溫室環(huán)境因子時(shí)空分布CFD模型構(gòu)建及預(yù)測(cè)分析研究.pdf

1、溫室作為一個(gè)半封閉的熱力系統(tǒng),其內(nèi)部微氣候分布是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育最直接的因素。通風(fēng)作為溫室微環(huán)境調(diào)控的主要手段,一直是設(shè)施農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。由于溫室類型較多,通風(fēng)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(yīng)用推廣受到一定限制。CFD技術(shù)作為目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的數(shù)值模擬技術(shù),可對(duì)不同外界環(huán)境條件及通風(fēng)布局下溫室內(nèi)的氣流、溫度、濕度等的分布進(jìn)行預(yù)測(cè),是進(jìn)行溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境調(diào)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(duì)

2、象,基于CFD數(shù)值技術(shù),開(kāi)展了對(duì)不同邊界條件下溫室內(nèi)部微環(huán)境因子時(shí)空分布及變化機(jī)理的理論研究及試驗(yàn)分析,提出了溫室環(huán)境調(diào)控策略。具體工作及結(jié)論如下:
　　 1、構(gòu)建了3維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)速系統(tǒng)和溫濕度傳感器自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；試驗(yàn)測(cè)量了有無(wú)、作物存在兩種種植模式下溫室內(nèi)外氣象參數(shù)；明確了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溫度、濕度等之間的相互耦合關(guān)系以及室內(nèi)風(fēng)速變化規(guī)律。
　　 2、基于傳熱學(xué)和能量平衡理論,分析了溫室內(nèi)外各物理場(chǎng)之間的質(zhì)熱交換關(guān)

3、系,建立了以溫室覆蓋層和四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土壤、作物、室內(nèi)外混合空氣為主要單元的顯熱和潛熱交換數(shù)學(xué)模型,確立了以防蟲(chóng)網(wǎng)空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)為特征參數(shù)的計(jì)算模型。使CFD數(shù)值模型邊界設(shè)置更接近溫室實(shí)際物理過(guò)程。
　　 3、基于流體動(dòng)力學(xué)理論,結(jié)合溫室內(nèi)氣流湍流流動(dòng)過(guò)程,建立了求解室內(nèi)濕空氣質(zhì)能傳輸控制方程；采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散化處理；提出采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型求解溫室內(nèi)濕空氣的湍流輸運(yùn)過(guò)程,近壁區(qū)氣流流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)

4、壁面函數(shù)法進(jìn)行處理的方法,達(dá)到計(jì)算時(shí)間短,收斂快的目的；提出采用基于Boussinesq假設(shè)和組分傳輸方程求解由熱浮力引起的溫室內(nèi)的自然對(duì)流過(guò)程,解決了單獨(dú)采用Boussinesq假設(shè)無(wú)法求解濕空氣傳輸?shù)牟蛔悖惶岢霾捎没贒O輻射模型的Solar Ray Tracing方法處理太陽(yáng)輻射邊界設(shè)置問(wèn)題,解決了傳統(tǒng)方法CFD模型沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)就無(wú)法對(duì)不同地域、不同時(shí)間和云遮率情況下溫室內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)的不足,能更加真實(shí)地反映溫室建筑材料對(duì)太

5、陽(yáng)光譜的選擇性,為探究“溫室效應(yīng)”形成因?yàn)樘峁┝艘罁?jù)。
　　 4、采用輻射、對(duì)流、熱傳導(dǎo)耦合計(jì)算方法對(duì)沒(méi)有栽種作物的空溫室內(nèi)微氣候進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn):
　　 (1)邊界條件中不考慮濕度影響時(shí)模擬得到的各時(shí)刻室內(nèi)平均溫度與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合,最大相對(duì)誤差為11.3％,平均相對(duì)誤差為7.6％,模擬精度提高5.9％。邊界條件中考慮相對(duì)濕度時(shí),溫室內(nèi)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為11.6％；相對(duì)濕度模擬值與實(shí)測(cè)值的平

6、均相對(duì)誤差為5.2％,精度提高了8.3％。溫室內(nèi)相對(duì)濕度的分布受通風(fēng)過(guò)程中氣流流動(dòng)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(duì)濕度低,溫度低的區(qū)域相對(duì)濕度高。溫室中部作物區(qū)溫度較低,相對(duì)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(cè)窗與天窗聯(lián)合通風(fēng)的調(diào)控方式,室外風(fēng)速風(fēng)向?qū)厥覂?nèi)微氣候分布有影響。溫室通風(fēng)換氣率隨室外風(fēng)速的增大呈線性升高的趨勢(shì),二者的決定系數(shù)R2=0.9846。室外風(fēng)向顯著影

7、響溫室內(nèi)氣流流動(dòng)模式,且各通風(fēng)窗在通風(fēng)換氣過(guò)程中所起的主要作用不同。室外風(fēng)向垂直屋脊,溫室內(nèi)形成強(qiáng)度不等位置不一的渦流,側(cè)窗是主要的進(jìn)風(fēng)口,天窗則起到“煙囪效應(yīng)”的作用。風(fēng)向平行屋脊,天窗通風(fēng)是溫室通風(fēng)換氣的主要驅(qū)動(dòng)力,靠近迎風(fēng)側(cè)側(cè)窗為進(jìn)風(fēng)口,其余大部分側(cè)窗區(qū)域?yàn)槌鲲L(fēng)口,進(jìn)口處氣流流速較低,出口處流速較高。
　　 (3)自然通風(fēng)面積對(duì)室內(nèi)溫度分布有影響。天窗開(kāi)度為10°時(shí),室內(nèi)溫度較天窗開(kāi)度為21°時(shí)升高至少1℃；天窗開(kāi)度為45

8、°時(shí),室溫至少降低2℃,且低溫范圍廣。
　　 (4)采用雙側(cè)窗與天窗聯(lián)合通風(fēng)可使溫室內(nèi)溫度較單獨(dú)采用西側(cè)窗與天窗的調(diào)控方式最大多降2℃,相對(duì)濕度則可多降6％。采用外遮陽(yáng)與濕簾-風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)的調(diào)控策略降溫幅度高達(dá)11℃。
　　 5、采用高速攝像及激光片光源技術(shù)對(duì)溫室模型內(nèi)氣流流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行定性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):天窗和側(cè)窗在通風(fēng)換氣過(guò)程中所起作用與CFD數(shù)值模擬結(jié)果一致,進(jìn)一步驗(yàn)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?；诙嗫捉橘|(zhì)滲流理論,以Darey-Forchheimer定律為理論依據(jù),模擬了番茄作物對(duì)氣流的動(dòng)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(shè)為“體積熱源邊界”條件,對(duì)以上復(fù)雜邊界條件的模擬結(jié)果表明:溫室中部測(cè)點(diǎn)平均溫濕度的模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差分別為6.8％和7.9％。溫室中部測(cè)點(diǎn)總氣流速度模擬值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差為15.0％；y向速度分量的模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為10.9