管道送風系統對塑料大棚氣流場和溫度場影響的CFD模擬

趙 娜 李 明,2 趙淑梅,2* 宋衛堂,2 石 謂

(1.中國農業大學 水利與土木工程學院,北京 100083; 2.農業部設施農業工程重點實驗室,北京 100083)

塑料大棚是我國主要的園藝設施,具有結構簡單、投資較少、使用方便等特點[1]。但塑料大棚大多缺乏環境調控裝備,主要依靠自然通風調控室內溫度、濕度、氣流及CO2濃度。已有研究[2]表明,在僅有自然通風的條件下,大棚內作物行間氣流速度幾乎為零,即作物冠層內部空氣基本處于停滯狀態。這不僅會導致室內空氣溫濕度分布不均,也會進一步影響作物的光合作用、蒸騰作用[3-5]。

在園藝設施中使用較多的氣流擾動方式是安裝擾流風機[6-8]與管道送風系統。管道送風系統的相關研究包括:在荷蘭半封閉溫室中,將經過調節的空氣通過風機和柔性材料制成的風管送入種植區,改善作物冠層內部的環境[9-10];在我國大型玻璃連棟溫室建立正壓管道通風降溫系統,對風機、送風管道進行設計,并進行生產試驗[11];在植物工廠內對送風管道的管孔直徑、管孔數量及進風口風速等因素對作物冠層氣流分布的影響進行探究[12-14];在日光溫室內設計構建管道送風系統并分析其應用效果[15]。上述研究為管道送風系統在玻璃連棟溫室、植物工廠、日光溫室中的應用提供了理論依據,但在設施園藝總規模中占比最大的塑料大棚,目前還缺乏管道送風系統的設計以及環境影響的相關研究。

本研究擬設計一套適用于塑料大棚作物行間主動送風的管道送風系統,并構建塑料大棚作物行間管道送風系統CFD模型[16-22],通過現場試驗對模型進行驗證,研究管道送風系統對塑料大棚內氣流分布與溫度分布的影響,以期為提高塑料大棚的針對性調控能力,改善棚內氣流環境和溫度分布提供理論依據。

1 試驗大棚及送風系統設計

1.1 試驗大棚

本研究選取的試驗大棚位于浙江省溫州市鹿城區藤橋鎮溫州種子種苗科技園區內,北緯28°08′,東經 120°51′。該地區屬亞熱帶季風氣候,夏季大棚內高溫高濕,對于氣流調控的需求十分迫切。試驗大棚為東西走向,長30 m,寬9.6 m,屋脊高度4.5 m,肩高2.2 m;覆蓋材料為單層聚乙烯薄膜;溫室側窗卷膜開度為1.0 m,頂窗卷膜開度為1.0 m。大棚內定植番茄,東西壟向種植,共5壟;試驗期間番茄處于結果期,番茄冠層高度約2.0 m。

1.2 送風系統設計

管道送風系統由風機和送風管道構成,送風管道表面開設出風口。為使系統在解決塑料大棚環境調控存在問題的同時,能兼具節約空間、易于制作的特點,本研究采用等截面送風管道設計方式。管道送風系統的具體設計過程如下:首先根據射流斷面目標風速計算孔口出流速度;其次估算管道的摩擦阻力與局部阻力;最后進行風機選型。

1.2.1設計理論

1)孔口出流速度與孔口偏轉角度。根據孔口射流理論,孔口出流速度由射流斷面目標風速推算得出。射流斷面平均速度根據式(1)計算[23]:

(1)

孔口偏轉角度根據射流角度確定,原則是射流基本段中心線應處于作物冠層位置。

2)管道內空氣流動的阻力Δp由摩擦阻力Δpm和局部阻力Δpz組成[24]:

Δpm=Rm·l

(2)

(3)

式中:Rm為管道單位長度的摩擦阻力,也稱比摩阻,Pa/m;l為管道長度,m;λ為沿程阻力系數;v為管道內氣體的平均流速,m/s;ρ為管道內空氣的密度,kg/m3;D為管道直徑,m。

