计算流体力学在设施农业的应用

周阿连，陈 静

（烟台职业学院 信息工程系，山东 烟台 264670）

1 引言

温室内的气候环境变化是非常复杂的，研究者需要做大量的反复实验，人力财力都消耗很大.计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响.CFD作为一种模拟仿真工具，最先是在化学、汽车、航空、石油等领域发展起来，在1989年，由Okushima等第一次用计算流体力学（CFD）来研究温室的通风情况.现在许多研究者用CFD来模拟温室内的气候环境，用以研究外界控制对室内环境的关系.

2 CFD软件简介

计算流体力学（CFD）是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学.它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题.自1981年，英国CHAM公司推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS以来，迅速在国际软件产业中形成了通称为CFD软件产业市场.在温室内气候模型方面，起初用商业CFD包PHOENICS V3.1（CHAMLtd，London，UK）.后来到商业CFD包 Fluent 5（Fluent Inc.，Lebanon，USA）和 CFX等.这几个软件包提供了相似的工具用来模拟室内气候，都可以和标准个人计算机和多处理器计算机上运行.CFD软件依赖复杂的模拟（如变量个数，流体种类）和网格的尺寸，与传统的实验相比优点在于，可以减小时间和成本，对大范围的参数进行优化，传统的实验是不可能做到的.

3 国内外研究现状

CFD技术用来做温室内部气候模型和针对通风影响研究改善结构设计是一个强大的工具.它在工业的应用如航空、运输机和化学比较广泛，在设施农业的应用研究才刚刚起步.大多研究都是和通风相关的.

3.1 在温室应用方面

随着科技的发展及CFD程序的改进，用空气的传送方程计算通风，使得在温室气候方面的标量和矢量领域的研究简单化.这个技术不但可以应用到温室的一般情况的模拟，如自然通风、机械通风，还可以让我们考虑温室内的特征，如防虫网和栽培的作物等.

3.1.1通风

自然通风是系统通常用来控制温室气候的，它需要很少的能源和设备操作以及维护，它比其他系统在控制温室空气温度方面要便宜的多.在夏季，主要的季节用来降低温度和增加湿度；当在冬季，通风是为了减少过高的湿度.对温室控制系统来说，为了作物特殊的气候条件，一个有效的通风系统是必要的.外部的流动在温室周围通常是很复杂的，在温室内进风口和出风口的位置直接影响内部气流循环，是影响通风的最重要因素.自然通风的动力是依靠风速和内外温室的温度差异.通常，风的影响超过浮力[1].

1989年Okushima[6]等第一次用计算流体力学（CFD）来研究温室的通风情况，他用数字方法和1984年Sase在风道获得实验结论[7]进行比较.在那时由于有限的计算机资源，尽管他们的结果表明与实验数据没有联系，但他们提供了在温室内流动形式的重要的新信息.直到1996年Bot等在二跨温室内CFD模拟与用音速风速仪获得的数据比较才再一次应用.Al－Helal（1998）[8]用CFD模型研究自然通风在干旱区域的温室，比较模拟结果由能量和大量平衡模型决定的平衡模型有很好的一致.Boulard等(1999)[9]研究了自然通风（热和产生的风）在缩小比例温室里用二维方法.2001Montero等通过温差和比例模型的风引起的通风进行了分析[10].童莉等研究了机械通风条件下连栋温室速度场和温度场的CFD数值模拟[11].李永欣等用CFD数值模拟Venlo型温室夏季自然通风降温的效果[12].

目前，大多的研究者在自然通风方面的研究是基于用烟追踪技术估计全部的空气交换率[2]和用能量守恒模型模拟均匀空气温度[3].在研究通风在温室气候控制上，建立了许多数字函数，不同的环境变量可以直接与通风率联系，如风速和风向，太阳辐射或内外温度.也因为很多的变量参数，所以还没有人研究出一个通用的温室通风模型[4].

3.1.2 考虑植物等其他因素

然而，有一个重要的不足在研究由风或浮力压力引起的温室内的气流方面缺少信息.因此，大多作者表现温室内的气候条件为统一的温度和空气速率在作物区和植物上方区域没有区别.Haxaire（1999）是第一个研究在温室内部的气流中作物的影响，他在风道中实验，研究了作物叶面积指数和由不同空气速率产生的压力下降的关系.这个关系后来应用在CFD对遮蓬在内部气候的影响调查上.Lee和Short（2000）也研究了一个CFD模型决定空气速度和压力在作物的关系.Reichrath等（2000）用实验数据与CFD预测一个商业的60跨内种番茄作物的纹络型温室内部环境，获得很好的一致.

近来，Bartzanas等（2002）研究了隧道温室通风的影响由防虫网引起的压力，每个优良的抵抗牧草虫和抵抗蚜虫的网安在通风口也在商业温室内由三维模拟.

