環流風機布置對溫室內流場影響的CFD模擬

洪亞杰，王新忠，李亮亮，陳 健，盧 青

(1.江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇省農業裝備與智能化高技術研究重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

在我國很多地區，夏季氣候的主要特點是高溫和高濕，隨著太陽輻射的增強溫室內部的溫度會急劇升高，不適宜作物的生長[1-2]。自然通風受外界影響較大，且降溫效果不明顯，難以達到作物生長的要求，需要采用機械通風強制空氣流動，從而保證溫室的正常生產[3]。

國內外學者針對溫室夏季通風降溫開展了廣泛研究。Dayan[4]對比了連棟溫室自然通風、自然通風+遮陽及風機+濕簾降溫方法，給出不同降溫措施的降溫效果。Flores-Velazquez[5]對機械通風工況下溫室內部溫度分布進行模擬，得出機械通風時降溫效果受溫室長度限制，且降溫效果不均勻。黃全豐[6]針對機械通風情況下溫室內的溫度場進行研究，得出從濕簾到風機水平和豎直方向都存在溫度梯度，且溫室中部溫度相對較低。針對夏季溫室內部豎直方向上梯度較大的問題，張樹閣[7]進行了不同濕簾風機安裝高度對降溫效果影響的對比試驗，得出提高濕簾和風機的安裝位置可以降低溫室內植物冠層的溫度的結論。相關文獻表明：在研究手段上，CFD模擬已經被證明是研究溫室內氣流場和溫度場分布的可行手段[8-13]。目前，對于機械通風的研究主要以塑料大棚溫室和普通Venlo型溫室為對象，針對新型結構的大肩高連棟玻璃溫室夏季機械通風時降溫效果及在機械通風時環流風機所起的作用的研究還未見報道。

本文以6m肩高連棟玻璃溫室為研究對象，對其夏季機械通風狀態下室內流場分布進行CFD數值模擬，并進一步探討溫室環流風機布置對夏季機械通風降溫的影響，為夏季溫室的生產調控和結構設計提供理論支持。

1 試驗方案與CFD建模

1.1 試驗溫室

試驗用連棟玻璃溫室肩高6m，東西共3跨，跨度分別為12、16、12m，共寬40m；南北5個開間，每個開間8m，共長40m；溫室面積為1 600m2。溫室屋頂和四周覆蓋5mm鋼化玻璃，溫室四周布置門窗系統。濕簾安裝在北面山墻上，長40m，高1.8m，厚0.1m，濕簾底邊距地面0.8m。濕簾配有外翻窗，外翻窗打開時可為濕簾提供進風通道。風機安裝在濕簾對面山墻，風機直徑1.38m，軸心距地面1.5m，每臺風機為流量4 000m3/h的排風扇。試驗溫室的平面布置如圖1所示。試驗期間，溫室內種有西葫蘆，高度約0.8m，種植區域距離四周墻壁各2m。

1.2 試驗方法

試驗安排在2017年8-9月進行。溫室外部溫度、濕度、風速風向、太陽總輻射及光照度等數據，由放置在距溫室南墻50m處的空曠地面上的TYD-ZS2型環境數據記錄儀自動采集。溫室內溫濕度由ZDR-3W1S溫濕度自動記錄儀記錄，具體安裝位置如圖2所示。

圖1 試驗溫室平面布置示意圖

圖2 溫室內溫濕度記錄儀布置

每個記錄儀包括3個溫度傳感器和1個濕度傳感器，為測量溫室內部植物冠層溫度情況和溫室內部豎直方向上溫度的變化，根據溫室肩高和作物的高度，將每個記錄儀上的3個溫度傳感器分別布置在離地1、2、4m高度，1個濕度傳感器布置在離地1m高度。溫室四周玻璃、屋頂、濕簾、地面及作物葉片溫度利用Fluke568/566紅外接觸式點溫儀手動測量。

1.3 試驗溫室CFD建模

1.3.1 計算域選擇和網格劃分

在構建機械通風工況下6m肩高溫室的CFD模型時，考慮到該工況下溫室的側窗和頂窗關閉，通過風機向室外排風，室內形成負壓，室外空氣從濕簾入口被吸入溫室，室外空氣流動對室內影響很小，所以計算域并未增加溫室外部尺寸，整個計算域尺寸即試驗溫室尺寸。以溫室西北角為坐標原點，正東方向為X軸正方向，豎直向上為Y軸正方向，正南方向為Z軸正方向，同時以溫室的南北方向為橫向，東西方向為縱向。利用ICEM CFD按1:1的比例繪制溫室模型結構如圖3所示。由于網格的數目和質量對求解過程有重要的影響，因此網格劃分時對作物、濕簾和風機處網格進行加密處理[14]。模型共有3 795 112個單元數、7 642 064個面、669 495個節點，網格無負體積。機械通風時溫室網格如圖4所示。

