基于CFD的現(xiàn)代化溫室環(huán)境數(shù)值模擬與優(yōu)化研究.pdf

1、溫室作為一個半封閉體系，其內(nèi)部環(huán)境是影響作物生長發(fā)育最直接的因素。CFD(ComputationalFluidDynamics)技術作為目前國內(nèi)外廣泛采用的數(shù)值模擬技術，可對不同外界條件及通風布局下的溫室內(nèi)流場的分布進行模擬分析研究，此外，還可與CAD聯(lián)合，進行結構優(yōu)化設計，是進行溫室物理結構設計和環(huán)境調(diào)控參數(shù)優(yōu)化的強有力工具。本文以荷蘭Venlo型現(xiàn)代化玻璃溫室為研究對象，利用CFD數(shù)值模擬軟件和現(xiàn)場試驗，對溫室內(nèi)微環(huán)境進行了模擬、驗

2、證和預測，分析了不同工況下的溫室內(nèi)微環(huán)境的分布以及冬季溫室的不同加溫方式。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)為了研究溫室內(nèi)噴霧降溫系統(tǒng)在梅雨季節(jié)的降溫效果，對荷蘭Venlo型玻璃溫室進行了噴霧2min降溫試驗，定量分析了溫室內(nèi)噴霧系統(tǒng)在南京這種高溫高濕氣候條件下的實際降溫效果:平均降溫幅度為3.2℃，同時也增加了室內(nèi)空氣的相對濕度，增幅為13.1％，證明了溫室內(nèi)噴霧降溫系統(tǒng)在南京這種高溫高濕的夏季典型氣候環(huán)境條件下也具有一定的降溫能力

3、，但由于溫室內(nèi)原空氣的相對濕度本就較高，所以其降溫效率僅為20％，降溫效率不是很高。
　　(2)理論研究了溫室環(huán)境傳熱機理，且基于傳熱學和能量平衡理論，詳細分析了溫室內(nèi)外各影響因子之間的質(zhì)熱交換關系，建立了以溫室覆蓋層和四周圍護結構、室內(nèi)作物、室內(nèi)外混合空氣為主要影響因子的數(shù)學模型，確立了以溫室結構為特征參數(shù)的計算模型，即能夠用實際溫室的測試數(shù)據(jù)對CFD模型進行邊界條件設置。
　　(3)利用計算機流體力學(CFD)軟件，建立

4、了與試驗溫室同等大小的三維模型，采用標準k-ε湍流模型，并采用標準壁面函數(shù)法處理近壁面區(qū)域，選擇DO輻射模型，用多孔介質(zhì)模型去模擬溫室內(nèi)種植的黃瓜作物，將實際測量數(shù)據(jù)作為模型模擬的邊界條件，模擬研究了溫室內(nèi)部溫、濕度場的分布。將模擬結果與試驗測試結果進行對比驗證分析，結果顯示:測點處空氣溫度的模擬值與實測值的最大相對誤差為10.2％，平均相對誤差為3.6％;相對濕度的模擬值與實測值的平均相對誤差和最大相對誤差分別為9.2％和5.0％，結

5、果吻合良好，證明了所建立的CFD模型的有效可行的。
　　對溫室的物理結構進行優(yōu)化設計，將優(yōu)化前后溫室環(huán)境進行對比，驗證溫室進行優(yōu)化設計后，溫室內(nèi)部空氣混合較均勻，溫室內(nèi)溫、濕度分布較均勻一致，更有利于作物的生長發(fā)育。
　　(4)在上述連續(xù)相的基礎上，加入離散相模型對溫室內(nèi)噴霧降溫系統(tǒng)進行了CFD數(shù)值模擬，結果表明:溫室內(nèi)測點溫、濕度的模擬值與實測值之間的平均相對誤差分別為4.9％和5.7％，模擬結果與實驗結果吻合良好，說明所

6、建立的CFD模型和邊界條件時正確的，采用多孔介質(zhì)模型模擬作物和離散相模型模擬噴霧是可行的。
　　根據(jù)上述建立的模型來模擬分析溫室內(nèi)部溫、濕度場的分布情況，結果表明:在溫室內(nèi)，作物區(qū)的溫度較低，且溫度分層明顯;噴霧1min后，由于霧滴蒸發(fā)帶走熱量，溫室內(nèi)溫度迅速下降，噴頭下方溫度下降最為明顯;隨著太陽輻射和空氣對流的影響，溫室內(nèi)溫度逐漸回升，但由于溫室四周維護結構區(qū)域霧滴分布的比較稀薄，故其溫度上升的比溫室中間快。
　　(5)