側通風窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響

高振軍，司長青，丁小明，李葦，何芬，李文楊，張建波

側通風窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響

高振軍1，司長青1，丁小明2*，李葦3，何芬2，李文楊1，張建波1

（1.三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002；2.農業農村部 農業設施結構設計與智能建造重點實驗室，北京 100125；3.廣東省現代農業裝備研究所，廣州 510630）

【目的】探究側通風窗縱橫比對連棟溫室內流場均勻性的影響，為溫室設計建造提供理論依據。【方法】本研究以廣州地區連棟蝶形開窗溫室為研究對象，采用數值模擬和試驗結合的方法，設計了4種不同開窗縱橫比方案并與試驗溫室（即開窗方案C）進行對比，引入不均勻系數評價流場均勻性，研究不同開窗縱橫比下連棟溫室內流場的分布規律。【結果】通過實測值和模擬值對比，溫度、風速的平均誤差分別為2.48%和8.76%，均方根誤差分別為1.10 ℃和2.1×10-3m/s，驗證了模型的有效性；不同開窗縱橫比對連棟溫室室內平均溫度無顯著影響，但溫度不均勻系數存在明顯差異，其中開窗方案A較開窗方案C總體溫度不均勻系數減少了41%；5種開窗方案中，開窗方案A的總體平均風速和風速不均勻系數均優于其他開窗方式，與開窗方案C相比，平均風速提高了23%，風速不均勻系數降低了41%。【結論】從溫室內流場分布角度來看，適當降低側通風窗縱橫比，能夠有效降低溫度、風速不均勻程度。

連棟溫室；縱橫比；自然通風；數值模擬

0 引 言

【研究意義】連棟溫室作為設施農業的重要代表，能夠實現作物高效生產，已成為現代化農業發展的重要方向[1-2]。自然通風作為溫室環境調控常用的方式，具有經濟節約能耗的特點，因此在日常運行管理中優先使用。已有研究表明通風窗的大小、位置及開窗配置是影響溫室微氣候的主要因素[3-5]，但開窗縱橫比對室內環境的影響尚未了解。

【研究進展】計算流體力學（CFD, computational fluid dynamics）作為一種新興、高效的計算手段，廣泛應用于溫室通風等相關領域的研究，采用數值模擬方法提高溫室性能以及研究溫室流場分布具有重要作用。柏宗春等[6]研究了自然通風條件下大棚通風窗的開設位置，借助Fluent軟件研究不同側窗和天窗尺寸下大棚內部的流場規律。趙融盛等[7]以陜西地區塑料溫室為研究對象，分析并比較4種側通風口高度（40、60、80、100 cm）下室內流場、氣溫、相對濕度均勻性。何科奭等[8]研究開窗配置對溫室微氣候的影響，揭示極低風速下（小于0.6 m/s）單棟塑料溫室內氣流和溫度場的分布特征。Rasheed等[9]利用CFD技術，比較7種不同屋頂和通風口條件下塑料大棚內溫度和通風率大小。以上研究大多關注CFD方法在單棟塑料溫室、單跨溫室的應用，多數只考慮溫室流場分布特征，缺乏對流場均勻性的研究。

【切入點】目前，鮮有研究自然通風情況下側通風窗縱橫比對溫室內流場的影響。【擬解決關鍵問題】本研究以廣州地區連棟蝶形開窗溫室為研究對象，建立連棟溫室三維數值模型，設計了4種不同開窗縱橫比并與試驗溫室模型進行對比，引入溫度、風速不均勻性系數，對溫室流場分布特性進行評價，探索不同開窗縱橫比對室內溫度及風速的分布規律。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

試驗溫室位于廣州市天河區柯木塱農業技術推廣總站示范基地（東經113.40°，北緯23.18°），屋脊為東西朝向。溫室長36 m，寬28.8 m，肩高6.5 m，脊高7.5 m。溫室東西二側設有濕簾風機降溫裝置以及側通風窗，頂窗采用電動扭矩分配開窗機構，最大開啟角度為45°，屋面覆蓋材料為4 mm厚漫反射玻璃，四周覆蓋5 mm厚度單層鋼化玻璃。