圖3 溫室CFD模型結構圖

圖4 機械通風時溫室網格

1.3.2 單元區域條件和物質熱物理特性參數設置

溫室內部區域為空氣，需要設定空氣的材料參數。作物區域為36m×36m×0.8m的長方體，設為多孔介質域,材料設為作物。CFD模型中材料屬性相關參數如表1所示。

表1 CFD模型中材料屬性相關參數[15]

1.3.3 邊界條件設置

在模擬機械通風工況時，溫室的進口和出口分別是濕簾和風機。因為濕簾風機通風系統是通過布置在排風口的風機向室外排風，使溫室內部的空氣壓力形成低于室外的負壓，室外空氣從溫室的進風口被吸入室內。因此，在機械通風時根據濕簾風機的工作原理，將入口邊界設為壓力入口(Pressure-inlet)，出口邊界設為排氣風扇(Exhaust-fan)，具體設置如表2所示。溫室四周壁面設置為Wall，設置壁面熱力學邊界條件時根據試驗測量值進行初始設置。模擬時，太陽輻射的加載使用太陽射線追蹤算法(Solar Ray Tracing)，利用太陽計算器(Solar Calculator)設置時間、日期和經緯度，來計算太陽光束方向、輻射量。

表2 機械通風進出口參數設置

2 結果與討論

2.1 模型有效性驗證

以2017年8月30日下午試驗數據為例進行模型驗證。試驗起始室外溫度36.6℃，室內2m高度溫度達到40℃，此時溫室需要開啟機械通風進行降溫。具體工況為：頂窗和側窗關閉，內遮陽收起，外遮陽展開，開啟濕簾風機系統。

為了驗證所建立的6m肩高溫室CFD模型的正確性，利用溫室試驗中實際測得的溫度與模型中相同位置處的溫度進行比較，對比結果如圖5所示。

圖5 機械通風工況溫室CFD模型驗證

由圖5可知：機械通風工況下模擬值和實測值之間數據基本吻合且變化規律一致，測點的最大誤差為2.4℃，最大相對誤差6.70%，平均相對誤差為2.87%。這說明，所建立的CFD模型以及邊界條件的設置是有效的，模型對實際情況的反映程度較好。

2.2 機械通風工況下室內風速場和溫度場分布

圖6為機械通風工況下6m肩高溫室在X=6、20、34m等3個橫向截面上速度云圖。因為在機械通風時側窗、頂窗和門都關閉，室外空氣從濕簾進入溫室，后從風機排出，基本不受外界風速的影響，因此溫室內3個截面上風速變化情況較為類似。室外空氣從濕簾處進入溫室后，存在一個很明顯的氣流通道。溫室下部由于作物的阻礙，風速較低，在溫室上部也存在很大一片低風速區域。

圖6 橫向截面(X=6、20、34m)速度場分布云圖

進一步分析在機械通風時6m肩高溫室內橫向截面上溫度場分布，圖7為X=6、20、34m等3個截面上的溫度場云圖。室外空氣經過濕簾后變成濕冷空氣進入溫室，吸收室內熱量后經風機流出溫室，3個截面中下部溫度與室外相比要低，溫室上部因不在濕簾風機的氣流通道內，溫度仍然很高。另外，在濕簾風機方向上溫度梯度明顯，由北向南溫度逐漸升高。在1m高度(作物冠層高度)上，室內平均溫度為31.6℃，約比室外低5℃。3個截面溫度相近，故在機械通風工況下溫室縱向上溫度差不大；但在溫室橫向上溫度差異明顯，在X=20m橫向截面上Y=1m高度處Z=0.5m和38.5m兩個坐標點的溫度分別為29.7℃和33.3℃，溫度差達到3.6℃。

