某溫室大棚自然通風的CFD 模擬分析

尹奎超

中國建筑設計研究院有限公司

0 引言

近年來，隨著CFD 技術的廣泛應用，它在園林綠化領域也展現出了它獨特的優越性和價值。CFD 可以通過對模型的建模及數值模擬分析，以流體質量，動量和能量三大守恒方程為數值計算的理論依據，結合流體湍流模型對園林綠化中常見的溫室大棚內氣流模式和溫濕度，濃度等因子的空間分布進行模擬和預測，并將結果可視化。對影響溫室大棚種植效果的一些環境因素，如風壓、農作物高度等，可以精準地進行分析。這對園林綠化前期的投入分析和效果預測有很大的幫助作用，因此越來越受到人們的重視。

本文以我國南部地區某溫室大棚為例，結合溫室大棚內農作物的多孔介質模型，建立了該溫室大棚的全尺度自然通風CFD 模型并對該模型進行了模擬分析。通過冬季工況與夏季工況兩種工況對比發現：農作物冠層的阻力以及室內風壓是影響溫室大棚內氣流組織及溫濕度的最主要因素。實測結果也與CFD 模擬結果接近，表明CFD 模擬結果能夠較真實有效地反映實際溫室內溫、濕度情況。

1 項目簡介

該溫室大棚位于東經107.18°，北緯35.45°。溫室大棚的總面積為5300 m2。整個大棚分為三段，第一段為根莖類區，地面半徑為33 m，高20 m。第二段為蔬菜區，地面半徑為20 m，高20.9 m。第三段為當季經濟作物區，地面半徑為25 m，高12.8 m。

溫室大棚頂部開有三個天窗，天窗面積從左至右分別為124.6 m2、62.4 m2、68.4 m2，溫室大棚設計三個自然進風口，門的面積分別為16.5 m2、14.2 m2、18 m2，該溫室大棚的示意圖如圖1：

圖1 溫室大棚布局示意圖

該溫室大棚四周采用雙層ETFE 膜圍護。ETFE膜厚度0.25 mm，空氣間層50 mm。材料的熱學和光學屬性見表1 所示。

表1 溫室大棚材料光學和熱學屬性

2 CFD 建模

2.1 數學模型建立及簡化

本文所研究的溫室大棚氣流場可大致認為是一個紊流的三維穩定流場，用Reynolds 時均方程法進行模擬，自然對流情況下溫室內氣流場的雷諾數Re 遠大于1010，因此室內氣流在本文中認為是湍流流動[1]。湍流流動的模型采用Indoor 零方程模型。

為了簡化分析過程，本文對所研究溫室大棚氣流流場作出以下6 種假設：

①符合Boussinesq 假設，即認為流體密度僅對浮升力產生影響，并且在能量方程中加入浮升力影響。

②溫室內氣流為低速流動，且溫差變化不大，視為不可壓縮牛頓流體。

③流動為穩態湍流。

④溫室內氣密性良好，門沒有發生開關動作導致的氣體流動。

⑤模擬過程中忽略溫室內發熱源如照明、紫外線燈等對氣流的影響。

⑥模擬過程中假設溫室內所有物體均是靜止不動的。

采用多孔介質模型來模擬農作物對空氣流動的拖動效應通過源項加載到動量方程中體現。溫室大棚內農作物在自然通風條件下將截獲的太陽輻射以顯熱和潛熱的形式與周圍空氣進行質熱交換，溫室中農作物冠層與室內空氣存在溫差，農作物—環境之間顯熱交換量主要由農作物冠層的空氣動力學特性計算所得的顯熱能量在能量控制方程中以源項的形式進行自定義。農作物吸收太陽輻射通過蒸騰作用轉化成汽化潛熱，并影響溫室內相對濕度的分布，以自定義源項的形式增加到組分方程中求解。

2.2 網格劃分及邊界建立

為了提高計算精度，同時考慮到高大空間的溫室大棚尺寸較大以及CFD 軟件所配置的計算機實際計算能力，以本文所研究的大棚內實際空間為計算域建立模型。本文利用ICEM CFD 18.0 劃分非結構化四面體網格，并在天窗及入口處進行加密處理，以適應流場梯度變化大的要求，經反復嘗試，最終生成4486075 個網格。

表2 CFD 模擬邊界條件

邊界條件依據實驗數據設置，見表2。第一次測試時風向為西南風，溫室入口位于西南方向。因此本文并未采用多數文獻直接給出入口處風速的做法[3]，而是將入口處風速轉換成風壓，嘗試采用以通風口入口（vent-inlet）設定風壓給定邊界條件的方法來對通風狀況下溫室內環境進行模擬，避免擴大計算域導致的運算量較大的問題，天窗邊界條件設置為通風口出口（vent-outlet）邊界[2]。

2.3 求解方法

求解過程是利用分離求解器以求解壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）進行迭代計算求解。本模擬計算選擇體積力加權法先進行壓力離散。求解時，求解器設置參數為穩態分析，以一階迎風格式計算，壓力取0.7、動量取0.3、能量殘差收斂標準經分析取10-6，其他變量殘差收斂標準取10-3。最后以ANSYS Fluent 18.0 作為通用CFD 求解器進行了數值仿真。

