环流风机布置对温室内流场影响的CFD模拟

洪亚杰，王新忠，李亮亮，陈 健，卢 青

(1.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

在我国很多地区，夏季气候的主要特点是高温和高湿，随着太阳辐射的增强温室内部的温度会急剧升高，不适宜作物的生长[1-2]。自然通风受外界影响较大，且降温效果不明显，难以达到作物生长的要求，需要采用机械通风强制空气流动，从而保证温室的正常生产[3]。

国内外学者针对温室夏季通风降温开展了广泛研究。Dayan[4]对比了连栋温室自然通风、自然通风+遮阳及风机+湿帘降温方法，给出不同降温措施的降温效果。Flores-Velazquez[5]对机械通风工况下温室内部温度分布进行模拟，得出机械通风时降温效果受温室长度限制，且降温效果不均匀。黄全丰[6]针对机械通风情况下温室内的温度场进行研究，得出从湿帘到风机水平和竖直方向都存在温度梯度，且温室中部温度相对较低。针对夏季温室内部竖直方向上梯度较大的问题，张树阁[7]进行了不同湿帘风机安装高度对降温效果影响的对比试验，得出提高湿帘和风机的安装位置可以降低温室内植物冠层的温度的结论。相关文献表明：在研究手段上，CFD模拟已经被证明是研究温室内气流场和温度场分布的可行手段[8-13]。目前，对于机械通风的研究主要以塑料大棚温室和普通Venlo型温室为对象，针对新型结构的大肩高连栋玻璃温室夏季机械通风时降温效果及在机械通风时环流风机所起的作用的研究还未见报道。

本文以6m肩高连栋玻璃温室为研究对象，对其夏季机械通风状态下室内流场分布进行CFD数值模拟，并进一步探讨温室环流风机布置对夏季机械通风降温的影响，为夏季温室的生产调控和结构设计提供理论支持。

1 试验方案与CFD建模

1.1 试验温室

试验用连栋玻璃温室肩高6m，东西共3跨，跨度分别为12、16、12m，共宽40m；南北5个开间，每个开间8m，共长40m；温室面积为1 600m2。温室屋顶和四周覆盖5mm钢化玻璃，温室四周布置门窗系统。湿帘安装在北面山墙上，长40m，高1.8m，厚0.1m，湿帘底边距地面0.8m。湿帘配有外翻窗，外翻窗打开时可为湿帘提供进风通道。风机安装在湿帘对面山墙，风机直径1.38m，轴心距地面1.5m，每台风机为流量4 000m3/h的排风扇。试验温室的平面布置如图1所示。试验期间，温室内种有西葫芦，高度约0.8m，种植区域距离四周墙壁各2m。

1.2 试验方法

试验安排在2017年8-9月进行。温室外部温度、湿度、风速风向、太阳总辐射及光照度等数据，由放置在距温室南墙50m处的空旷地面上的TYD-ZS2型环境数据记录仪自动采集。温室内温湿度由ZDR-3W1S温湿度自动记录仪记录，具体安装位置如图2所示。

图1 试验温室平面布置示意图

图2 温室内温湿度记录仪布置

每个记录仪包括3个温度传感器和1个湿度传感器，为测量温室内部植物冠层温度情况和温室内部竖直方向上温度的变化，根据温室肩高和作物的高度，将每个记录仪上的3个温度传感器分别布置在离地1、2、4m高度，1个湿度传感器布置在离地1m高度。温室四周玻璃、屋顶、湿帘、地面及作物叶片温度利用Fluke568/566红外接触式点温仪手动测量。

1.3 试验温室CFD建模

1.3.1 计算域选择和网格划分

在构建机械通风工况下6m肩高温室的CFD模型时，考虑到该工况下温室的侧窗和顶窗关闭，通过风机向室外排风，室内形成负压，室外空气从湿帘入口被吸入温室，室外空气流动对室内影响很小，所以计算域并未增加温室外部尺寸，整个计算域尺寸即试验温室尺寸。以温室西北角为坐标原点，正东方向为X轴正方向，竖直向上为Y轴正方向，正南方向为Z轴正方向，同时以温室的南北方向为横向，东西方向为纵向。利用ICEM CFD按1:1的比例绘制温室模型结构如图3所示。由于网格的数目和质量对求解过程有重要的影响，因此网格划分时对作物、湿帘和风机处网格进行加密处理[14]。模型共有3 795 112个单元数、7 642 064个面、669 495个节点，网格无负体积。机械通风时温室网格如图4所示。