3.1.3 温室建筑结构设计

在自然通风Almeria型温室内的气流已用二维的方式分析过和三维模拟.Kacira等1998也评估多跨锯齿温室的通风在几个环境条件.郭万东等用CFD模拟温室结构风压，对温室结构设计提出建议.

3.2 在畜禽舍应用方面

计算流体力学在工程设计是一个高级的技术，在其他类型的农业研究逐渐增加，在畜舍环境方面，研究在家畜身体周围由于对流引起的热浮力流动.多墙有进风口的畜舍的通风情况，在风道里采用30分之一的奶牛场比例模型试验，研究自然通风下的空着牛舍，在屋顶开启角度的不同，内部空气和污染物的情况.用计算流体力学模拟有多头牛在空间内的流场.预测了在夏季实验的猪舍内氨的分布.预测机械通风的猪舍内微粒的传送.在对畜舍结构研究方面，在风道里模拟自然通风猪舍内气流状况，获得畜舍的设计参数，温室结构的动力学阻力的实验[13].在自然通风下猪舍的比例模型的挡风物对气流的影响[14].研究了啮齿动物绝缘笼的通风.通过模拟对畜舍的大小，形状等提出改进[15].这些研究在对改善畜舍内的环境，对畜舍设计的改进都提供了很好的依据.

4 分析与讨论

4.1 CFD模拟方法讨论

在对温室或畜舍的CFD模拟过程中，有研究等比例模型和小比例模型的，有用二维和三维的方法来进行模拟的，选择比较合适的方法需要针对不同的问题，也要考虑到计算机本身的限制.

大多数研究通风的实验是在等比例温室模型里用追踪技术.这种方法更贴近真实的情况，但在等比例温室要确定准确实验的边界条件是很复杂的，因为气流即使在很小的速率下也是紊乱的，所以研究内部的对流循环是非常复杂的，而且大型的玻璃温室，不能做成等比例模型放到风道与CFD模拟比较.而且大型的玻璃温室，不能做成等比例模型放到风道与CFD模拟比较[5].

4.1.2 半/小比例模型模拟

若有定义好边界条件的稳定状态可以在比例模型里的实验室实验.缩小比例的温室模型可以容易的控制外界条件，最常用的就是风洞实验，通过调节外界的风速变化，分析室内的气流场，但也因为是在人为控制的环境下，所以与真实的环境有一定的差距.

4.1.3 二维模拟

在对温室环境进行模拟时采用二维模拟，可以减少模拟过程的复杂性和大大减少计算量.

4.1.4 三维模拟

在二维模型不能满足精度时就需要三维模型，但需要一台超级计算机.三维模型可以提供更精确的温室气候变化的三维信息，但需要更全面的准确的数据.

4.2 CFD模拟结果的验证

CFD的准确性主要依赖于设计者的技术、经验和知识，需要更多可信赖的数据验证CFD模拟结果，可将验证CFD模拟结果的方法分为以下几类：

4.2.1 与传感器测试结果比较

通过在实际环境中，用传感器测得的数据与CFD模拟的结果比较.对于简单的验证是可行的，但对于模拟结果的整体准确性验证，有明显的不足.实验验证传感器布置较多，实现的是单点测试，无法知道全场信息，容易把局部关键点信息丢失，对于工况较多的情况下的试验量较大；

4.2.2 与风洞测试结果比较

风洞环境下，在缩小比例模型内，通过传感器实测结果进行比较，与上述传感器测试结果比较有相同不足，但工作量相对较少.

4.2.3 与模型比较

模型的计算只能得到整个环境的平均测量值，不能得到局部各点的详细数据.

4.2.4 与风洞内PIV测试结果比较

粒子图像速度场仪（PIV），因为它直接在空气中追踪烟颗粒或其他媒体，可以准确的获得全部流动域的流动速度，可用来作为CFD模拟结果验证，是一个较好的方法，PIV技术在农业环境的应用才刚刚起步，此方面的文献还不多见.

5 结论

CFD的数值模拟，节省实验所需的人力、物力和时间.用CFD模拟一个虚拟实际情形可以很通用而且相对便宜，可以为实验提供指导，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用.但因为测量的空间密度不足够密，不能任意点都与模拟比较，不能充分的准确预测内部有代表性的气候，所以这些模拟的结果是定性的，目前，虽然已建立的多种参数的通风模型，但由于大量的气候参数变量，没有一个温室的通风模型为通用的，没有普遍性.

CFD的前景和它在温室研究的应用，在温室设计、操作、和控制策略方面，对参数的研究可能导致革命性的变化，未来可以把CFD模型数据嵌入到温室控制系统中改善对温室气候的风速、光和温度的变化的相应；确定通风系统的特征，提供对内部气候条件有效控制.

CFD模拟方法和验证方法，需要根据实验条件、计算机硬件条件以及验证精确度，确定不同的方法，对于高精度CFD模拟验证，PIV测试是一个比较新颖、准确性好的方法，值得进一步探讨.

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