基于CFD仿真自然通風大棚窗口的設置

柏宗春++夏禮如++呂曉蘭++張美娜++陶建平

摘要：塑料大棚通風換氣對大棚內作物的生長影響較大，特別是對于自然通風大棚，研究其通風窗的開設位置及方式意義重大。建立塑料大棚三維模型，利用計算流體動力學軟件Fluent，對大棚在自然通風條件下的流場進行仿真，得到不同側窗和天窗尺寸及配置條件下大棚的流場分布規律。結果表明，大棚側窗對提高流場的氣流速度作用明顯，但側窗高度超過1m后，氣流速度增加不明顯；天窗對大棚前半段氣流影響較小，天窗位置最好開在后半部分靠近出口的位置；增開門旁通風窗對提升大棚通風能力有明顯效果。

關鍵詞：大棚；通風窗；流場仿真；CFD

中圖分類號： S126；S625.1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0379-04

收稿日期：2015-04-03

項目基金：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（14）5076、CX（12）1004]；國家科技支撐計劃（編號：2013BAD08B03）。

作者簡介：柏宗春（1981—），男，江蘇揚州人，博士，助理研究員，主要從事農業智能裝備研究。Tel：（025）84390493；E-mail：vipmaple@126.com。

通信作者：呂曉蘭，博士，副研究員，主要從事農業智能裝備研究。Tel：（025）84390082；E-mail：lxlanny@126.com。

大棚通風對棚內作物生長影響較大，特別是自然通風溫室大棚，通風窗口的合理設置尤為重要[1]。受棚體工程建設與試驗條件的限制，國內外學者多采用計算機和計算流體力學技術（computational fluid dynamics，CFD）對大棚通風問題進行相關研究[2-5]。傅寧等運用CFD軟件對大棚內部流場分布進行了仿真[6]；王光偉等運用三維不可壓縮湍流模型對不同形式的大棚流場流態進行研究[7]；陸小偉對不同形式大棚流場進行仿真，計算了換氣時間[8]；沈明衛等運用流體仿真軟件，研究了外界風向對大棚內部流場的影響[9]；陳加浪等運用CFD仿真，研究了華東地區單棟大棚在高溫低風速極端環境下的自然通風特性，并進行了驗證[10]。

采用CFD仿真方法，能準確計算分析棚內氣流場分布及外部環境對棚內氣流場的影響，目前，主要集中在對流場分布規律的仿真分析，對通風窗位置、尺寸等棚體結構優化的研究較少。本研究針對蘇南地區某新型8 m鋼架塑料大棚，運用計算流體動力學軟件Fluent，結合棚體的幾何結構和地理環境參數，建立大棚的三維仿真模型，對不同通風窗口尺寸及位置等條件下的大棚流場進行仿真，分析不同條件下大棚內的氣流規律，為棚體結構優化提供參考依據。

1仿真模型

1.1理論基礎

1.1.1控制方程為簡化分析，假設自然通風條件下大棚內空氣流動為定長不可壓縮牛頓流，流體在流動過程中遵守基于雷諾時均的黏性不可壓縮Navier-Srokes方程[11-14]。方程表達式為：

[JZ][SX（]（ρφ）[]t[SX）]+div（ρuφ）=div（Гgradφ）+Sφ。

式中：Φ表示通用傳輸量； ρ表示流體密度；τ表示時間；u表示流體速度矢量；Γ表示廣義擴散系數； Sφ表示廣義源相。

1.1.2湍流模型Fluent提供多種湍流模型可供選擇。本研究結合大棚流場的實際情況，選取標準k-ε湍流模型，該模型在實際應用中具有較好的精度和收斂性。假設近壁處氣流符合標準壁面函數。

1.2幾何模型

以江蘇省農業科學院六合動物科學基地現有的8 m鋼架塑料大棚為基礎對象構建三維模型（圖1），基本參數為：跨度8 m，高度3.4 m，長度50 m，前后門1.8 m×1.8 m，肩高 1.9 m（直肩高1.4 m）。[JP2]大棚所處地理位置為118.5° E、32° N，年平均風速約為2 m/s。為減小因邊界條件設置對仿真計算帶來的不利影響，增大流場計算區域[15]，包括大棚內部和大棚外部2部分，整個計算區域寬30 m、高15 m、長95 m。

[TPBZC1.tif]

2網格劃分及邊界條件

2.1網格劃分

利用Fluent前處理軟件Gambit建立流場區域的三維模型（圖2），并進行網格劃分，整個區域全部采用六面體網格劃分，大棚薄膜附近設置4層邊界層，最終得到總網格數量為 1 462 272個（圖3）。