(4)

式中:ζ為局部阻力系數。

3)風機選型。送風系統中存在送風阻力計算不準確的問題,需要對壓力進行修正[24]。修正公式為:

pf=ΔpKp

(5)

式中:pf為風機的風壓,Pa;Kp為風壓附加系數,取 1.20。

1.2.2系統參數

本研究將0.1～0.5 m/s作為有效擾流風速。為避免軸心速度過大對作物生長產生不利影響,以植物冠層上部位置處的射流斷面平均流速為0.3 m/s來進行設計。塑料大棚內作物行中心距為1.8 m,走道寬度0.6 m。管道截面有左右2個出風口,孔口偏轉角為 15°,由式(1)得孔口出流速度應為16.9 m/s。根據大棚內管道布置空間,確定主管直徑為300 mm;出風口直徑確定為30 mm;相鄰兩排出風口的間距設置為1.0 m;管道長度20 m。送風管道的材料選擇PE軟質薄膜材料,有密度低、吸塵少、易收放的優點。

根據式(2)和式(4)得管內空氣流動的阻力Δp約為180 Pa。由式(5)得風機的風壓pf≥216 Pa。為滿足試驗中所需的風壓要求,選取SFG3-2型軸流風機作為供試風機,風機額定風量為3 000 m3/h,全壓為230 Pa,風機直徑30 cm,額定功率370 W。每臺風機單獨設置控制開關,進行手動控制。受試驗條件限制,僅布置3條送風管道。

2 CFD模擬

2.1 模型構建及網格劃分

本研究根據試驗塑料大棚尺寸確定幾何模型的相關參數。將大棚內部空間作為計算域,采用ICEM軟件建立三維實體模型,以大棚的西北角為模型原點O(0,0,0),正南方向為X軸正向,正東方向為Z軸正向,垂直向上為Y軸正向。將計算域進行非結構化網格劃分,為提升網格質量,對管道出風口與近壁面區域進行局部加密處理。劃分的網格模型節點數為 25萬,網格總單元數為 147萬,網格質量按照EquiAngle Skewness標準進行控制,符合計算要求,可以進行后續模擬。

2.2 CFD模型方程

CFD數值模擬基本控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程。

連續性方程:

式中:ρ為空氣密度,kg/m3;t為時間,s;xi為在i方向上的坐標,m;ui為i方向的速度分量,m/s。

動量方程:

式中:μ′i為i方向上的波動速度分量,m/s;μ′j為j方向上的波動速度分量,m/s;δij為應力張量的分量,kg/(m·s2);gi為重力加速度在i方向上的分量,m/s2。

能量方程:

式中:Cp為空氣比熱容,J/(kg·K);T為空氣溫度,K;λf為空氣的導熱率,W/(m·K);μt為空氣湍流粘度,kg/(m·s);Pt湍流普朗特數;ST為能量源項,W。

大棚內氣流流動具有較高的湍流特性,本研究采用收斂性好、計算精度高的標準k-ε湍流模型對大棚內氣流流動過程進行求解[25]。大棚近壁面區域湍流發展不充分,因此引入標準壁面函數對近壁面區域的流動進行處理。

太陽輻射是影響大棚內溫度分布的重要因素,離散坐標(Discrete ordinates,DO)輻射模型可以對半透明介質內的輻射求解,而且考慮了散射的影響,因此選用DO輻射模型對塑料大棚輻射換熱進行求解。

2.3 邊界條件及材料屬性

大棚中存在對流、傳導和輻射3種傳熱機制。太陽輻射到達覆蓋層之后,一部分被反射,一部分被薄膜吸收使其自身溫度升高,另一部分則透過薄膜進入室內。大棚內部的熱交換以對流為主,而室內外環境之間以輻射和對流傳熱為主。