图3 温室CFD模型结构图

图4 机械通风时温室网格

1.3.2 单元区域条件和物质热物理特性参数设置

温室内部区域为空气，需要设定空气的材料参数。作物区域为36m×36m×0.8m的长方体，设为多孔介质域,材料设为作物。CFD模型中材料属性相关参数如表1所示。

表1 CFD模型中材料属性相关参数[15]

1.3.3 边界条件设置

在模拟机械通风工况时，温室的进口和出口分别是湿帘和风机。因为湿帘风机通风系统是通过布置在排风口的风机向室外排风，使温室内部的空气压力形成低于室外的负压，室外空气从温室的进风口被吸入室内。因此，在机械通风时根据湿帘风机的工作原理，将入口边界设为压力入口(Pressure-inlet)，出口边界设为排气风扇(Exhaust-fan)，具体设置如表2所示。温室四周壁面设置为Wall，设置壁面热力学边界条件时根据试验测量值进行初始设置。模拟时，太阳辐射的加载使用太阳射线追踪算法(Solar Ray Tracing)，利用太阳计算器(Solar Calculator)设置时间、日期和经纬度，来计算太阳光束方向、辐射量。

表2 机械通风进出口参数设置

2 结果与讨论

2.1 模型有效性验证

以2017年8月30日下午试验数据为例进行模型验证。试验起始室外温度36.6℃，室内2m高度温度达到40℃，此时温室需要开启机械通风进行降温。具体工况为：顶窗和侧窗关闭，内遮阳收起，外遮阳展开，开启湿帘风机系统。

为了验证所建立的6m肩高温室CFD模型的正确性，利用温室试验中实际测得的温度与模型中相同位置处的温度进行比较，对比结果如图5所示。

图5 机械通风工况温室CFD模型验证

由图5可知：机械通风工况下模拟值和实测值之间数据基本吻合且变化规律一致，测点的最大误差为2.4℃，最大相对误差6.70%，平均相对误差为2.87%。这说明，所建立的CFD模型以及边界条件的设置是有效的，模型对实际情况的反映程度较好。

2.2 机械通风工况下室内风速场和温度场分布

图6为机械通风工况下6m肩高温室在X=6、20、34m等3个横向截面上速度云图。因为在机械通风时侧窗、顶窗和门都关闭，室外空气从湿帘进入温室，后从风机排出，基本不受外界风速的影响，因此温室内3个截面上风速变化情况较为类似。室外空气从湿帘处进入温室后，存在一个很明显的气流通道。温室下部由于作物的阻碍，风速较低，在温室上部也存在很大一片低风速区域。

图6 横向截面(X=6、20、34m)速度场分布云图

进一步分析在机械通风时6m肩高温室内横向截面上温度场分布，图7为X=6、20、34m等3个截面上的温度场云图。室外空气经过湿帘后变成湿冷空气进入温室，吸收室内热量后经风机流出温室，3个截面中下部温度与室外相比要低，温室上部因不在湿帘风机的气流通道内，温度仍然很高。另外，在湿帘风机方向上温度梯度明显，由北向南温度逐渐升高。在1m高度(作物冠层高度)上，室内平均温度为31.6℃，约比室外低5℃。3个截面温度相近，故在机械通风工况下温室纵向上温度差不大；但在温室横向上温度差异明显，在X=20m横向截面上Y=1m高度处Z=0.5m和38.5m两个坐标点的温度分别为29.7℃和33.3℃，温度差达到3.6℃。

为进一步了解温室内竖直方向上温度的变化，绘制X=6m横向截面上Z=20m处沿高度方向室内温度分布曲线，如图8所示。

图7 横向截面(X=6、20、34m)温度场分布云图

图8 X=6m横向截面上(Z=20m)沿高度方向温度分布曲线Fig.8 Temperature along the Height DirectionZ=20m) on Transverse Section(X=6m)