[TPBZC2.tif]

[FK（W9][TPBZC3.tif]

2.2邊界條件的設置及材料屬性

流場進口采用速度進口（velocity-inlet），風速為2 m/s，方向與大棚屋脊平行；出口采用壓力出口（pressure-outlet），壓力為大氣壓；大棚薄膜、地面以及外圍計算區域的邊界設置為壁面邊界條件（pressure-outlet）；大棚的進口、出口以及通風窗設置為內部邊界（interior）（表1）。研究表明，在外界風速小于0.5 m/s時，熱壓通風才對大棚通風的影響較大[16]，故本仿真不考慮熱輻射對流場的影響；不考慮大棚內作物對大棚流場的影響。

3仿真結果分析

常見大棚通風窗主要有側窗和天窗2種形式（圖4）。天窗及側窗的長度與大棚長度相同，為50 m；門旁窗為本研究提出的新的大棚通風窗結構，位于進出口兩側，對稱分布。為分析通風窗口的設置對大棚流場的影響，本研究主要對側窗高度、天窗寬度、天窗位置以及增開門旁窗等進行仿真。

3.1無側窗和天窗時大棚流場

由圖5可見，只有前后門、外界風速為2 m/s時，大棚內氣流速度明顯低于大棚外界空氣流速；y=1 m截面上，大棚進口兩側形成2個氣流渦旋，渦旋長度約10 m，渦旋之后有2個速度極低的氣流區，空氣在內部旋轉不前，接近靜止，影響換氣效率，這對大棚通風十分不利；大棚進口處氣流速度為 2 m/s，到中后部速度明顯降低，只有約0.2 m/s，氣流速度太低[CM（25]，嚴重影響大棚的換氣速度；y=1、2、3 m的中后部氣流流[CM）]

[FK（W13][TPBZC4.tif]

速比較接近，隨著高度升高，流速降低，流場相對穩定。由圖6可見，大棚流場x=0時，大棚從進口到出口氣流速度下降速度比較明顯，20 m后大棚中氣流速度基本穩定，約為0.2 m/s。

[FK（W13][TPBZC5.tif]

[TPBZC6.tif]

3.2側窗對大棚流場的影響

側窗為大棚普遍設置的通風窗，長度為50 m，高度分別為1.4、1.0、0.5 m，大棚外界風速2 m/s。由圖7可見，隨著側窗高度的增加，大棚內氣流速度不斷增大；側窗高度為0.5 m時，大棚中部和尾部更靠近大棚頂部的氣流速度較低，不利于大棚換氣；側窗高度為1.4 m時，棚內低速區域較小，大棚中部氣流速度基本達到0.7 m/s以上。由圖8可見，3種高度側窗下，y=1 m截面流場分布比較相似，進口兩側渦旋依然存在；側窗高度為0.5 m時，大棚內氣流速度相對較低；側窗高度為1.0、1.4 m時，流場分布十分接近，且氣流速度相對較高。因此，增開側窗能顯著提高大棚流場氣流的平均流速，側窗高度越高，棚內流速越高，但側窗高度大于1.0 m后，流速增大幅度已不明顯；增開側窗不能消除進口兩側產生的渦流。

3.3天窗對大棚流場的影響

由圖9可見，大棚頂部分別設置尺寸為0.5、1.0、1.5 m的天窗時，x=0截面的速度分布規律比較相似，但隨著天窗寬度的增加，氣流速度不斷增大，尤其是大棚后部低速區域減小比較明顯。由圖10可見，流場y=1.0 m時單開天窗，大棚內流場從中間向兩側邊緣氣流逐漸降低，特別在尾端靠近邊緣的區域氣流速度最低，對大棚中后部的流場區域影響較大，而對大棚前端流場影響較小；天窗寬度為0.5 m時，大棚尾部拐角處氣流速度接近于0，隨著天窗寬度的增大，大棚邊緣低速區域逐漸減小。因此，在單開天窗的前提下，大棚兩側邊緣存在低速區，不利于大棚的通風換氣。

3.4同時開側窗和天窗對大棚流場的影響

由于側窗高度高于1.0 m時氣流增速效果已不明顯，隨著天窗寬度增大，大棚內氣流低速區逐漸減小。因此，本研究選取側窗高度為1.0 m、天窗寬度為1.5 m進行仿真，以分析大棚同時開側窗、天窗時的內部流場分布規律。由于天窗對大棚的前半段流場影響小，而對后半部流場影響較大，本研究考慮盡可能減小天窗長度以減小大棚建設成本。