1.2 試驗條件

選取廣州地區夏季典型天氣進行試驗，試驗時間為2020年8月9日，晴天高溫天氣，風向與屋脊方向平行（即與溫室迎風面垂直），室外風速為0.3 m/s，室內無作物，試驗期間環境穩定。現場試驗從09:00開始，18:00結束，期間溫室頂窗、側窗均處于完全打開狀態。采用Auto-100環境數據采集器（北京奧托，溫度傳感器精度為±0.5 ℃）每隔1 h自動采集室內外溫度、風速。室內共設置27個監測點，在0.6、2.5、3.0 m高度處各布置9個采集器（圖1）。室外數據采集器距地2.5 m進行安裝，周圍無遮擋。

圖1 連棟溫室室內測溫點示意圖

1.3 評價方法

1.3.1溫室流場評價指標

1.3.2 模型精度評價指標

為了評價數值模型的準確性，引入相對誤差、平均絕對誤差和均方根誤差（Root-mean-square error,）評價模型的精度[12]，評價指標越小，意味著模型精度越高，均方根誤差計算式為：

1.4 模擬方案

通過文獻調研，當室外風速小于0.5 m/s時，由室內外溫差所引起的熱壓通風對室內環境的影響不可忽略[13-15]。鑒于此，考慮連棟溫室在風壓和熱壓共同作用下，采用數值計算的方法，探索不同開窗縱橫比對溫室內流場均勻性的影響。在保證開窗面積以及通風窗底邊高度一致的前提下，只改變側通風窗縱橫尺寸之間的比例，設計了4種不同開窗方案與試驗溫室進行比較。采用瞬態模擬，實際模擬時間10 min，不同開窗方案見表1。

表1 不同開窗縱橫比側通風窗結構參數

注 縱橫比，即通風窗長度方向與高度方向的比值。

2 CFD模型

2.1 控制方程

假設連棟溫室室內空氣為定常不可壓縮介質，傳質傳熱過程滿足質量、動量和能量守恒方程，并可由通用方程（6）表示[16]：

2.2 物理模型

圖2 連棟溫室物理模型

2.3 網格無關性檢驗

對于數值模擬，需要進行網格無關性檢驗，以保證網格數量不影響最終計算結果。本研究設置3種不同網格劃分方案，并將模擬溫度值和實際測量值比較得到平均誤差，結果見表2。可以看出，3種方案溫度平均誤差在2.5%左右，均滿足計算要求。考慮到計算精度及耗費時間，選擇細網格劃分方式。

表2 網格無關性檢驗

2.4 邊界條件及模型求解

表3 連棟溫室材料物性參數

3 結果與分析

3.1 模型驗證

3.2 不同開窗縱橫比對連棟溫室溫度的影響

3.2.1不同開窗縱橫比連棟溫室縱截面溫度分布

取溫室寬度方向的中心截面作為典型截面，不同開窗縱橫比下溫度分布見圖3。可以看出高度方向上溫室中層及下層的溫度較低，高溫區域集中在溫室頂層附近，溫度分布呈現自下到上的梯度變化。這是由于熱壓作用，熱空氣向上冷空氣向下運動，形成上層高溫下層低溫的分布規律。長度方向上室內溫度分布呈現出迎風側溫度低，背風側溫度高的現象。一方面是由于室外冷空氣首先和迎風窗附近熱空氣進行交換，帶走了大部分熱量，使得迎風側溫度低；另一方面，背風側窗口附近空氣因受太陽輻射和地面輻射加熱的影響，溫度升高，由于室內壓力小于室外壓力，熱空氣進入溫室導致背風側溫度高。此外，隨著開窗縱橫比的增加，低溫區域不斷減小，高溫區域不斷增加，表明開窗縱橫比影響氣流的縱向進深能力（即氣流沿溫室長度方向的深入能力），這是由于隨著縱橫比不斷增加，通風窗高度方向尺寸逐漸減小，氣流在發展過程中上下層氣流流通能力減弱。