大棚圍護結構與地面設置為壁面(wall)邊界,其中圍護結構設置為對流邊界條件,地面設置為耦合邊界條件。圍護結構設為半透明材質(semi-transparent),在輻射模型中分別設定其對可見光和近紅外光的吸收率和透射率,以模擬覆蓋層對不同波長短波輻射的選擇性,實現輻射的耦合計算。將送風管道系統的風機入口設置為風機(fan)邊界,管道出風口設置為內部(interior)邊界。

作物對周圍氣流存在一定的阻礙作用,會導致氣流動量的損失,進而對通風產生影響。本研究采用等效各向同性多孔介質對作物冠層進行處理。當穩態、低速、不可壓縮的空氣經過多孔介質時,其產生的動量源項可以由 Darcy-Forcheimer 方程表示[26],公式為:

(6)

CFD 運算的邊界條件粘滯阻力系數C1和慣性阻力系數C2由式(7)和式(8)求得:

(7)

(8)

Cf和K由式(9)和式(10)求得[26]:

(9)

(10)

式中:CD為作物冠狀層阻力系數;L為葉面積密度,m2/m3;dp為番茄葉片平均長度,m;φ為多孔介質的孔隙度。

本試驗中番茄葉片平均長度dp=0.2 m,冠層孔隙度φ=0.99,可得滲透率K=0.55 m2;葉面積密度L=2.5 m2/m3,作物冠狀層阻力系數CD取0.26[27]。通過式(9)求得動量損失系數Cf=0.39。結合式(7)和式(8)得C1=1.8,C2=1.3。

使用Boussinesq模型,考慮溫度變化引起的浮升力作用對空氣運動的影響[28]。溫室內材料的物理特性參數見表1[16-17]。

表1 溫室內材料的熱物性參數

2.4 數據計算

試驗過程中外界溫度穩定,風機運行狀態穩定,可認為環境處于穩態,采用三維穩態方法求解控制方程。求解過程選擇基于壓力求解器設置,將空氣重力考慮在內。控制方程采用基于有限體積的離散方法;能量、動量方程離散格式為二階迎風格式;各欠松弛因子按默認值設置。使用SIMPLEC算法求解壓力耦合方程。求解時,能量殘差收斂標準設為10-6,輻射殘差收斂標準設為10-5,其他變量殘差收斂標準設為10-3。

3 試驗方案

為驗證CFD模型及邊界條件的可靠性,采用2個試驗進行現場測定。

試驗1,塑料大棚內溫度分布驗證。選取不同的天氣狀況,分別為2021-06-08(陰天)與2021-06-10(晴天),測試期間室外氣溫分別為27.8 和32.0 ℃,與溫州地區夏季白天平均溫度接近;棚內溫度均34 ℃以上,相對濕度在70%以上,屬于高溫高濕狀態。溫州地區塑料大棚的現場試驗表明,側窗開啟時,對作物行間的氣流影響十分微弱[2]。封閉條件下室內氣流環境處于最不利狀態,為了測試此條件下管道送風系統的運行效果,試驗期間關閉大棚通風口。棚外氣象條件由氣象站采集,主要包括棚外氣溫、太陽輻照值、以及風速和風向等。塑料大棚溫度測點位置見圖1:選取Z=6.0 m截面,在Y=1.2 m高度布置4個溫度測點,Y=1.8 m高度布置2個溫度測點,共6個溫度測點(T1～T6);在Z=15.0 m截面,Z=21.0 m截面按照相同的方式布置12個溫度測點(T7～T18);在地下10 cm處布置1個溫度測點(T19),用來測試土壤溫度。空氣溫度及土壤溫度使用Pt100鉑電阻測量,測試范圍為-50～200 ℃,精度為±0.1 ℃,室內溫度測點進行遮光處理,防止太陽輻射對測量結果的影響。以上傳感器均連接到環境智能控制系統,由 YC1003型數據采集儀轉化為信號,RS485通訊傳輸并儲存。