為進一步了解溫室內豎直方向上溫度的變化，繪制X=6m橫向截面上Z=20m處沿高度方向室內溫度分布曲線，如圖8所示。

圖7 橫向截面(X=6、20、34m)溫度場分布云圖

圖8 X=6m橫向截面上(Z=20m)沿高度方向溫度分布曲線Fig.8 Temperature along the Height DirectionZ=20m) on Transverse Section(X=6m)

由圖8可以看出：在溫室高度方向上可分為上下兩個部分；在溫室中下部分溫度變化幅度很小，在0～4.3m高度上溫度由32.3℃先下降到31.6℃后緩慢上升至32.3℃，溫度差在1℃以內；上面部分溫度梯度十分明顯，4.3～5.5m高度溫度升高8℃。

2.3 環流風機對溫室內流場的影響

為降低機械通風時溫室內溫度梯度，提高溫室環境的均勻性通常在溫室內布置環流風機，可以利用CFD模型對有無環流風機及環流風機不同布置方向進行模擬分析。具體模擬工況如下：工況1為僅濕簾風機通風；工況2為濕簾風機加環流風機，其中X=20m橫截面上兩臺環流風機風向與濕簾風機風向相同，兩側的四臺環流風機風向相反；工況3為濕簾風機加環流風機，6臺環流風機的風向都與濕簾風機方向相同。環流風機高度為試驗時6m肩高溫室內環流風機實際安裝高度(5m)。

圖9為3種工況下溫室在X=6、20、34m橫向截面上溫度分布云圖。由圖9可以看出：使用環流風機后溫室上層高溫區域的溫度得到降低。3種工況下溫室中下層溫度仍呈現階梯式分布，相比于工況1，工況2和工況3云圖上中下部區域每個溫度梯度變化位置都向南側推移，表明使用環流風機后室內低溫區域進一步擴大(尤其是31～32℃區域)，降溫范圍得到了提高，即環流風機促進了濕冷空氣從濕簾向風機運動，實現了氣流運動方向上的“接力”。

圖9 橫向截面上(X=6、20、34m)溫度云圖對比

圖10為3種工況下在X=6m橫向截面上1m高度處室內南北方向上風速變化曲線。其中，工況2和工況3溫度曲線基本重合，低于工況1下的溫度。在1m高度上，工況1南北平均溫度31.6℃，南北溫度差最大值達到3.2℃，距濕簾前22m溫度低于32℃，占溫室南北長度的55%；工況2和工況3平均溫度31.3℃，南北溫度差最大值達2.7℃，減小了0.5℃，前30m溫度都低于32℃，占溫室南北長度的75%，降溫距離增加了20%；工況2和3在1m高度上降溫效果極為相近。

圖10 在X=6m橫向截面上1m高度處室內南北溫度

Section(X=6m)

圖11為溫室在3種工況下Y=5m水平截面上溫度分布云圖。由圖11可以看出：環流風機對溫室上部的溫度分布有很大影響。未使用濕簾風機時，室內存在很大一片區域的溫度超過40℃，使用環流風機后整個截面上的溫度都得到降低。對比工況2和3的降溫效果，發現工況2中溫室北側低于35℃區域更大，且南側38℃以上高溫區域較少，整體的溫度分布更加均勻。分析可知：在6m肩高溫室內，使用濕簾風機通風降溫時，環流風機如工況2布置降溫效果更好。

圖11 Y=5m水平截面上溫度云圖對比

3 結論

1)利用CFD技術對6m肩高連棟玻璃溫室模擬時，模擬值和實測值之間數據基本吻合且變化規律一致，測點的最大誤差為2.4℃，最大相對誤差6.70%，平均相對誤差為2.87%，所建立的CFD模型以及邊界條件的設置有效。

2)機械通風對溫室環境的作用明顯，室內作物冠層溫度可比室外低5℃。對比發現：溫室縱向上溫度差不大，但在橫向上溫度差異明顯，溫度差最大達3.6℃；溫室高度方向上分為上下兩部分，下面一部分在濕簾風機冷空氣通道內，溫度變化幅度很小，0～4.3m高度溫度差在1℃以內；上面部分溫度梯度十分明顯，4.3～5.5m高度溫度升高8℃。

3)環流風機可使得濕冷空氣在從濕簾向風機運動時實現“接力”，促進室內空氣流動。增加環流風機后濕簾風機的降溫范圍得到提高，溫室南北溫度差減小0.5℃，32℃以下區域增加了20%。同時，室內不同橫向截面上環流風機按相反方向布置時室內冷熱空氣混合更好，溫度分布更加均勻。