基于CFD的頂部可開合塑料溫室外流場仿真分析

胡光艷，曾憲任，余香梅，王海平

（1.九江學院，江西 九江 332005；2.江西省九面旗生態農業科技有限公司，江西 九江 332000）

設施種植是保障“菜籃子”產品供應、促進農民增收和繁榮農村經濟的有效途徑[1]。截至2021年底，全國大中拱棚以上設施面積達413.33 萬hm2，有效保障了農產品的市場供應，增加了農民收入，也符合鄉村振興的時代需要。但傳統塑料大棚條件簡陋，控制不便，采光、通風效果不佳，影響作物品質和產量。近年來，新型智能溫室成為研究熱點。這些智能溫室配套設施相對完善，一系列補光、保溫、遮陽等技術的應用為作物生長創造了良好的環境條件，但也不可避免地增加了建造和維護成本，難以普及推廣。如何有效利用現有條件，在控制成本的同時有效改善溫室條件，是研究人員需要重點考慮和著力解決的問題。對此，引入一種頂部可開合的塑料溫室，可通過溫室頂部鋼絲繩運動來帶動薄膜，實現整個棚頂的適時開啟，進而解決傳統塑料大棚通風不便的問題，達到適時通風、降溫、除濕和改善空氣質量的目的，而且，這種塑料溫室建造及維護成本低，配套機構簡單易控，值得研究與推廣。在實際應用過程中，這種頂部可開合的塑料溫室需要重點關注其抗風性能，以防止大風帶來安全隱患。研究運用CFD 方法，模擬溫室在較大風力作用下的風壓及流場分布，借此改進結構設計，進而增強塑料溫室的可靠性和安全性。

1 頂部可開合塑料溫室的結構特點

頂部可開合塑料溫室主要由溫室主體支撐結構、屋頂可開合系統、立面覆蓋、電氣及控制系統等組成。現以大跨度雙坡溫室為例，其基本尺寸為長度60 m，寬度6 m（可擴展），中間脊高5 m，兩端肩高3.5 m，其主體結構特征見圖1。

圖1 可開合棚頂結構示意圖Figure 1 Structural diagram of retractable roof

這種塑料溫室的工作原理是：多條并列的鋼絲繩與覆蓋其上的薄膜共同組成鋸齒形屋頂，這些鋼絲繩兩端連在支架上，支架可在導軌上移動和偏轉。根據室內實時溫度、濕度等指標，可控制電機適時啟動，帶動支架在導軌上運行，拉動薄膜如折扇狀折疊與展開，進而完成棚頂的開合[2]。

棚頂斜坡采用V 型槽結構設計，可解決排水問題。溫室立面部分用較厚的薄膜加以覆蓋，也可利用原有墻面。屋頂合攏時，應與溫室立面部分保證可靠的貼合。

2 CFD建模與數值分析

2.1 CFD在溫室工程中的應用

計算流體力學（CFD）在溫室領域的應用主要體現在：一是研討風荷載對溫室結構性能的影響，二是研究溫室通風狀況并作環境分析。風壓是建筑設計中需要主要考慮的荷載之一，目前對風壓的研究屬于結構風工程范疇。CFD 方法作為計算風工程的主要手段，其研究多集中在如何選用合適的湍流模型，以達到較好的預測精度[3]。目前，針對房屋建筑的風壓研究較為常見[4-7]，即通過數值模擬的方法來分析屋面的風壓分布規律，從而評價或修正房屋結構設計。顏菲爾和李偉清[8]對尖頂型溫室風壓進行數值模擬與研究，探討了不同風向風荷載對不同跨數的溫室結構直面風壓的作用效應，趙玉磊[9]應用CFD方法對光伏農業科技大棚內的溫度及流場分布進行模擬仿真分析，用以指導環流風機、排氣窗等安裝及棚內建筑物的合理布局。王新忠、張偉建等[10-11]利用建立的CFD模型，對屋頂全開型玻璃溫室進行自然通風流場分析，研究降溫調控措施的有效性。

Fluent 軟件是目前CFD 仿真領域應用廣泛的軟件包之一，其豐富的物理模型能模擬層流、湍流、熱傳遞、熱反應等物理現象。ANSYS集成Fluent后給用戶提供了可與大多數CAD 系統連接的接口，能方便地導入外部幾何模型。ANSYS Fluent 對Design Modeler和Meshing 進行了集成，便于用戶對導入模型進行修復和生成，并完成網格劃分。本研究就是以ANSYS Fluent軟件為主要工具，依托其強大的流體仿真功能來完成溫室外流場的仿真。