圖1 塑料大棚溫度測點布置

試驗2,管道出風口風速驗證。管道長度為20 m,相鄰兩排出風口的間距設置為1.0 m,選取管道一側共19個出風口進行風速測量,按照到風機的距離將出風口依次編號為①～。風機開啟30 min,運行狀態達到穩定時,測量出風口中心點風速。風速測量采用Kanomax熱式風速風量儀,測試范圍為0.01～30.0 m/s,精度為讀取數值的±3%。

4 結果與討論

4.1 CFD模型驗證

4.1.1大棚溫度模擬驗證

2021-06-08(陰天)與2021-06-10(晴天)溫度模擬值與實測值見圖2。絕對偏差為 0.07～1.64 ℃,最大相對誤差為4.7%,平均相對誤差為1.6%,溫度模擬值與實測值吻合良好。出現誤差的原因主要在于,模擬中忽略了周圍大棚對于試驗大棚的影響以及室內熱空氣通過圍護結構的縫隙向外滲透。

測點T1～T18位置具體見圖1。 The measuring point position is shown in Fig.1.

4.1.2管道風速模擬驗證

為驗證模型的準確性,將送風管道出風口中心點的風速模擬值與實測值進行比較,結果見圖3。風速模擬值與實測值的絕對偏差為0.02～1.04 m/s,最大相對誤差為8.1%,平均相對誤差為3.0%,吻合良好。模擬結果較好反映了實際情況,表明本研究所構建的CFD模型是有效的,可以用于數據分析和后續的模擬研究。

出風口編號①～,選取管道一側按出風口到風機的距離由小到大依次編號,相鄰出風口間距1 m。 Outlet number ①-, select one side of the pipe and number it from small to large according to the distance from the outlet to the fan, and the distance between adjacent air outlets is 1 m.

4.2 CFD仿真結果與分析

4.2.1大棚空氣流場分布特性

在大棚內形成合適的空氣流場,是管道送風系統設計的重要目標之一。圖4為管道送風系統開啟與關閉情況下塑料大棚內部Z=10.0 m截面的氣流分布云圖。可以看出,在管道送風系統開啟情況下,送風管道上方整體氣流速度較大,隨著氣流的擴散,氣流速度逐漸衰減。氣流束到達作物冠層區域時,氣流速度已經衰減至0.7 m/s以下,不會由于風速過大而對作物生長產生影響。而在管道送風系統關閉情況下,大棚內部平均風速在0.02 m/s,空氣幾乎處于停滯狀態。

為探究管道送風系統開啟時大棚內的氣流分布情況,選取不同高度平面即Y=0.5、1.0、1.5和2.0 m平面進行分析,結果見圖5:不同高度平面的氣流分布略有差異,但整體分布模式類似,風速較大位置都集中在出風口上方氣流束所在位置,并在該平面形成一系列射流風速較高的圓形區域。除氣流束所在位置外,平面內其他區域風速較小,氣流在氣孔與氣孔之間存在一定面積的停滯區。為使氣流分布更加均勻,可以減小孔口間距,或者增大進風口的風速,減小停滯區面積。

圖5 塑料大棚內不同高度(Y)平面氣流分布云圖

將0.10～0.50 m/s風速作為有效風速范圍,利用CFD軟件計算平面內氣流速度在適宜區的面積占總面積的比例。隨著高度增加,風速逐漸衰減,氣流速度小于0.1 m/s的區域所占的比例逐漸增大,有效風速范圍所占的比例略有減小,0.5、1.0、1.5和2.0 m高度達到目標風速的面積分別占總面積的 79%、74%、69%和69%。隨著高度的增加,射流束區域逐漸向外延展擴大,在高度分別為0.5、1.0、1.5和2.0 m時,風速的平均值分別為0.19、0.22、0.23和0.24 m/s,平均風速逐漸升高,但是整體差異較小,從低到高氣流分布均勻性逐漸增強。

為了解出風口空氣出流方向,對塑料大棚內管道剖面氣流分布進行分析,剖切方向與管道出風口偏轉方向一致。如圖6所示,管道出風口的氣流分布與出風口到風機的距離有一定關聯,管道前端離風機最近的出風口風速偏轉角較大,離風機越遠的位置出風口風速越趨于垂直,送風均勻性越好。

