基于CFD的水稻育秧大棚环境数值模拟研究

孙　萌，呼云龙，梁春英，王　熙

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆　163319)



基于CFD的水稻育秧大棚环境数值模拟研究

孙萌，呼云龙，梁春英，王熙

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：针对育秧大棚内部空气流动对水稻秧苗生长环境的影响问题，分析了水稻育秧大棚内部环境分布情况。同时，利用Gambit对大棚进行三维建模、Fluent求解计算、CFD-post后处理分析，并运用k-ε湍流模型、太阳辐射追踪器、组分模型来计算模拟大棚内部温湿度场及气流速度场分布。结果表明：温湿度模拟值与测量值吻合较好，相对误差均控制在5%以内。本模型可以为其他气候和边界条件下的大棚环境预测、结构参数优化提供参考及理论依据。

关键词：水稻育秧大棚；计算流体；环境数值模拟；温湿度场；气流场

0引言

我国是世界上最主要的谷豆类生产和消费国，而水稻是我国生产面积、单产量及总生产值最大的作物，占世界稻谷总产量的34%[1]。黑龙江省作为我国水稻生产的主力军，全年气候变化十分显著，只有大约130天的无霜期，所以育秧是北方种植水稻必不可缺的一部分。为了改善培育水稻秧苗的环境质量、增大产量及壮苗率，研究大棚内部温湿度场和气流速度场的分布具有一定意义。

CFD在温室大棚中的应用普及范围十分广泛。陶冶[2]等对不同跨度和处于不同风向条件下的温室的风压情况进行了模拟分析，为设计温室提供了参考。孙迎龙[3]等对光伏连栋温室进行三维模拟，并对其内部的温度场进行模拟验证，确定了软件和模拟的可行性。段明辉[4-5]对北方寒冷地区冬季温室内部安装不同种类风扇及不同安装位置进行了室内环境分析。对温室进行三维建模，并对各种情况下温室内部温度场和气流场进行模拟研究。目前，对北方寒地育秧大棚内部气候的分析很少，本实验是以黑龙江垦区庆丰农场的水稻育秧大棚为研究对象，运用CFD对大棚内部的温湿度场及气流速度场进行模拟分析，结果表明：模拟值与测量值吻合较好，可为优化寒地水稻育秧大棚环境提供参考。

1育秧大棚环境数学模型

1.1控制方程及湍流模型

控制方程的通用形式为

(1)

其中，φ是变量，Γ是广义扩散系数，S是广义源项。

在育秧大棚门和卷帘均开通的情况下，大棚内部空气流动时属于湍流流动。由于使用标准k-ε模型时若遇到弯曲壁面和强旋流时会产生失真现象，所以本研究采用Realizable k-ε模型[6]，有

(2)

(3)

其中

σk=1.0,σε=1.2,C2=1.9

具体参数的选择详见文献[6]。

1.2太阳辐射模型

太阳辐射模型最主要有DO辐射和太阳辐射追踪器两种模型[7]，本研究采用的是solar ray tracing，输入准确的经纬度及时区来模拟太阳对大棚产生的辐射作用。

1.3组分模型

本研究是将大棚空气看作水滴与纯空气的组合来模拟其内部环境湿度的分布，方程为[6]

(4)

其中，cs为体积浓度；ρcs为质量浓度；Ds为扩散系数；Ss为生产率。

1.4土壤蒸发

由于本实验不考虑大棚内部种植的水稻秧苗，则土壤蒸发的水蒸气是棚内湿度的主要来源，方程为[8]

(5)

其中，Ms是土壤蒸发量；Xs为土壤湿度；Xi为空气湿度；rs是土壤边界层阻力。

2育秧大棚气候环境分析

本实验以2014年4月7日当天的气候环境为条件，大棚外部温湿度及风速的具体变化环境记录曲线如图1所示。当天是晴天，从图1(a)可以看出：大棚外部的温度按照太阳升落的时间有规律的变化，在14时温度处于最高点。从图1(b)可以看出：湿度的变化没有温度变化那样平缓，但是与温度的变化趋势是密不可分的，温度降低则湿度增加，温度提高则湿度降低。从图1(c)可以看出，风速随时间的变化。

(a)　大棚外空气温度

(b)　大棚外空气湿度

(c)　大棚外部气流速度

3育秧大棚环境CFP数值模拟

3.1物理模型及布点

1)大棚物理模型。本实验所模拟的是黑龙江垦区庆丰农场的水稻育秧大棚(东经133°04′，北纬45°47′)，是单跨度的以14mm的PVC塑料薄膜为覆盖材料的大型育秧大棚。大棚的几何特征：大棚为东西走向；长度90m，跨度12.5m，脊高3.3m；东西门均为高2m，宽2.2m；大棚南北两侧的卷帘均为距地面垂直高度0.7m，长81m，宽0.6m。对实体进行1∶1建模，大棚几何模型如图2所示。

图2　大棚几何模型

2)大棚测点分布图。经过分析设计，本实验对横向纵向共设定40个温湿度测量点，其中下3层水平截面均分布12个点，其纵向高度分别为0.2、1.1、2.1m。上面一层由于大棚结构所致，仅有4个测量点，其纵向高度为3m。大棚温湿度测量点分布图如图3所示。

(a)　主视图

(b)　俯视图

(c)　侧视图

3.2计算域的确定及网格划分

按照外部流体计算域的选择标准[9]，流体背风区域的总长度应至少多出大棚高度的10倍，并且阻塞度应小于5个百分点。在多次调试后，选择外部流体计算域(130m×82m×40m)。本实验采用Gambit2.4.6对大棚进行四面体网格划分，同时对门和卷帘部位进行网格加密，大棚内部达到110万个网格，总体共有330万个网格。计算域及网格划分如图4所示，边界条件及参数如表1所示。