由圖11、圖12可見，尾端天窗與全天窗相比，大棚頭頂部靠近薄膜的氣流速度較低，其他區域基本相同；尾端天窗和全天窗在y=1.0 m截面的速度分布幾乎相同，縮短天窗的長度并沒有給流場帶來大的影響。

3.5門旁窗對大棚流場的影響

由于大棚進口兩側存在回流區域，為減小回流區，考慮在進出口兩側設置門旁窗，以提高回流區換氣效率。由圖13可見，增開1.0 m×1.0 m門旁窗時，由于進氣口和出氣口的面積增大，大棚內氣流速度有所提高，進口兩側回流區已基本消失，但還是存在2個流速較低的區域；門旁窗尺寸增大至1.5 m×1.5 m時，回流區消失，且進口附近的低速區也消失，大棚內氣流速度進一步提高。由圖14可見，流場x=0增開門旁窗時，大棚氣流的分布規律類似，門旁窗尺寸較大時大棚內氣流的平均流速較高。

4結論

本研究運用Fluent軟件，建立塑料大棚的流場仿真模型，對大棚流場進行數值仿真，分析了無通風窗時大棚流場分布的基本規律，討論了不同尺寸側窗和天窗對流場的影響。結果表明，大棚氣流速度隨著側窗高度的增大而增大，但高度超過一定值時，氣流速度對大棚的影響減弱，故從經濟性角度來說，側窗不宜太高；天窗對大棚流場的后部影響較大，對中前部影響較小；門旁通風窗可減小門旁回流區域，增大大棚內氣流速度，可顯著提升大棚通風換氣效率，這為大棚結構設計提供了參考依據。通過仿真，確定1組大棚通風窗設置參數為：兩側側窗為50.0 m×1.0 m；尾部天窗為10.0 m×1.5 m；門旁窗尺寸為1.5 m×1.5 m，兩側對稱分布，距離地面為 0.25 m，距離大棚中心為2 m。

[HS2*2]參考文獻：

[1]程亞斌. 淺析溫室大棚通風的發展[J]. 城市建設理論研究：電子版，2011，1（23）：21-23.

[2]程秀花，毛罕平. 風向對溫室內氣流分布模式影響的CFD分析[J]. 山西農業大學學報：自然科學版，2009，29（6）：520-524.

[3]張起勛，于海業，張忠元，等. 利用CFD模型研究日光溫室內的空氣流動[J]. 農業工程學報，2012，28（16）：166-171，后插7.

[4]姜云超，王三反. 青藏高原生態大棚的建設與數值仿真[J]. 蘭州交通大學學報，2004，23（3）：128-132.

[5]姜緒安，曹陽，秦立舉，等. 蔬菜大棚內氣流流態分析研究[J]. 灌溉排水學報，2004，23（4）：78-80.

[6]傅寧，劉德義. 溫室大棚氣流場的CFD數值模擬[J]. 天津農業科學，2006，12（3）：17-19.

[7]王偉光，秦立舉，曹陽，等. 不同形式大棚內部氣流流態的比較[J]. 揚州大學學報：農業與生命科學版，2005，26（2）：86-88.

[8]陸小偉. 大棚結構型式比較分析[J]. 灌溉排水學報，2005，24（5）：50-55.

[9]沈明衛，郝飛麟. 兩種風向下單棟塑料大棚內自然通風流場模擬[J]. 農業工程學報，2004，20（6）：227-232.

[10]陳加浪，陳大躍，何科奭，等. 單棟塑料大棚在高溫低風速下的自然通風數值研究[J]. 農機化研究，2011，33（8）：19-22.

[11]吳飛青，胥芳，張立彬，等. 基于多孔介質的玻璃溫室加熱環境數值模擬[J]. 農業機械學報，2011，42（2）：180-185.

[12]張起勛. 日光溫室內空氣流動特性研究[D]. 長春：吉林農業大學，2007.

[13]曹陽. 蔬菜大棚內部流場三維紊流數值模擬及大棚斷面優化研究[D]. 揚州：揚州大學，2004.

[14]王向軍，劉志剛，李榮，等. 基于 CFD 數值模擬方法的日光溫室建模研究[J]. 農機化研究，2014，36（6）：184-188.

[15]Reichrath S，Davies T W. Computational fluid dynamics simulations and validation of the pressure distribution on the roof of a commercial multi-span Venlo-type glasshouse[J]. Journal of Wind Engineering&Industrial Aerodynamics，2002，90（3）：139-149.

[16]Mistriotis A，Arcidiacono C，Picuno P，et al. Computational analysis of ventilation in greenhouses at zero-and low-wind speeds[J]. Agricultural&Forest Meteorology，1997，88（97）：121-135.