圖3 X=14.4 m時不同開窗縱橫比連棟溫室溫度分布

3.2.2不同開窗縱橫比連棟溫室橫截面溫度變化

圖4為連棟溫室長度方向平均溫度及不均勻系數變化，由圖4（a）可知，開窗方案B、開窗方案C、開窗方案E沿溫室長度方向截面平均溫度呈現出上升的趨勢，這是由于縱向進深距離增加氣流換熱能力減弱，以及背風側風壓熱壓共同作用導致的，詳細分析見3.2.1。開窗方案A沿溫室長度方向截面平均溫度呈現出先下降后上升的趨勢，原因是該縱橫比下迎風側冷氣流和背風側熱氣流在溫室中部氣流上下流通能力較強，導致該區域的平均溫度較低。開窗方案D與開窗方案A的變化趨勢相同，只是平均溫度最低區域位置靠近背風側。此外，通過對比開窗方案C與其余開窗方案平均溫度，發現降溫幅度最大為0.9%，并無顯著差異，表明在相同開窗條件下，只改變開窗縱橫比對室內平均溫度影響較小。

由圖4（b）可知，開窗方案A、開窗方案B、開窗方案D、開窗方案E沿溫室長度方向上的不均勻系數呈現出先上升后下降的趨勢，這是由于迎風側氣流發展時受到相向而來的背風側氣流，導致室內出現氣流停滯區溫度不均系數上升。隨著縱向進深距離增加，迎風側氣流逐漸減弱，背風側氣流增強，溫度分布逐漸穩定，溫度不均勻系數隨之下降。開窗方案C沿溫室長度方向上不均勻系數呈現出緩慢上升的趨勢，沒有出現明顯上下波動的情況。

圖4 連棟溫室長度方向平均溫度及不均勻系數變化

3.2.3不同開窗縱橫比對連棟溫室豎直截面溫度變化

圖5 連棟溫室豎直方向平均溫度及不均勻系數變化

3.3 不同開窗縱橫比對連棟溫室風速的影響

3.3.1不同開窗縱橫比連棟溫室縱截面風速分布

取溫室寬度方向的中心截面作為典型截面，不同開窗縱橫比下風速分布見圖6。室外空氣從溫室兩側通風窗進入從頂窗排出，兩側通風窗口處風速較高，并且背風側風速高于迎風側。隨著開窗縱橫比的增加，迎風側氣流縱深能力不斷減弱，背風側氣流縱深能力不斷增強。同時迎風側、背風側區域均出現低速區域，這是背風側以熱壓為主的上升氣流和迎風側風壓為主的上升氣流相遇，形成氣流漩渦，導致該區域流通能力較差，造成風速分布不均。因此在弱風條件下，室內氣流組織均勻性須同時考慮風壓和熱壓的綜合影響。

圖6 X=14.4 m時不同開窗縱橫比連棟溫室風速分布與流線

3.3.2 不同開窗縱橫比下橫截面風速變化

圖7為連棟溫室長度方向平均風速及不均勻系數變化。由圖7（a）可知，不同開窗縱橫比下沿溫室長度方向截面平均風速均呈先下降后上升的趨勢，這是由于溫室迎風側和背風側均為高速區域，在氣流發展過程中，二側氣流相遇，容易形成氣流渦旋，導致平均風速下降。并且，開窗方案A平均風速的均值優于其他開窗方案，較開窗方案C提高了50%。