2.2 CFD建模與數值模擬

頂部可開合塑料溫室在使用中需要承受多種荷載作用，其中風荷載是主要考慮的荷載之一。通常，風速較高時溫室應處在封閉狀態，故重點研究溫室在封閉狀態下的風壓及流場分布。根據溫室的跨度方向（東西方向）與風向的位置關系，將來風方向分為以下3 種：東風和西風，與跨度方向平行；南風和北風，與跨度方向垂直；東南風、東北風、西南風、西北風，與跨度方向夾角45°。現分別研究3種風向的溫室流場分布情況。

2.2.1 有限元模型與網格劃分首先，利用SolidWorks軟件建立1∶1 單跨雙坡溫室實體模型，寬12 m，縱向長60 m（單坡30 m），肩高3.5 m，脊高5 m。然后，將幾何模型導入ANSYS Fluent 模塊計算域設置與網格劃分。計算域為長方體，按照最大阻塞率（建筑物最大迎風面面積/流域橫截面面積）小于3%的原則，設定長方體尺寸為200 m×350 m×65 m。溫室置于風速流動方向前1/4處，3種來風方向均與計算域入口平面保持垂直，不同的是溫室在計算域內所處的方位。東風、西風、南風、北風均設置對稱面，以減少計算量。最后，進入Fluent自帶的mesh進行網格劃分，按默認設置即可。

2.2.2 模型選擇與邊界條件設定選取Realizable k-ε 湍流模型，增強型壁面函數（Enhanced Wall Treatment），采用速度入口（velocity-inlet）。對于B 類地貌，用指數函數模擬風速分布：

式中，vz為任意高度z處的平均風速；z0為參考高度，取為10 m；v0為參考高度10 m 處的平均風速，取20 m/s（相當于8級風）；α與地面粗糙度有關，取值0.2。

入口處湍流特性由湍動能k和湍流耗散率ε確定，其表達式如下：

式中，l為湍流積分尺度，參照日本規范，取值為為湍流強度，參考日本規范Ⅲ類地貌，取值為

式中，α=0.2，zb=5m，zG=450m以上速度入口邊界條件均用UDF編程實現并作為用戶自定義函數由Fluent 調用和編譯。圖2、圖3 分別為入口速度和湍動能隨高度變化的曲線，與此類似，還可得到湍流耗散率的變化曲線。

圖2 入口速度隨高度的變化Figure 2 Inlet velocity changes with height

圖3 湍動能隨高度的變化Figure 3 Turbulent kinetic energy changes with height

出口邊界條件：采用完全發展出流（outflow）邊界條件；溫室模型表面和流場地面：采用無滑移壁面條件（wall）；流域頂部和兩側：采用自由滑移邊界條件，其中東風、西風工況和南風、北風工況含1 個對稱邊界條件（symmetry）。

2.2.3 初始化與計算收斂壓力—速度耦合采用Coupled 算法，利用Hybrid 方法進行初始化。設置迭代次數200次，殘差小于1×10-3即可認為達到收斂。

3 頂部可開合塑料溫室多工況流場分析

3.1 東（西）風工況流場分析

東（西）風工況下溫室表面及其對稱面的壓力云圖見圖4、圖5，速度矢量圖見圖6，跡線圖見圖7。

圖5 東（西）風壓力云圖（對稱面）Figure 5 East(west)wind pressure cloud map(symmetrical plane)

圖6 東（西）風速度矢量圖（對稱面）Figure 6 East(west)wind velocity vector map(symmetrical plane)

圖7 東（西）風跡線圖Figure 7 East(west)wind track chart

由圖4、圖5和圖6可知：在溫室迎風面有較大的正壓產生，在底部形成低速高壓區，并有一些碰撞回流現象；屋頂前部風壓變化急劇，形成較大梯度；整個屋頂上方形成負壓區，即對屋頂形成“風升”效應；背風面處有負壓產生，后方區域產生明顯的低速渦流區。從圖7 跡線圖可以明顯看出后方（圖中右下方）形成的渦流，屋頂前部V型槽結構起始部分因風場干擾效應也在局部形成渦流特征。

