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

1、溫室作為一個半封閉的熱力系統(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)作為目前國內(nèi)外廣泛采用的數(shù)值模擬技術(shù),可對不同外界環(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,是進(jìn)行溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計和環(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

2、象,基于CFD數(shù)值技術(shù),開展了對不同邊界條件下溫室內(nèi)部微環(huán)境因子時空分布及變化機(jī)理的理論研究及試驗分析,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(nèi)外氣象參數(shù)；明確了太陽輻射強(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,確立了以防蟲網(wǎng)空氣動力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)為特征參數(shù)的計算模型。使CFD數(shù)值模型邊界設(shè)置更接近溫室實(shí)際物理過程。
　　 3、基于流體動力學(xué)理論,結(jié)合溫室內(nèi)氣流湍流流動過程,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)格對計算域進(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)過程,近壁區(qū)氣流流動采用標(biāo)準(zhǔn)

4、壁面函數(shù)法進(jìn)行處理的方法,達(dá)到計算時間短,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)的自然對流過程,解決了單獨(dú)采用Boussinesq假設(shè)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(shè)置問題,解決了傳統(tǒng)方法CFD模型沒有現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)就無法對不同地域、不同時間和云遮率情況下溫室內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行預(yù)測的不足,能更加真實(shí)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(yīng)”形成因為提供了依據(jù)。
　　 4、采用輻射、對流、熱傳導(dǎo)耦合計算方法對沒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模擬得到的各時刻室內(nèi)平均溫度與試驗測試結(jié)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(nèi)溫度模擬值與實(shí)測值的平均相對誤差為11.6％；相對濕度模擬值與實(shí)測值的平

6、均相對誤差為5.2％,精度提高了8.3％。溫室內(nèi)相對濕度的分布受通風(fēng)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(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,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)氣流流動模式,且各通風(fēng)窗在通風(fēng)換氣過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)域為出風(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)面積對室內(nèi)溫度分布有影響。天窗開度為10°時,室內(nèi)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(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℃,相對濕度則可多降6％。采用外遮陽與濕簾-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)對溫室模型內(nèi)氣流流動過程進(jìn)行定性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):天窗和側(cè)窗在通風(fēng)換氣過程中所起作用與CFD數(shù)值模擬結(jié)果一致,進(jìn)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?；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(shè)為“體積熱源邊界”條件,對以上復(fù)雜邊界條件的模擬結(jié)果表明:溫室中部測點(diǎn)平均溫濕度的模擬值與實(shí)測值的平均相對誤差分別為6.8％和7.9％。溫室中部測點(diǎn)總氣流速度模擬值與實(shí)測值平均相對誤差為15.0％；y向速度分量的模擬值與實(shí)測值的平均相對誤差為10.9