作物高度对温室自然通风影响的CFD分析

郑茂军，毛罕平

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江　212013)



作物高度对温室自然通风影响的CFD分析

郑茂军，毛罕平

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江212013)

摘要：近年来，随着计算机性能和技术的发展，计算流体力学在设施农业中得到了广泛的应用。为此，基于CFD数值方法，在Venlo型温室自然通风条件下，对不同作物高度的室内气流和温度分布进行了数值模拟。结果表明：不同作物高度对温室自然通风气流速度变化影响显著；室外风速1.5m/s时，温室高度1.2m处室内气流速度低于0.2m/s；作物高度对温室内沿跨度方向温度阶梯变化影响较大，作物高度越高，温度阶梯变化越明显。最后，根据仿真得到不同作物高度自然通风温室1.2m高水平面的平均温度，得出作物高度对自然通风温度的影响规律。

关键词：温室；自然通风；作物；CFD；温度模型

0引言

Venlo型小屋面玻璃温室起源于荷兰，具有密封性好、透光率高、使用寿命长等优点，目前已经成为世界上使用地域最广、数量最多的玻璃温室形式[1]。自然通风通过温室侧窗和天窗进行通风，由于其维护方便、不需消耗额外的能源，已经成为温室环境调控的首选方式。

温室通风的研究起初是通过示踪气体法[2]对温室的通风率进行试验研究，但示踪气体法不能反映温室内的气流和温度的分布。随着计算流体力学理论的完善和计算机技术的提升，很多学者(Kacira、Fatnass等[3-6])开始使用CFD对温室自然通风开窗组合及有作物的自然通风等进行数值模拟。本课题组前期曾对Venlo型温室自然通风情形进行CFD数值模拟。程秀花[7-8](2009年)研究表明：室外风向对温室内气流分布模式有明显的影响；针对作物种植密度对温室自然通风气流分布的影响进行CFD数值模拟，表明所建模型准确反映了实际情况，建立的仿真模型温度预测误差率降低到6.8%。但是，都没有对作物高度对自然通风温室温度的影响规律进行研究。

本文以Venlo型两连栋玻璃温室为研究对象，采用天窗和侧窗都开启的通风组合，在室外风速1.5m/s、保持其他边界条件相同的情况下对不同作物高度的室内气流和温度分布进行三维稳态数值模拟，旨在为Venlo型温室作物不同时期的自然通风调控提供一定的理论依据。

1自然通风机理模型

对温室作一定的简化，基于温室内质量和能量守恒，建立Venlo型温室自然通风的温度预测模型[9]，有

Qrad+Qc-Ql-Qleak-Qv-Qtran-Qs-Qsoil

(1)

其中，Qrad为太阳辐射进入温室的能量(kJ)；Qc为围护结构的热传导能量(kJ)；Ql为长波辐射散失的能量(kJ)；Qleak为温室渗透散失的能量(kJ)；Qv为自然通风散失的能量(kJ)；Qtran为作物蒸腾所需要的能量(kJ)；Qs为作物和空气间的显热交换能量(kJ)；Qsoil为土壤传热散失的能量(kJ)。

自然通风引起的能量变化Qv[10]为

(2)

(3)

其中，L为自然通风下温室的通风量(m3/s)； S为温室有效通风窗的面积(m2)； Cd为流量系数；Cw为综合风压系数； U为室外平均风速(m/s)。

2CFD数值模拟

2.1计算流体动力学

计算流体动力学可以看作是以流动控制方程为基础控制流动的数值模拟，可得到流体在空间上的分布。温室内的空气流动多为低速流动，流体温度和密度变化不大，故可将温室内空气看作不可压缩流体[11]。国外学者研究均认为：温室内的气体流动为定常流动，对温室内气流场和温度场进行研究时，采用湍流模型进行计算模拟是符合实际情况的[12]。有学者研究表明，在研究温室内作物的作用时可以将其作为多孔介质来处理。本研究采用广泛使用的标准k—ε湍流模型求解气体传输过程中的湍动能k和湍动能耗散率ε，控制方程包括连续性方程、动量方程、k(湍动能)方程和ε(耗散率)方程。这些方程都可以表示成如下通用形式[13]，有

(4)

其中，φ为广义变量；Γ为扩散系数；S为源项；u为x方向的速度(m/s)；v为y方向的速度(m/s)；w为z方向的速度(m/s)；ρ为密度(kg/m3)；t为时间(s)。

