溫室環(huán)境因子時空分布CFD模型構建及預測分析研究.pdf

1、溫室作為一個半封閉的熱力系統(tǒng),其內部微氣候分布是影響作物生長發(fā)育最直接的因素。通風作為溫室微環(huán)境調控的主要手段,一直是設施農業(yè)研究的熱點問題。由于溫室類型較多,通風布局各異,地域之間氣候環(huán)境差異大,使商用大型溫室的應用推廣受到一定限制。CFD技術作為目前國內外廣泛采用的數(shù)值模擬技術,可對不同外界環(huán)境條件及通風布局下溫室內的氣流、溫度、濕度等的分布進行預測,是進行溫室結構設計和環(huán)境調控參數(shù)優(yōu)化的有力工具。本文以Venlo型玻璃溫室為研究對

2、象,基于CFD數(shù)值技術,開展了對不同邊界條件下溫室內部微環(huán)境因子時空分布及變化機理的理論研究及試驗分析,提出了溫室環(huán)境調控策略。具體工作及結論如下:
　　 1、構建了3維超聲風速風向儀測速系統(tǒng)和溫濕度傳感器自動測量系統(tǒng)；試驗測量了有無、作物存在兩種種植模式下溫室內外氣象參數(shù)；明確了太陽輻射強度、溫度、濕度等之間的相互耦合關系以及室內風速變化規(guī)律。
　　 2、基于傳熱學和能量平衡理論,分析了溫室內外各物理場之間的質熱交換關

3、系,建立了以溫室覆蓋層和四周圍護結構、土壤、作物、室內外混合空氣為主要單元的顯熱和潛熱交換數(shù)學模型,確立了以防蟲網空氣動力學參數(shù)和結構參數(shù)為特征參數(shù)的計算模型。使CFD數(shù)值模型邊界設置更接近溫室實際物理過程。
　　 3、基于流體動力學理論,結合溫室內氣流湍流流動過程,建立了求解室內濕空氣質能傳輸控制方程；采用非結構化四面體網格對計算域進行離散化處理；提出采用標準k-ε湍流模型求解溫室內濕空氣的湍流輸運過程,近壁區(qū)氣流流動采用標準

4、壁面函數(shù)法進行處理的方法,達到計算時間短,收斂快的目的；提出采用基于Boussinesq假設和組分傳輸方程求解由熱浮力引起的溫室內的自然對流過程,解決了單獨采用Boussinesq假設無法求解濕空氣傳輸?shù)牟蛔?；提出采用基于DO輻射模型的Solar Ray Tracing方法處理太陽輻射邊界設置問題,解決了傳統(tǒng)方法CFD模型沒有現(xiàn)場試驗數(shù)據就無法對不同地域、不同時間和云遮率情況下溫室內部環(huán)境進行預測的不足,能更加真實地反映溫室建筑材料對太

5、陽光譜的選擇性,為探究“溫室效應”形成因為提供了依據。
　　 4、采用輻射、對流、熱傳導耦合計算方法對沒有栽種作物的空溫室內微氣候進行了數(shù)值模擬,結果發(fā)現(xiàn):
　　 (1)邊界條件中不考慮濕度影響時模擬得到的各時刻室內平均溫度與試驗測試結果基本吻合,最大相對誤差為11.3％,平均相對誤差為7.6％,模擬精度提高5.9％。邊界條件中考慮相對濕度時,溫室內溫度模擬值與實測值的平均相對誤差為11.6％；相對濕度模擬值與實測值的平

6、均相對誤差為5.2％,精度提高了8.3％。溫室內相對濕度的分布受通風過程中氣流流動模式的影響,具有與溫度分布類似的梯度模式,即溫度高的區(qū)域相對濕度低,溫度低的區(qū)域相對濕度高。溫室中部作物區(qū)溫度較低,相對濕度較高,整體上該區(qū)域微環(huán)境分布比較均勻一致。
　　 (2)采用西側窗與天窗聯(lián)合通風的調控方式,室外風速風向對溫室內微氣候分布有影響。溫室通風換氣率隨室外風速的增大呈線性升高的趨勢,二者的決定系數(shù)R2=0.9846。室外風向顯著影

7、響溫室內氣流流動模式,且各通風窗在通風換氣過程中所起的主要作用不同。室外風向垂直屋脊,溫室內形成強度不等位置不一的渦流,側窗是主要的進風口,天窗則起到“煙囪效應”的作用。風向平行屋脊,天窗通風是溫室通風換氣的主要驅動力,靠近迎風側側窗為進風口,其余大部分側窗區(qū)域為出風口,進口處氣流流速較低,出口處流速較高。
　　 (3)自然通風面積對室內溫度分布有影響。天窗開度為10°時,室內溫度較天窗開度為21°時升高至少1℃；天窗開度為45

8、°時,室溫至少降低2℃,且低溫范圍廣。
　　 (4)采用雙側窗與天窗聯(lián)合通風可使溫室內溫度較單獨采用西側窗與天窗的調控方式最大多降2℃,相對濕度則可多降6％。采用外遮陽與濕簾-風機強制通風的調控策略降溫幅度高達11℃。
　　 5、采用高速攝像及激光片光源技術對溫室模型內氣流流動過程進行定性分析,結果發(fā)現(xiàn):天窗和側窗在通風換氣過程中所起作用與CFD數(shù)值模擬結果一致,進一步驗證了所建立的CFD數(shù)值模型有效。
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9、、提出CFD數(shù)值模擬中作物邊界處理新方法。基于多孔介質滲流理論,以Darey-Forchheimer定律為理論依據,模擬了番茄作物對氣流的動量匯作用。將土壤和番茄與環(huán)境之間的顯熱和潛熱交換設為“體積熱源邊界”條件,對以上復雜邊界條件的模擬結果表明:溫室中部測點平均溫濕度的模擬值與實測值的平均相對誤差分別為6.8％和7.9％。溫室中部測點總氣流速度模擬值與實測值平均相對誤差為15.0％；y向速度分量的模擬值與實測值的平均相對誤差為10.9