軟籽石榴防寒設施CFD 模擬優化

胡俊超 馬昊 程博

摘 要： 為探索解決露地軟籽石榴種植越冬問題的新途徑，設計、搭建了一種簡易式非固定防寒設施，針對該防寒設施冬季日間集熱特性，利用ANSYS Fluent 建立了穩態模擬模型，對其進行了驗證試驗，并使用該模型對防寒設施參數（空氣間層和通風孔直徑）進行優化試驗。驗證試驗表明，華氏度相對誤差ERE<1‰，防寒設施內監測點溫度模擬值的決定系數R2 和均方根誤差ERMSE 分別為0.962 5 與1.19 K，表明模型可信度較高。優化試驗表明，防寒設施空氣間層厚度最佳3 cm、通風孔直徑最佳14 cm。

關鍵詞：軟籽石榴；防寒設施；CFD 模擬

中圖分類號：S628文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）12-0054-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.010

0 引言

軟籽石榴樹作為從國外引進的食用性狀優良的果樹種類，豐富國內水果市場品類的同時，為石榴種植戶帶來了相當可觀的經濟收益。但軟籽石榴果樹普遍抗寒性較差，在–10 °C 溫度下，半日便會出現凍害[1]。目前，已有大量報道表明，低溫為突尼斯軟籽石榴引種推廣的主要限制因素[2-4]。國內研究人員從軟籽石榴的防寒設施越冬、抗寒措施等方面，進行了一些探索研究，但研究進展較為緩慢，軟籽石榴抗寒越冬栽培技術尚未成熟。

覆土、覆蓋保溫材料是目前國內主流的果樹防寒措施，據此，一些研究將防寒措施應用于軟籽石榴。覆蓋防寒在防寒設施軟籽石榴種植中的應用研究較少，馮一峰等[5] 對冷棚內不同防寒措施下軟籽石榴的生長環境、生長狀況進行了相關研究，并得出秸稈＋黑膜的防寒設施內防寒措施對軟籽石榴越冬保溫、防霉作用最佳。在露地軟籽石榴栽培上的應用研究多一些，李銀芳等[6-9] 研究了不同覆蓋物下新疆果樹（包括軟籽石榴）的越冬效果及成本，并對防寒措施下的栽培管理提出了建議。宋娟等[10] 對不同防寒處理下匍匐栽培突尼斯軟籽石榴微域溫度進行了研究，綜合得出鋼筋架+草苫+厚覆土（30 cm）對突尼斯軟籽石榴微域溫度提升最明顯。國內研究人員對軟籽石榴防寒越冬問題的解決途徑較為局限，保溫覆蓋較為簡陋，難以實現標準化、機械化種植，并且這些措施對于露地栽培的軟籽石榴防寒越冬局限性強，如在覆蓋物下的狹小空間內，容易造成濕度過高，果樹枝條易發生霉變等問題。

為拓寬軟籽石榴防寒越冬問題的解決思路，本研究以露地傾斜栽培的軟籽石榴為研究對象，設計了一種非固定的防寒設施，以軟籽石榴防寒越冬防寒設施的模擬優化為研究方向，在實物的基礎上，建立三維模型。利用CFD 技術，進行防寒設施內日間穩態溫度分析。將模型模擬結果與實測數據進行可靠性檢驗，在達到可靠性前提下，對不同尺寸參數配置下的防寒設施進行模擬、分析，優選出最佳的參數配置，為防寒設施性能改良提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究對象

1.1.1 防寒設施結構設計

以露地傾斜平地栽培（東西向種植，植株垂直高100 cm、株距100 cm）的軟籽石榴苗為設計對象。設計相鄰3 棵軟籽石榴植株共用一個防寒設施。防寒設施整體呈三棱柱形，東西長400 cm、高100 cm、底寬約85 cm，防寒設施剖面結構如圖1 所示。東西兩側為三角形彩鋼板，北側為傾斜角度60°的矩形彩鋼板（采光集熱板），彩鋼板厚度均為10 cm。采光集熱板上設有4 個通風孔，直徑10 cm，位置如圖2 所示。

采光集熱板仰面噴涂黑色油漆，其上覆蓋0.03 cm厚PVC 薄膜（集熱罩），膜與板間撐起1 cm 厚空氣間層；防寒設施南側懸掛厚度0.5 cm 的草苫和0.03 cm的PVC 薄膜，形成封閉圍護結構。2022 年10 月15 日防寒設施實物在石河子大學試驗地完成搭建，如圖3所示。