由图8可以看出：在温室高度方向上可分为上下两个部分；在温室中下部分温度变化幅度很小，在0～4.3m高度上温度由32.3℃先下降到31.6℃后缓慢上升至32.3℃，温度差在1℃以内；上面部分温度梯度十分明显，4.3～5.5m高度温度升高8℃。

2.3 环流风机对温室内流场的影响

为降低机械通风时温室内温度梯度，提高温室环境的均匀性通常在温室内布置环流风机，可以利用CFD模型对有无环流风机及环流风机不同布置方向进行模拟分析。具体模拟工况如下：工况1为仅湿帘风机通风；工况2为湿帘风机加环流风机，其中X=20m横截面上两台环流风机风向与湿帘风机风向相同，两侧的四台环流风机风向相反；工况3为湿帘风机加环流风机，6台环流风机的风向都与湿帘风机方向相同。环流风机高度为试验时6m肩高温室内环流风机实际安装高度(5m)。

图9为3种工况下温室在X=6、20、34m横向截面上温度分布云图。由图9可以看出：使用环流风机后温室上层高温区域的温度得到降低。3种工况下温室中下层温度仍呈现阶梯式分布，相比于工况1，工况2和工况3云图上中下部区域每个温度梯度变化位置都向南侧推移，表明使用环流风机后室内低温区域进一步扩大(尤其是31～32℃区域)，降温范围得到了提高，即环流风机促进了湿冷空气从湿帘向风机运动，实现了气流运动方向上的“接力”。

图9 横向截面上(X=6、20、34m)温度云图对比

图10为3种工况下在X=6m横向截面上1m高度处室内南北方向上风速变化曲线。其中，工况2和工况3温度曲线基本重合，低于工况1下的温度。在1m高度上，工况1南北平均温度31.6℃，南北温度差最大值达到3.2℃，距湿帘前22m温度低于32℃，占温室南北长度的55%；工况2和工况3平均温度31.3℃，南北温度差最大值达2.7℃，减小了0.5℃，前30m温度都低于32℃，占温室南北长度的75%，降温距离增加了20%；工况2和3在1m高度上降温效果极为相近。

图10 在X=6m横向截面上1m高度处室内南北温度

Section(X=6m)

图11为温室在3种工况下Y=5m水平截面上温度分布云图。由图11可以看出：环流风机对温室上部的温度分布有很大影响。未使用湿帘风机时，室内存在很大一片区域的温度超过40℃，使用环流风机后整个截面上的温度都得到降低。对比工况2和3的降温效果，发现工况2中温室北侧低于35℃区域更大，且南侧38℃以上高温区域较少，整体的温度分布更加均匀。分析可知：在6m肩高温室内，使用湿帘风机通风降温时，环流风机如工况2布置降温效果更好。

图11 Y=5m水平截面上温度云图对比

3 结论

1)利用CFD技术对6m肩高连栋玻璃温室模拟时，模拟值和实测值之间数据基本吻合且变化规律一致，测点的最大误差为2.4℃，最大相对误差6.70%，平均相对误差为2.87%，所建立的CFD模型以及边界条件的设置有效。

2)机械通风对温室环境的作用明显，室内作物冠层温度可比室外低5℃。对比发现：温室纵向上温度差不大，但在横向上温度差异明显，温度差最大达3.6℃；温室高度方向上分为上下两部分，下面一部分在湿帘风机冷空气通道内，温度变化幅度很小，0～4.3m高度温度差在1℃以内；上面部分温度梯度十分明显，4.3～5.5m高度温度升高8℃。

3)环流风机可使得湿冷空气在从湿帘向风机运动时实现“接力”，促进室内空气流动。增加环流风机后湿帘风机的降温范围得到提高，温室南北温度差减小0.5℃，32℃以下区域增加了20%。同时，室内不同横向截面上环流风机按相反方向布置时室内冷热空气混合更好，温度分布更加均匀。