由圖7（b）可知，沿溫室長度方向截面風速不均勻系數沒有明顯規律變化，所以僅分析不同開窗方案最小不均勻系數位置。開窗方案A和開窗方案E在=24 m時，風速不均勻系數取得最小值分別為0.32和0.33；開窗方案B在=16 m時，風速不均勻系數取得最小值為0.34；開窗方案C在=28 m時，風速不均勻系數取得最小值為0.43。開窗方案D在=12 m時，風速不均勻系數取得最小值0.42。由此可知，風速均勻的區域大多分布在靠近溫室背風側區域，這是由于背風側區域以熱壓通風為主，氣流受到干擾因素較少，風速分布較為均勻。

圖7 連棟溫室長度方向平均風速及不均勻系數變化

3.3.3 不同開窗縱橫比下豎直截面風速變化

圖8為連棟溫室豎直方向平均風速及不均勻系數變化。由圖8（a）可知，不同開窗縱橫比下沿溫室豎直方向截面平均風速均呈先下降再上升的趨勢。這是由于通風窗底部以下區域空氣向上運動時，受到來自迎風側水平方向上的氣流干擾，容易形成氣流渦旋，平均風速下降。隨著高度的增加，氣流發展充分，平均風速增大。并且，開窗方案A平均風速的均值優于其他開窗方案，較開窗方案C提高了36%。

由圖8（b）可知，開窗方案A、開窗方案B、開窗方案C、開窗方案E沿溫室豎直方向截面風速不均勻系數變化呈現出先上升后下降的趨勢，主要是由于溫室兩側氣流相遇，造成風速在同一截面上分布不均，導致風速不均勻系數上升。隨著氣流的不斷發展，氣流渦旋區域逐漸減小不均勻系數隨之下降。開窗方案D風速不均勻系數曲線在豎直高度1～3 m呈下降趨勢，由圖6（d）可知，這是由于背風側與迎風側溫室底部風速具有較大差異，導致同一截面風速不均勻系數較大，但隨著高度的增加，流通能力增強使得同一截面風速差異減小。

圖8 連棟溫室豎直方向平均風速及不均勻系數變化

3.4 流場均勻性評價

為了全面評價不同開窗方案對溫室通風效果的影響，依據式（1）—式（4）計算5種開窗方案總體平均溫度、總體溫度不均勻系數、總體平均風速、總體風速不均勻系數，計算結果如表4所示。

表4 不同開窗縱橫比下溫室流場均勻性評價指標

由表4可知，開窗方案C與其余開窗方案室內平均溫度相比最大溫差為1%，表明改變開窗縱橫比對溫室內平均溫度影響不顯著。不同開窗縱橫比下室內溫度、風速不均勻性系數存在明顯差異，具體表現為：開窗方案A的平均風速和風速不均勻系數明顯要優于其余開窗方案，與開窗方案C相比，開窗方案A的平均風速提高了23%，風速不均勻系數降低了41%，表明開窗縱橫比為0.5時，能夠增加空氣上下流通能力，降低風速不均勻系數；隨著開窗縱橫比的增大，溫度不均勻系數逐漸增加，表明開窗縱橫比對連棟溫室溫度分布均勻性具有重要影響，其中開窗方案A較開窗方案C的溫度不均勻系數降低了41%。

4 討論

自然通風作為連棟溫室常用的通風方式之一，通常采用通風窗的合理配置以提高室內溫度、風速分布均勻性。王新忠等[21]認為側窗和頂窗聯合通風作用下，室內降溫效果最好。Akrami等[22]在研究側通風與頂通風對室內微氣候的影響，發現側通風口對通風的貢獻最大。現有研究表明側窗對室內氣流流動以及合理分布發揮著重要的作用。因此，為了保證室內流場均勻分布，為作物生長提供適宜的生長環境，有必要開展側通風窗對室內流場分布均勻性的研究。

本研究設計了5種不同開窗縱橫比方案，發現在不同側通風窗縱橫比下，室內溫度、風速不均勻系數具有較大差異，主要是由于自然通風條件下室內環境受到風壓和熱壓的共同作用，表明開窗縱橫比對室內流場分布均勻性具有較大影響。隨著開窗縱橫比的不斷減小，氣流的縱向進深能力不斷增強，主要是由于在開窗面積一定的情況下，側通風窗豎向尺寸越大、氣流上下流通能力越強，使得室內溫度、風速分布更加均勻，這與程征[23]得出的結論一致。開窗縱橫比對室內平均溫度影響不顯著，表明開窗縱橫比主要影響氣流分布均勻性，對室內溫度大小影響有限。