1.1.2 防寒設施原理

以防寒設施及其內部所占空氣為研究對象，日間、夜間能量平衡方程如下。

式中 Qin——室內熱量

Qsolar——防寒設施內凈太陽輻射量

Qf——各壁面與外界的凈輻射量

Qv——冷風滲透量

Qc——各壁面對流散熱量

Qs——地中傳熱量

考慮到冬季落葉果樹對光照要求低，防寒設施以犧牲光照為條件，增加了防寒結構的面積，以降低外界溫度對防寒設施內部溫度的影響。

1.2.4 邊界條件

（1）輻射模型。防寒設施模型日間集熱過程涉及壁面間的輻射熱傳導及透明介質的輻射問題，需要使用輻射模型。選取Do 模型作為輻射模型，模型允許用來解決各類輻射問題，包括半透明壁面的輻射問題和不透明面與面之間的輻射問題，普適性強，應用廣泛[14]。日間的太陽輻射量采用太陽輻射追蹤模型，輸入石河子市的地理位置數據、模擬日日期和時間，晴天氣象因子輸入0.75，陰天氣象因子輸入0.45。

（2）材料物性及邊界參數設置。采光集熱板結構仰側至背側依次為0.2 cm 鐵板、10 cm 苯板和0.2 cm鐵板，考慮到上層鐵板涂有吸光材料，具有集熱作用，將其依次簡化為0.2 cm 材料為鐵平面、10 cm 材料為苯板固體域；兩側三角形擋板直接簡化為10 cm 材料為苯板平面。集熱罩簡化為0.03 cm 的PVC 材料平面。南側柔性材料由外至內為0.03 cm 的PVC 膜＋0.5 cm的草苫，簡化為0.5 cm 草苫材料平面。地面簡化為10 cm 材料為土壤的平面。模擬所用材料物理參數如表1 所示。

對防寒設施日間太陽輻射下的穩態溫度場進行模擬，邊界條件設置如表2 所示。

1.2.5 初始條件

以模擬日日間防寒設施內各監測點溫度值處于較穩定狀態時的外界環境溫度和太陽輻射量作為模擬的初始條件。

1.3 試驗設計

1.3.1 試驗地點及設備

防寒設施仿真實物建于石河子大學北苑新區試驗地，地理位置為東經85.94°、北緯44.27°。測溫設備使用彭云物聯溫濕度計，類型編號S10A-2 300，共4 臺。該設備溫度測量精度±0.3 K，記錄間隔5 min。

1.3.2 驗證試驗

試驗設置3 個溫度監測點：防寒設施東側的上、下通風孔中心點和防寒設施內近中心點。上通風孔中心點（T1）對應模型坐標（?12.49，78，180），下通風孔中心點（T2）對應模型坐標（?47.7，17.3，180），近中心點（T3）對應模型坐標（0，40，0），坐標單位cm，x 正方向為正東，y 正方向為正上，z 正方向為正北。此外，在防寒設施外高50 cm 處設置一個測溫設備，監測外環境溫度。測試時間2020 年11 月16—24 日，采用2020 年11 月20 日（晴天）及2020 年11月23 日（陰天） 14： 30—16： 30 防寒設施內各監測點平均溫度進行穩態模擬驗證。

1.3.3 優化試驗

集熱墻通風口直徑和空氣間層厚度對其集熱性能有較大的影響[15]。防寒設施防寒保溫作用直接或者間接來自于采光集熱板的集熱效應，為達到最佳的保溫防寒效果，需對防寒設施中的采光集熱板相關尺寸參數進行優化。

設置1、3、5 和7 cm 厚的空氣間層厚度，每種間層厚度下設置6、10、14 和19 cm 4 種通風孔直徑。通過更改模型參數，以晴天的輻射條件，對16 組模型進行晴天日間流場模擬，獲得不同參數下防寒設施同一時間段下的穩態溫度場，以防寒設施內3 個監測點模擬溫度為依據，對不同配置下晴天日間的集熱能力進行判斷，得出最佳集熱采光板參數配置。

2 結果與分析

2.1 驗證試驗結果與穩態場分析

2.1.1 驗證試驗結果

選用相對誤差（ERE）、均方根誤差（ERMSE）和決定系數（R2）對模擬值和實測值之間的符合度進行統計分析。考慮到攝氏度相對誤差在0 °C 附近時，分子過小并不能合理地反映誤差值，本研究選擇華氏度千分相對誤差。ERMSE 計算公式見參考文獻[16]、ERE 計算公式見參考文獻[17]。

防寒設施內監測點溫度模擬值與實測值ERE 經計算整理如表3 所示，華氏溫度的絕對誤差≤1.79 K，千分相對誤差均<1‰。防寒設施內監測點溫度模擬結果如圖4 所示， 模擬溫度與測試溫度的決定系數R2 和ERMSE 分別為0.962 5 和1.19 K，由圖4 可知，模擬值與實測值接近1∶1 線，表明模擬方案的可靠性較高。