3.2 南（北）風工況流場分析

南（北）風工況下溫室表面及其對稱面的壓力云圖見圖8、圖9，速度矢量圖見圖10，跡線圖見圖11。

迎風面正壓、底部碰撞回流、屋頂“風升”效應、背風面負壓等主要特征與前一種工況類似。同時，由圖8 可以看出，屋頂風壓呈現明顯分層，這與荷載設計規范給出的鋸齒形屋頂風荷載體型系數變化特征極為相符，對照圖9 可以更加清晰地看出分層面的位置。由圖10 和圖11 可以看出，橫向風與屋頂V 型槽壁面之間來回碰撞回流，層層遞進疊加，最終沿著來風方向形成明顯的梯度。與平行風相比，后方形成的渦流區域更大一些。對比兩張對稱面壓力云圖（圖5和圖9），可以看出垂直風向的工況負壓絕對值更大，“風升”效應更加明顯。

圖8 南（北）風壓力云圖（溫室表面）Figure 8 South(North)wind pressure cloud map(greenhouse surface)

圖9 南（北）風壓力云圖（對稱面）Figure 9 South(North)wind pressure cloud map(symmetrical plane)

圖10 南（北）風速度矢量圖（對稱面）Figure 10 South(North)wind velocity vector map(symmetrical plane)

至于最大風速，由于計算域的高度遠大于溫室高度（約12倍），按照UDF編程，計算域高度不變時的最大風速應出現在計算域的頂部且為定值。但從仿真結果看，兩種工況的最大風速稍有差異，可能是在不同工況條件下，由于溫室在計算域中的相對位置不同而導致阻塞率存在差異所造成的，但也不排除計算精度的影響。

3.3 東南風（45°風向）工況流場分析

東南風（45°風向）工況下溫室表面及其對稱面的壓力云圖見圖12、圖13。

圖12 東南風（45°風向角）壓力云圖（溫室表面）Figure 12 Southeast wind(45°angle of direction wind)pressure cloud map(greenhouse surface)

圖13 東南風（45°風向角）壓力云圖（輔助平面）Figure 13 Southeast wind(45°angle of direction wind)pressure cloud map(auxiliary plane)

斜風向來風比較復雜，從圖12 可以看到兩個迎風面的壓力變化情況，即從正壓過渡到負壓分層明顯，屋頂前端極限負壓涉及到兩段邊沿，整個屋頂的負壓分區更為復雜。對此，通常做法是在計算域內設置一些平面進行輔助分析，如圖13所示，該平面經過兩個迎風面交線且平行于風向。通過觀察圖12和圖13 所示壓力云圖，可以看出東南風壓力分布規律與前兩種工況類似，但背風面渦流尤為明顯。速度矢量圖和跡線圖與前兩種工況類似，這里不再贅述。顯然，平面所處位置不同，其流場分布特征不同。另外要說明的是，實際風向往往諸多變化，完全正東正西（或正南正北）的風向極少，因此在溫室的結構設計中要考慮整體結構各方面的的承載性能，確保安全可靠。

綜合比較三種工況的數據可以看出，迎風面上的最大正壓值出現在東（西）風工況（風向與跨度方向平行），最小值出現在南（北）風工況（風向與跨度方向垂直），45°風向的正壓力大小居中。相應地，屋頂前端出現的最大負壓值（絕對值最大），大小關系則剛好相反，南（北）風工況負壓最大，即垂直風向的屋頂“風升”效應最明顯，但是45°風向時，極限負壓分布的區域更大，這也是不利的。具體到實際中，則宜參考區域內常年風向的統計數據，根據該地區最常見的風向和地理特征來進行布局和選址，并優化溫室的相關結構等。

4 結論

頂部可開合的塑料溫室能更好地滿足溫室采光、降溫、換氣、除濕的要求，同時由于頂部可收放的特殊構造，在結構設計中要多加重視整體結構包括各連接部分的穩定性以及確保在各種荷載組合作用下安全可靠。

風荷載是溫室結構設計需要重點考慮的因素，CFD數值方法是溫室風壓研究最重要的方法之一，本文運用ANSYS Fluent 軟件模擬三種風向下溫室的風壓和風速的流場分布情況，得出溫室風載的特征及其變化規律，與規范相符，說明CFD方法在風壓分析方面的有效性，分析結果可以為溫室的結構設計以及建造提供有價值的參考。