栽有作物的圆拱型连栋温室强制通风气流场模拟

毛羽西，毛罕平

(江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，江苏 镇江　212013)



栽有作物的圆拱型连栋温室强制通风气流场模拟

毛羽西，毛罕平

(江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，江苏 镇江212013)

摘要：为了研究连栋塑料温室在强制通风情况下内部风速场，采用流体力学分析软件Fluent软件建立圆拱型连栋塑料温室强制通风模型加以分析。温室内栽种作物以番茄为例，研究了作物高度为0.5、1、1.5、1.8m条件下温室内部的气流分布情况。数值模拟结果表明：作物对强制通风情况下温室内流场有较大影响，作物区域空气流速变化平缓，作物上部风速迅速增加；由于作物明显阻碍气流运动，不同作物高度的温室内气流分布存在较大差别。

关键词：连栋塑料温室；fluent；气流场模拟

0引言

温室内部气流速度适宜可改善温室内部的温度、湿度、二氧化碳浓度等环境条件，还可以促进作物的光合、呼吸和蒸腾作用，是温室环境调控的重要内容。强制通风是夏季常用的调节温室内部气流的方式之一，通过风机抽风在温室内形成负压，强制温室外新鲜空气通过湿帘进入温室，起到调节作用。因此，研究强制通风下温室内部风速场有重要意义。温室内部栽培的作物无疑对温室内部风速分布产生重要影响，然而目前关于此内容的研究相对缺乏。本文将着重研究栽有不同高度作物的圆拱型温室强制通风条件下的气流场。

CFD通过各种离散化的数学方法，对流体力学相关的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，在20世纪90年代左右被用于温室环境相关研究中[1]。目前，CFD模型的平均误差在30%左右，而由于温室几何结构相对简单，因此CFD方法用于温室环境模拟的结果较为理想，一般误差在13.5%左右[2]。

本文针对常见的圆拱型连栋塑料温室，利用CFD技术建立温室三维模型，模拟强制通风情况下温室内部的气流分布规律，并研究不同作物高度的影响，为温室环境控制管理与温室设计提供理论依据。

1温室CFD建模

温室位于北纬39.9°，东经116.3°；屋脊南北走向，跨度为8m，连跨数3，总跨度24m；开间3m，开间数为6，总长18m；温室肩高3m，顶高4.9m。温室顶部覆盖双层充气薄膜，南墙为PC板，装有6台风机，北墙装有湿帘，湿帘高1.2m。

在Gambit建模中，以y轴作为竖直方向，x轴指向东方，z轴指向南方，原点位于温室西北角地面，模型与真实温室比例为1∶1，采用六面体代替每槽番茄。

2数值模拟

2.1计算域选择与网格划分

在模拟温室强制通风情况，通常采用整个温室作为计算域[3]，本文也选取整个温室作为计算域。

温室主体网格划分采用非结构化网格，以TGird方式划分，对湿帘风机处网格进行加密处理；作物采用结构化网格，以Map方式划分。根据Equip Angle Skew质量控制法，4种作物高度模型的QEAS在0～0.5之间的比例分别为90.83%、90.91%、88.97%、90.91%，网格划分有效，计算结果可靠。

2.2边界条件与初始环境

课题组前期研究中，模拟强制通风设定湿帘入口速度边界条件，风机为outflow，模拟结果较好[4]。本文采用同样设置。温室顶、四周与地面设置为wall，屋顶与南墙热边界条件为Heat flux，北墙与东西墙为对流换热。太阳辐射采用DO辐射模型，以Solar Calculator根据经纬度计算。

番茄设置为多孔介质，动量源项与番茄冠层特征及温室内空气流速的关系为

其中，K为多孔介质渗透率，对于番茄一般可以取0.395m2计算[5]；Cf代表非线性动量损失因子，可取0.4[6]；LAI为叶面积指数；CD是作物冠层阻力系数，根据风洞测试，成熟的番茄取0.32[7]。

初始环境根据实际试验数据确定[8]，土壤温度为24.79℃，温室外太阳辐射强度837.3W/ m2，温室湿帘入口处平均风速为1.24m/s，风机口平均风速为3.02m/s。

2.3CFD模型验证

试验数据由陈忠购于2003年7月19日测得[8]，共布置39个测点测量温室内气流场。模拟结果与温室实测结果比较：沿z轴方向各面平均风速的平均相对误差为12.3%，最大相对误差为18.4；沿x轴方向各面平均风速平均误差为13.4%，最大相对误差为19.4%，如图1和图2所示。模拟值于实测值变化趋势均一致，误差在允许范围内，表明本研究中所建立的CFD模型可正确反应圆拱型连栋塑料温室内气流分布，因此将以此模型分析温室中气流分布情况。

3结果与分析

图3中3个截面的x坐标分别为2、12、19m。其中，x=2m处截面下部有番茄，该截面通过风机中心位置；x=12m处截面处于整个温室正中，下部有番茄，处于两台风机中间，不通过风机；x=19m截面下部无作物，不通过风机。

图1　沿z轴方向平均风速变化

图2　沿x轴方向平均风速变化

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1m

(c)　作物高度1.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(d)　作物高度1.8m

图3中可以看出：湿帘上方出现明显回旋，而随着作物高度上升，进入温室的空气向上爬升坡度变陡，导致回旋变小。风机出风口处形成“射流”，风速最大。温室底部作物区内风速很小。温室中部风速变化较缓和，分布均匀，有利于作物生长。