此外，本研究并未考慮作物對連棟溫室通風的影響，實際生產中作物會阻礙氣流流通，造成溫度、速度分布不均。另外，濕度作為農業生產必須考慮的環境因子，了解室內濕度分布均勻性具有重要的意義。因此，日后考慮將作物以及濕度等因素納入到CFD仿真模型，以期能夠更好指導溫室設計建造。

5 結論

2）不同開窗縱橫比對連棟溫室室內平均溫度無顯著變化，但對室內溫度分布均勻性具有顯著影響。開窗縱橫比越大，迎風側冷空氣在溫室長度方向縱深能力越弱，室內溫度分布越不均勻，溫度不均勻系數越高，其中開窗方案A較開窗方案C總體溫度不均勻系數減少了41%。

3）不同開窗縱橫比下連棟溫室室內溫度、風速不均勻性系數存在明顯差異。5種開窗方案中，開窗方案A的總體平均風速和風速不均勻系數均優于其他開窗方式，與開窗方案C相比，平均風速提高了23%，風速不均勻系數降低了41%。

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Influence of Aspect Ratio of Side Ventilation Window on Air Circulation in Terraced Greenhouses

GAO Zhenjun1, SI Changqing1, DING Xiaoming2*, LI Wei3, HE Fen2, LI Wenyang1, ZHANG Jianbo1

(1. College of Mechanical & Power Engineering of China Three Gorges University, Yichang 443002, China;2. Key Laboratory of Farm Building in Structure and Intelligent Construction, Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Beijing 100125, China; 3. Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment, Guangzhou 510630, China)

【Objective】The geometry of side ventilation windows is an important design parameter of greenhouse and this paper investigates the impact of their aspect ratio on air circulation in terraced greenhouses.【Method】The study is based on butterfly windows of terraced greenhouses in Guangzhou, using numerical simulation and experimental data measured from a greenhouse (Window C). We modelled five aspect ratios and compared the numerical simulations with experimental data. Air circulation in the greenhouse is quantified using non-uniformity coefficients.【Result】The average errors between the simulated and measured temperature and wind speed are 2.48% and 8.76% respectively, and their associated root mean square errors are 1.10 ℃ and 2.1×10-3m/s, respectively. Changes in the aspect ratio do not result in significant effect on average temperature in the greenhouses, but affect temperature variation noticeably. Among the five aspect ratios we compared, Window A gives the greatest average wind speed and highest wind uniformity coefficient. Compared with Window C, it increase average wind speed by 23% and the wind speed uniformity coefficient by 41%.【Conclusion】Our results show that reducing the aspect ratio of the side ventilation window as currently used by local farmers can effectively increase the uniformity of both temperature and wind speed in the greenhouse.

multi-span greenhouse; aspect ratio; natural ventilation; numerical simulation

1672 - 3317（2023）02 - 0087 - 08

S625.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022165

高振軍, 司長青, 丁小明, 等. 側通風窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(2): 87-94.

GAO Zhenjun, SI Changqing, DING Xiaoming, et al. Influence of Aspect Ratio of Side Ventilation Window on Air Circulation in Terraced Greenhouses[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 87-94.

2022-03-29

“十三五”國家重點研發計劃項目（2017YFD0701500）；農業農村部農業設施結構工程重點實驗室開放課題（201903）

高振軍（1986-），男。副教授。主要從事溫室環境模擬及流體機械。E-mail: 570186276@qq.com

丁小明（1976-），男。研究員，主要從事溫室設施裝備研究和標準化。E-mail: dingxiaoming@aape.org.cn

責任編輯：趙宇龍