整體看,使用管道送風系統在一定范圍內獲得了較好的空氣擾動效果。在管道送風系統關閉條件下,空氣幾乎處于停滯狀態;通過管道送風系統的主動調節,平均風速可以達到0.2 m/s,對棚內氣流速度產生了積極影響。

4.2.2大棚空氣溫度分布特性

管道送風系統開啟或關閉情況下,塑料大棚橫截面溫度均為由上至下遞減,隨高度呈梯度分布(圖7)。塑料大棚頂部的覆蓋層吸收太陽輻射的熱量,并通過對流換熱向室內釋放熱量,大棚內高溫區域集中在大棚頂部;近地面吸收熱量,故溫度較低。大棚四周近壁面的溫度相對較高,溫差較大,主要是因為壁面熱輻射的影響。

圖7 管道送風系統開啟或關閉時塑料大棚內部Z=10.0 m截面溫度分布云圖

由于風機進風口靠近地面較冷區域,在作物冠層形成了循環氣流,增強了棚內空氣的混合度,促使大棚下部的冷空氣向上流動,對頂部區域起到了一定的降溫效果。從溫度分布上看,管道送風系統關閉的情況下,0.5與 2.0 m高度平面溫差可以達到0.7 ℃;在管道送風系統開啟的情況下,大棚頂部區域溫度下降,低溫區域(33～34 ℃)范圍增大,0.5 與2.0 m高度平面溫差減少約0.4 ℃。

4.3 系統成本分析

管道送風系統的費用主要是風機、PE 塑料管道以及系統運行所耗電費。投資成本方面,試驗設計的管道送風系統包含3條送風管道,每條管道長度為20 m。每條管道的投資成本為60元;風機價格520元/臺,系統總投資1 740 元;如果按所服務的種植區域進行核算,約為1元/m2。運行成本方面,系統安裝的風機功率為0.37 kW,現場平均每天試驗時間為2.5 h,則每臺風機每天耗電量為0.925 kW·h,根據溫州地區居民用電0.538 元/kW·h計算,單根送風管道運行所耗電費約為0.5 元/d,按所服務的種植區域進行核算,每天電費約為0.01元/m2。

5 結 論

本研究設計了一種適用于塑料大棚的作物行間管道送風系統,并構建CFD模型;在通過實測數據驗證CFD模型可靠的基礎上,對該系統的應用效果進行模擬分析,結論如下:

1)利用CFD模擬管道送風系統對大棚內氣流場與溫度場分布情況的影響,將模擬值與實測值進行對比,管道出風口風速最大相對誤差為8.1%,平均相對誤差為3.0%;溫度測點的最大相對誤差為4.7%,平均相對誤差為1.6%,模擬值與實測值吻合,模擬效果良好。

2)管道送風系統對空氣流場的分布產生了積極影響,改善了氣流環境。管道送風系統送風范圍內平均風速為0.2 m/s,平面內適宜區(風速范圍為0.1～0.5 m/s)面積占總面積的比例在69%以上。送風系統管道孔口出流方向與管道側壁近似垂直,在設計長度范圍內,送風均勻性較好。

3)管道送風系統促進冷空氣向上流動,塑料大棚頂部溫度下降了1.0 ℃,0.5與2.0 m高度平面的平均溫差減小了0.4 ℃,對高溫部位有一定的降溫效果,棚內溫度分布更加均勻。

綜上,管道送風系統在溫州地區塑料大棚內可以有效改善氣流環境、提高溫度分布均勻性,對其他地區的推廣應用具有很好的指導意義。

本試驗只研究了管道長度為20 m時大棚內的氣流分布情況,實際使用中如果采用更長的管道,可能會存在隨管道長度增加出風口風速分布不均勻等問題,管道的結構和工藝尚需進行進一步優化。下一步將在系統優化的基礎上,進一步擴大試驗范圍,更全面地研究并優化系統的應用效果。