2.2几何模型

本研究以江苏大学试验基地内的Venlo型玻璃温室作为研究对象，温室参数如表1所示。温室的天沟为南北走向，覆盖物为4 mm的浮法玻璃，透光率大于89%。

表1　温室相关参数

使用Fluent前处理软件Gambit进行温室三维几何造型的建模，按照1:1的比例，以温室东北角为零点，地面北边位于X轴上，屋脊方向为Y轴，高度方向为Z轴，在Gambit中建立温室区域的各关键点，采用“点—线—面—体”的方式建立温室三维几何模型。番茄作物区域用长17.5m、宽0.9m、高1.8m的立方体表示，如图1所示。

图1　温室三维几何造型

2.3计算域及网格划分

由于自然通风温室通风口处气流流态比较复杂，仅把温室室内作为计算域，CFD 模拟的外界条件难以准确给定。因此，有必要将温室室内空间连同其周围的一部分室外空间一起作为 CFD 模拟的计算领域，才能对温室通风的过程进行较准确的研究。参照风洞模型的试验[14]，试验要求模型所在流场中的阻塞度不大于5%。选取温室尺寸的10倍(128m×20m×40m)作为计算域。本文采用非结构化网格对计算域进行划分，温室通风窗口处防虫网的气流流动状况复杂，因此网格划分时应对通风窗口进行加密处理。

2.4边界条件

设定温室侧窗对应的计算域为进风口，自然流出为边界；作物区域类型设定为流体多孔介质；采用DO辐射模型计算温室外太阳辐射对室内微环境的影响。

2.5初始化及计算方法

以课题组在2008年7月27日试验温室中实测的室内外温度、太阳辐射的平均值[8]为数值模拟计算的初始值，室外风速为1.5m/s。能量、动量方程的求解采用二阶迎风格式进行离散化处理，压力-速度耦合方程的求解采用SIMPLEC半隐式算法求解，应用分离式求解器对各守恒方程进行3D稳态数值求解。

2.6CFD模型验证

通过对作物高度1.8 m的Venlo型玻璃温室自然通风进行CFD仿真，得到温室内1.2m高的水平面平均温度为33.7℃；课题组在2008年7月27日测得室内平均温度为34℃，相差0.3℃，模拟结果与试验测试结果吻合较好。因此，所建立的CFD自然通风模型模拟结果可靠。

3不同作物高度仿真结果与分析

3.1不同作物高度温室内气流速度空间分布

相同边界条件下，对作物高度分别为0.5、1.0、1.5、2.0m 4种情形，室外风向垂直于屋脊的自然通风进行CFD数值模拟。

作物高度分别为0.5m和1.5m，沿屋脊方向(Y=4m、Y=10m和Y=16m)的温室截面气流流动如图2所示。Y=4m截面处为西向开启天窗，Y=10m截面处无天窗，Y=16m截面处为东向开启天窗。由图2可以看出：室外自然风作用于温室后，从侧窗进入温室，经过温室内质热交换主要从东向天窗流出，由于气流的卷吸作用，在靠近侧窗处形成大小不等的涡；靠近侧窗处的天窗气流流动速度较快，远离侧窗的天窗气流流动速度较慢。比较图2(a)和图2(b)发现：作物高度对气流流动分布的影响明显。由于侧窗高度为0.7m，由图2(a)可以看出，高度为0.5m的作物对室内气流分布的影响很小；图2(b)可以看出，高度为1.5m的作物对室内气流分布影响明显。气流进入温室后主要沿着冠层表面流动，在不同栽培槽之间形成涡，越靠近侧窗，涡越明显；作物外侧有气流流动，作物中间气流速度很小。

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1.5m

图3为温室高度1.2m，沿温室跨度方向的气流速度变化。4条曲线分别为作物高度0.5、1.0、1.5、2.0m室内气流速度的变化。由图3可以看出：靠近侧窗处的气流流速较快，室内1.2m高的位置气流速度都在0.2m/s以下。高度为0.5m和1.0m的作物对该位置气流速度影响不大，其中高度为0.5m的作物在跨度9m附近气流流速较高是因为气流卷吸作用，在该处形成涡，导致气流速度较快。高度为1.5m和2.0m的作物对室内气流速度影响明显，速度变化曲线基本一致，由于作物位置的影响，在X=3、5、7、9、11m处气流速度接近于0。