3 模擬結果及分析驗證

3.1 溫室大棚內溫度水平分布模擬及分析

溫室大棚內夏季工況與冬季工況下的溫度水平分布模擬，本文選取距離地面0.8 m 處的橫向截面即溫室大棚內農作物的平均高度為參考面，所得結果見圖2，圖3：

圖2 溫室大棚內夏季工況下距地面0.8 m 處溫度水平分布

圖3 溫室大棚內冬季工況下距地面0.8m 處溫度水平分布

從圖2、圖3 可知，無論在夏季還是冬季工況下，受溫室大棚內的農作物冠層阻力作用，溫室大棚入口處溫度梯度下降均表現明顯，因為室外環境溫度比溫室大棚內溫度要高，因此，在溫室大棚的入口處溫度較高，進入溫室大棚后由于農作物的阻力作用，對溫室大棚內氣流有明顯影響，溫度急劇下降。離門口越遠，溫度越低，而靠近溫室大棚邊緣時，溫度又會突然升高。

夏季工況下，由于風速較快，且溫度相對較高，因此在三個大棚內，溫度梯度表現都非常明顯。而在冬季工況下，溫度梯度表現相對較弱，在蔬菜區及經濟作物區，甚至除了門口少量范圍，溫室大棚內大部分地區溫度均勻。由此可知，溫室大棚內通風主要受風壓作用影響。由于冬季入口風速較小，室外空氣對溫室氣流的影響主要在進風口處，溫室內大部分區域溫濕度較為均勻，溫度大致在22 ℃左右，相對濕度大致在75%～80%。

3.2 溫室大棚內溫度垂直分布模擬及分析

溫室大棚內夏季工況與冬季工況下的溫度垂直分布模擬，本文選取溫室大棚中心的縱向截面為參考面，所得結果見圖4，圖5：

圖4 溫室大棚內夏季工況下溫度垂直分布

圖5 溫室大棚內冬季工況下溫度垂直分布

由圖4、圖5 可知，溫室大棚內熱壓作用明顯，出現明顯的垂直壓力梯度。由于溫室大棚高度最高達20.9 m，而自然通風進風口位于底部且開口不大，因此中和面位置接近天窗。中部圓頂天窗以下均為負壓，導致中部圓頂天窗出現回流，受回流影響中部圓頂室內空氣溫度較其他區域高，相對濕度較其他區域低。室外空氣溫度高于室內空氣，進風氣流直接受熱浮力作用攀升進而由天窗排出。

對比圖4、圖5 可知，兩種工況下溫室大棚內進風口附近溫度均出現明顯的梯度，溫室最底部即植物冠層內部氣流流速明顯減弱，冠層上方流速較快，表明農作物冠層的阻力作用對室內氣流分布模式有影響。

3.3 實測驗證

為了驗證CFD 模型及模擬結果的準確性，作者現場進行了溫度測試，現場測試分別于2018 年6 月12號14:30 及2018 年11 月13 號9:30 進行。測試時溫室天窗和西南方向的三個門全開。測試時天氣為陰，風向為西南風。測試參數為室內外氣象參數。測試儀器有溫濕度記錄儀、干濕球溫度計、手持式紅外線測溫儀、手持式熱線風速儀等。平面坐標以左側圓頂地面圓心為坐標原點，所有測點離地面約為1 m。測試數據每半個小時采集一次，測試期間氣象參數比較穩定。測點溫濕度由干濕球溫度計采集，同時采集該處測點的土壤溫度以及溫室膜表面溫度，土壤溫度以及溫室膜溫度由手持式紅外測溫儀測量。豎向測點由溫濕度記錄儀采集，溫濕度記錄儀置于防輻射罩內。采樣結束后，所有測試數據均取均值處理。

圖6 為溫室大棚內各測點的溫度實測值和CFD模擬值：

圖6 溫室大棚內各測點溫濕度度實測值和模擬值

由圖6 可知測試時溫度模擬值與實測值偏差在0～2.3 ℃之間，最大誤差10%，平均誤差3.04%。相對濕度模擬值與實測值偏差在0%～10%之間，最大誤差8%，平均誤差為6.58%。距地面1 m 的平面測點1～測點20 的溫度模擬值較實測值大，其原因在于數值模型中忽略了溫室地面蒸發作用和溫室景觀水池水面蒸發作用，豎向測點21～測點29 溫度模擬值較實測小，可能的原因儀器懸掛在高空，無樹木遮擋，受到太陽輻射作用使測量值升高。因溫濕度的耦合作用，相對濕度的情況相反。

由此可知，CFD 模擬結果能夠較真實有效地反映實際溫室內溫、濕度情況。

4 結論

本文以南方某溫室大棚為例，構建了高大空間自然通風CFD 模型，得出結論如下：

1）通過模擬實驗表明了CFD 計算值與各測點平均溫濕度實測值基本吻合，平均溫度的模擬值與實測值誤差在8%以內，平均相對濕度的模擬值與實測值誤差在10%以內。因此，對于此類高大空間溫室大棚室內通風分析，采用多孔介質模型所建立的CFD 模型有效。

2）無論夏季還是冬季工況，溫室大棚內進風口附近溫濕度出現明顯的梯度，而從垂直分布來看，農作物冠層溫度下降較快，表明農作物冠層的阻力作用對室內氣流分布模式有影響。

3）夏季工況下溫室大棚溫度較陰天時略高，相對濕度則略低，太陽輻射強度對植物蒸騰影響明顯。溫室大棚內通風受熱壓作用影響顯著，冬季工況室內通風主要受風壓作用影響。夏季和冬季工況下進風溫度均比室內溫度高，進風氣流直接受熱浮力作用攀升進而由天窗排出。