图4中3个截面为图3同截面。由图4可以看出：风速在垂直方向的变化，风速在作物区较低，高于作物后风速随高度增加而升高，在靠近温室顶时风速迅速减小。在温室屋脊方向，风速从湿帘到温室内部逐步降低。当温室内作物高度较低时，这一变化较为缓和；当作物高度较高时，气流被作物阻挡明显，气流较为紊乱。风机口风速呈球形放射状向外递减，变化剧烈。

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

由图5可看出：作物内部风速很低，低于0.1m/s，而作物边缘部分风速略高，约为0.1～0.2m/s；受两侧作物影响，温室中部作物之间的风速也较低。由图5(b)可以看出：在高度略高于作物处，风速也受到作物影响，作物正上方处风速比周围减少约0.1m/s。

(a)　高度0.5m处　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　高度2m处

图6中截面z轴坐标分别为3、9、17m。由图6(b)中可看出：当作物高度较高时，z=3m截面距离湿帘较近，作物对风速的阻碍作用明显，沿x轴方向风速变化显著；z=9m处截面位于温室中部，作物之间的风速已经较小，低于0.2m/s；截面3靠近风机，由于风机强制通风，风机附近风速迅速增加，只有距离风机较远的几槽作物对风速影响明显。当作物高度较低时，作物对风速的阻碍并不明显，风速沿x轴方向分布均匀。

(a)　作物高度0.5m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　作物高度1.8m

图7为高度为0～3m内风速随高度变化规律。贴近地面处不在气流入口正前方，并且存在作物阻碍，风速较低，约为0.23m/s。高度低于作物高度时，风速随高度增长缓慢上升，在高于作物后风速迅速增加。作物高0.5m时，作物对气流的阻碍十分有限，风速在湿帘—风机中心高度1.2m处取得最大值。而作物高度为1m时气流被迫抬升，风速最大值位置高于1.2m。对于作物高度取1.5m和1.8m的情况，大量空气从拱顶通过，导致风速最大值点高于天沟，接近拱顶的位置。

图7　风速沿竖直方向变化规律

4结论

1)作物对强制通风情况下温室内部气流分布影响明显，作物区域及附近的风速较低。温室内部存在湿帘风机两边风速高，而内部风速较低的情况。温室设计时应当考虑到此影响，可采用环流风机等机构确保温室内风速分布均匀。

2)不同高度作物对温室内气流场影响不同，作物高度低时影响较小，温室内气流分布与空温室接近；而作物高度较高时，作物区的风速较低，导致作物区域无法得到良好的通风效果。在夏季采用强制通风降温时需考虑作物影响，在作物高度较高时增加通风量。

参考文献：

[1]Franco A, Valera D L, Pena A, et al. Aerodynamic analysis and CFD simulation of several cellulose evaporative cooling pads used in Mediterranean greenhouse[J].Computers and Electronics in Agriculture, 2011,76(2):218-230.

[2]程秀花.温室环境因子时空分布CFD模型构建及预测分析研究[D].镇江:江苏大学,2011.

[3]童莉,张政,陈忠购，等.机械通风条件下连栋温室速度场和温度场的CFD数值模拟[J].中国农业大学学报,2003,8(6):33-37.

[4]李本卿.强制通风条件下Venlo型温室内气流场和温度场的CFD数值模拟研究[D].镇江：江苏大学:2009.

[5]Bartzanas T, Boulard T, Kittas C. Numerical simulation of the airflow and temperature distribution in a tunnel greenhouse equipped with insect-proof screen in the openings[J].Computers and Electronics in Agriculture，2002,34:207-221.

[6]程秀花,毛罕平,伍德林，等.栽有番茄的玻璃温室内气流场分布CFD数值模拟[J].江苏大学学报,2010,31(5):510-514.

[7]Mofina Aiz F D, Valera D L, Alvarez A J. A wind Tunnel Study of Airflow through Horticultural Crops: Determination of the Drag Coefficient[J].Biosystems Engineering,2006,93(4):447-457.

[8]陈忠购.CFD在机械通风的华北型连栋塑料温室的应用研究[D].北京,中国农业大学,2004.

Abstract ID:1003-188X(2016)05-0028-EA

CFD Simulations of Airflow Distributions Inside Arched Multi-span Greenhouse with Crops

Mao Yuxi, Mao Hanping

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

Abstract：In order to analyses the airflow field in greenhouse, using the computational fluid dynamic software fluent to establish mechanical ventilation model of arched multi-span plastic greenhouse.In the condition of four tomato crops height, this study discussed the air distributions.The result shows that the plants play an irreplaceable role in the compulsory aeration.The airflow velocity changes little in the crops areas,but the flow rate in the areas above the tomato crops increase rapidly.Because of the hindrance of plants to the airflow,the different heights of plants make a great contribution to the difference of airflow field.

Key words：plastic covered multi-span greenhouse; fluent; airflow field simulation

文章编号：1003-188X(2016)05-0028-04

中图分类号：S625.5+3

文献标识码：A

作者简介：毛羽西(1990-),女，江苏扬州人，硕士研究生，(E-mail) maoyx90@163.com。通讯作者：毛罕平(1961-)，男，浙江宁波人，教授，博士生导师。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD08B03)；国家自然科学基金重点项目 (61233006)

收稿日期：2015-04-19