图3　沿温室跨度方向气流速度变化图(Z=1.2m)

3.2不同作物高度温室内温度空间分布

图4所示为作物高度为0.5m和1.5m，沿屋脊方向(Y=4m、Y=10m和Y=16m)温室截面的温度场分布。

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1.5m

由图4可知，靠近侧窗处的温度较低，远离侧窗处的温度较高，作物根部温度较高。沿屋脊方向，Y=16m处(东向侧窗)的温度阶梯变化较小，Y=10m处(无天窗)的温度阶梯变化较大。由图4(a)和(b)可以发现：作物高度不同对自然通风的温度场的影响明显，作物高度越高，远离侧窗的位置温度越高。

4模型修正

4.1自然通风模型修正

通过对不同作物高度，自然通风温室内温度的数值模拟发现，作物高度对自然通风引起的能量变化有显著影响。自然通风引起的能量变化模型中考虑了通风窗的面积、开启角度及温室结构等影响因素；但模型中并未包含温室内作物对自然通风的影响，故应对自然通风模型进行修正。添加作物高度影响系数kch，修正后的自然通风模型为

(5)

4.2曲线拟合

选取通风窗口中心高度1.2m为室内温度参考平面，对各作物高度自然通风下该平面的平均温度进行CFD模拟，得出Tch=0.5、Tch=1.0、Tch=1.5和Tch=2.0分别为33.96、34.56、34.62、34.66℃。试验温室外温度为31.9℃，太阳辐射为11.8klux。代入式(1)中计算得到作物对通风影响系数kch=0.5为0.97、kch=1.0为0.91、kch=1.5为0.87、kch=2.0为0.86。作物高度为0时，作物高度对自然通风引起的能量变化无影响，即kch=0为1。使用MatLab曲线拟合工具箱进行曲线拟合，表2为3种曲线拟合相关系数，四阶多项式拟合相关系数为0.999 3，故选用四阶多项式进行曲线拟合。

表2　各拟合曲线相关系数

拟合得到曲线函数为

kch=-0.026 67x4+0.146 7x3-0.233 3x2+0.023 33x+1

(6)

其中，x为作物高度。

5结论

1)通过对不同作物高度自然通风进行CFD仿真，得出作物高度对自然通风温室内气流分布影响明显，以温室高1.2m为室内气流变化参考面，1.2m处气流速度较低，小于0.2m/s。作物高度低于参考面时对气流分布影响较小，作物高度高于参考面时对气流分布影响较大。作物栽培槽之间气流速度较大，作物所在区域气流速度较小。

2)作物高度不同时对温室内温室随跨度方向阶梯变化影响较大，作物高度越高，温度阶梯变化越大。作物所在区域中间部分的温度比作物两侧的温度较高。

3)对不同作物高度自然通风平均温度的CFD仿真，通过Venlo型温室温度预测模型得出作物高度影响系数，拟合得到作物高度对自然通风引起能量变化的函数关系。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0020-EA

CFD Analysis about Effect of Plant Height on Natural Ventilation in Greenhouse

Zheng Maojun,Mao Hanping

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology,Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China)

Abstract：In recent years, with the improvement of computer performance and technology,computational fluid dynamics method has been widely used in facility agriculture.The paper study the distribution of air flow and temperature under different height of crop in a naturally ventilated Venlo greenhouse with computational fluid dynamics method.The results for the natural ventilation show the significant effects of different crop height on air flow velocity in greenhouse.The air velocity at the height of 1.2m in the greenhouse is less than 0.2m/s while the outdoor wind speed at 1.5m/s.Crop height had a greater influence on the temperature variation along the span direction in the greenhouse.The higher crop height grows, the more obvious temperature change.The average temperature at the level of 1.2m was obtained by the simulation, the influence rule was obtained in crop height for the temperature on the natural ventilation.

Key words：greenhouse； natural ventilation； crop； CFD； temperature model

文章编号：1003-188X(2016)05-0020-04

中图分类号：S625.1+1

文献标识码：A

作者简介：郑茂军(1987-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，(E-mail)zhengmaojun811@163.com。通讯作者：毛罕平(1961-)，男，浙江宁波人，教授，博士生导师，(E-mail)maohp@ujs.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金重点项目 (61233006)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD08B03)；江苏高校优势学科建设工程项目(苏政办[2014]37号)

收稿日期：2015-04-08