图4　计算域及网格划分

在模拟的过程中对大棚设定1个速度入口及1个压力出口，流体计算域分别有大棚内部计算域和大棚外部计算域两个部分。其关键的边界条件及参数如表1所示。

2.3CFD数值模拟分析

本研究采用了3 500步的迭代计算至收敛，模拟值与测量值的吻合较好，温湿度对比结果如图5所示。其中，有4个温度点的误差超过3K，其余各点误差均在可接受范围内，相对误差控制在5%以下；4个相对湿度点的误差超过2%，其余各点误差均在可接受范围内，相对误差控制在5%以下，总体吻合度较好。因此，此次CFD模拟可行。

表1　边界条件及参数

(a)　温度

(b)　湿度

本实验采用FLUENT 14.0求解器进行求解，风向采用气象站采集的北风，即垂直于大棚从北部侧窗吹入。以育秧大棚所处的实际地理作为参考，x方向为北，z方向为东,y方向为上。图6～图8中：(a)分别为距西门6、32、58、84m的4个截面，(b)分别为距南侧3、6.25、9.5m的3个截面，(c)分别为距地面0.2、1.1、2.1、3m的4个截面。由图6可以看出：由于太阳照射及土壤蒸发作用，地面和大棚表面附近的温度略高，随着棚内高度的增加，温度呈降低趋势，迎风侧的温度略高于背风侧温度，南北温差大约1～2℃。沿大棚东西门方向，中部区域的温度较门附近的温度低，水平方向上大棚内温度分布较均匀。由图7可以看出：湿度随高度的增加呈下降趋势，迎风面湿度较背风面湿度高；在距地面0.35m处的相对湿度最高，达到36%；在距地面3m处相对湿度最低，约为28%；水平方向上大棚内湿度分布较均匀。由图8可以看出：大棚内的气流速度在靠近地和壁面处较大，在靠近门且距地面2.85m处的速度最大，达到2.5m/s；在距门较远的大棚中部距地面1.7m处的速度最小，大约0.13m/s；从迎风口进入的气流沿着大棚内壁流动，由背风面返回，在大棚中部形成涡流，使棚内的气流有较好的流动。

(a)　Z轴各截面温度分布

(b)　X轴各截面温度分布

(c)　Y轴各截面温度分布

(a)　Z轴各截面湿度分布

(b)　X轴各截面湿度分布

(c)　Y轴各截面湿度分布

(a)　Z轴各截面速度分布

(b)　X轴各截面速度分布

(c)　Y轴各截面速度分布

4结论

本研究采用CFD对水稻育秧大棚内部环境进行模拟，研究表明：在大棚东西两侧门及南北两侧卷帘均打开的情况下，大棚内部温湿度分布在横向及纵向均呈梯度变化；气流分布较均匀，能够使大棚内外部气体及热量较充分的对换；模拟值与测量值吻合较好。为了使大棚能为作物提供更加良好的生长环境，下一步将对大棚门和卷帘进行结构参数的调整来优化环境分布并研究种有水稻秧苗的育秧大棚内部环境分布情况。

参考文献：

[1]张卫建,陈金,陈长青.科学认识东北气候变暖充分发挥水稻适应潜力[J].北方水稻,2012,42(1):1-4.

[2]陶冶,吕家圣,乔克,等.Venlo型温室风荷载特性数值模拟研究[J].农机化研究,2014，36(6):45-48.

[3]孙迎龙,王新忠.光伏玻璃温室自然通风条件下的CFD模拟验证[J].农机化研究,2015，37(4):176-179.

[4]段明辉,杨方.冬季日光温室气流组织研究[J].农机化研究,2014，36(10):54-57.

[5]段明辉.冬季温室数值分析研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2014.

[6]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版,2004.

[7]温正,石良辰,任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京:清华大学出版社,2009.

[8]Josef Tanny, Shabtai Cohen, Meir Teite. Screenhouse microclimate and ventilation an experimental study[J].Biosystems Engineering,2003,84(3):331-341.

[9]吴德铭,都冶.实用计算流体动力学基础[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006.

The Numerical Simulation Model and Application of Rice Seedling Greenhouse Environment Based on CFD

Sun Meng, Hu Yunlong, Liang Chunying， Wang Xi

(College of Information and Technology, Heilongjiang August First Land Reclamation University, Daqing 163319,China)

Abstract：The study analysis the distribution of the internal environment of rice seedlings greenhouse for raising seedling shed internal air flow's influence on the rice seedlings growth environment problem. Use Gambit for greenhouses 3-d modeling, Fluent solving calculation, CFD - post post-processing analysis.Using the k-ε turbulence model, the solar ray tracing, species model is used to calculate temperature and humidity and air velocity field distribution inside the greenhouse .The results show that the temperature and humidity accord well with those of simulated values and measured values , control the relative error within 5%. This model can be used for other climate and boundary conditions of greenhouse environment prediction、offer reference and theoretical basis for optimization of structural parameters.

Key words：rice seedlings greenhouse; computational fluid; environment numerical simulation; temperature and humidity field; the airflow field

文章编号：1003-188X(2016)01-0028-05

中图分类号：S625.5

文献标识码：A

作者简介：孙萌(1991-)，女，黑龙江海伦人，硕士研究生，(E-mail) 782875786@qq.com。通讯作者：梁春英(1971-),女，山东商河人，教授，博士，(E-mail)ndliangchunying@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD04B01-06)；黑龙江农垦总局攻关项目(HNK125B-04-10)

收稿日期：2014-12-24