家自然科學基金重點項目 (61233006)

收稿日期：2015-04-19