2.1.2 穩態場分析

截取計算區域內上、下通風口中心處的溫度場剖面云圖，可以看出日間穩態時防寒設施最高溫度出現在集熱采光板仰面中上部，溫度可達301.5 K，最低溫度出現在草苫近地面，為271.08 K。采光集熱板固體域溫度仰側向背側遞減，中部向四周遞減。不包括空氣間層在內的流體域，整體呈現溫度隨高度增加而增加的趨勢，上通風及以上區域流體溫度較高，并且上下部溫差最大在14 K 左右。模擬誤差可能主要來源于地中傳熱。

2.2 優化試驗結果分析

各監測點空氣溫度隨空氣間層厚度和通風直徑變化的趨勢如圖5 所示。

2.2.1 空氣間層厚度對防寒特性的影響

由圖5 可知，空氣間層厚度對防寒設施的集熱性能有較大影響，隨著空氣間層厚度增加，各監測點空氣溫度均呈現先升高后降低的趨勢。中心、下通風孔處空氣溫度在空氣間層厚度3 cm 時達到最大值，此后呈現下降趨勢。上通風孔處空氣溫度變化稍有不同，對于通風孔直徑6 和10 cm 的采光集熱板，上通風孔處最高溫度出現在空氣間層厚度5 cm 時；而對于通風孔直徑14 和18 cm 的集熱采光板，上通風孔空氣溫度在空氣間層厚度7 cm 時，仍然呈現上升趨勢，可能與空氣間層厚度試驗組設置不足有關。考慮到上、下通風孔處空氣溫度對防寒設施外環境變化反應較為敏感，對于防寒設施內平均空氣溫度變化代表性較差，防寒設施集熱性能評定主要參考中心空氣溫度變化規律，因此，可以得出空氣間層厚度3 cm 時，防寒設施的集熱性能較好，中心空氣溫度最高達到285.91 K。

2.2.2 通風孔直徑尺寸對防寒特性的影響

由圖5 可知，通風口直徑變化對各監測點空氣溫度的影響差異較大，隨著通風孔直徑的增加，上通風孔空氣溫度呈現下降趨勢，下通風孔空氣溫度大致呈現平緩上升趨勢，中心空氣溫度大致呈現先升高再降低的趨勢。上通風孔空氣溫度呈現與下通風孔和中心空氣溫度相反規律，可能與通風孔直徑增大利于間層熱空氣與防寒設施內部冷空氣流通有關。在空氣間層厚度3 和5 cm 時，中心空氣溫度最大值出現在通風孔直徑14 cm 時，而在空氣間層厚度1 和7 cm 時，中心空氣溫度在通風孔直徑18 cm 時，仍有增長趨勢，未達到最大值。就中心空氣溫度變化趨勢來看，對于空氣間層厚度3 和5 cm 下，防寒設施最佳通風孔直徑在14 cm 左右，對于空氣間層厚度1 和7 cm 時，防寒設施最佳通風直徑在18 cm 及以上。

3 結束語

將集熱墻原理拓展應用至農業防寒設施中，提出一種簡易型的非固定軟籽石榴防寒設施，建立并驗證了防寒設施冬季日間穩態模擬模型，并對防寒設施參數進行了模擬優化，指導該防寒設施防寒性能的優化改良。

對于軟籽石榴的非適宜種植地區，低溫越冬對已建成和即將建成的露地軟籽石榴生產種植有極大的阻礙，嚴重影響軟籽石榴花、果數量和質量。非固定軟籽石榴防寒設施能為露地軟籽石榴越冬提供較好的越冬條件，利于軟籽石榴生產與推廣種植，并能為北方果樹種植防寒越冬提供新的途徑。

模擬試驗表明，建立的穩態模型具有較高的可信度，為優化模擬試驗提供理論依據。優化試驗表明，空氣間層厚度3 cm、通風孔直徑14 cm 時，防寒設施的集熱效果最佳，試驗得到的防寒設施內各監測點溫度變化趨勢與黑賞罡等[17] 的研究結果相近。

本研究僅對防寒設施進行了特定時段的穩態模擬，不能在瞬態模擬下獲得防寒設施內日間溫度隨時間的變化規律，但由于防寒設施日間集熱穩態溫度場直接影響防寒設施日間防寒效果、間接影響防寒設施夜間防寒效果，穩態模擬的使用簡化了模擬試驗步驟，利于之后的優化模擬試驗快速獲得結論。此外，未對防寒設施夜間防寒性能及其適宜的參數進行研究，保溫性能相關研究有待完善。

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