某温室大棚自然通风的CFD 模拟分析

尹奎超

中国建筑设计研究院有限公司

0 引言

近年来，随着CFD 技术的广泛应用，它在园林绿化领域也展现出了它独特的优越性和价值。CFD 可以通过对模型的建模及数值模拟分析，以流体质量，动量和能量三大守恒方程为数值计算的理论依据，结合流体湍流模型对园林绿化中常见的温室大棚内气流模式和温湿度，浓度等因子的空间分布进行模拟和预测，并将结果可视化。对影响温室大棚种植效果的一些环境因素，如风压、农作物高度等，可以精准地进行分析。这对园林绿化前期的投入分析和效果预测有很大的帮助作用，因此越来越受到人们的重视。

本文以我国南部地区某温室大棚为例，结合温室大棚内农作物的多孔介质模型，建立了该温室大棚的全尺度自然通风CFD 模型并对该模型进行了模拟分析。通过冬季工况与夏季工况两种工况对比发现：农作物冠层的阻力以及室内风压是影响温室大棚内气流组织及温湿度的最主要因素。实测结果也与CFD 模拟结果接近，表明CFD 模拟结果能够较真实有效地反映实际温室内温、湿度情况。

1 项目简介

该温室大棚位于东经107.18°，北纬35.45°。温室大棚的总面积为5300 m2。整个大棚分为三段，第一段为根茎类区，地面半径为33 m，高20 m。第二段为蔬菜区，地面半径为20 m，高20.9 m。第三段为当季经济作物区，地面半径为25 m，高12.8 m。

温室大棚顶部开有三个天窗，天窗面积从左至右分别为124.6 m2、62.4 m2、68.4 m2，温室大棚设计三个自然进风口，门的面积分别为16.5 m2、14.2 m2、18 m2，该温室大棚的示意图如图1：

图1 温室大棚布局示意图

该温室大棚四周采用双层ETFE 膜围护。ETFE膜厚度0.25 mm，空气间层50 mm。材料的热学和光学属性见表1 所示。

表1 温室大棚材料光学和热学属性

2 CFD 建模

2.1 数学模型建立及简化

本文所研究的温室大棚气流场可大致认为是一个紊流的三维稳定流场，用Reynolds 时均方程法进行模拟，自然对流情况下温室内气流场的雷诺数Re 远大于1010，因此室内气流在本文中认为是湍流流动[1]。湍流流动的模型采用Indoor 零方程模型。

为了简化分析过程，本文对所研究温室大棚气流流场作出以下6 种假设：

①符合Boussinesq 假设，即认为流体密度仅对浮升力产生影响，并且在能量方程中加入浮升力影响。

②温室内气流为低速流动，且温差变化不大，视为不可压缩牛顿流体。

③流动为稳态湍流。

④温室内气密性良好，门没有发生开关动作导致的气体流动。

⑤模拟过程中忽略温室内发热源如照明、紫外线灯等对气流的影响。

⑥模拟过程中假设温室内所有物体均是静止不动的。

采用多孔介质模型来模拟农作物对空气流动的拖动效应通过源项加载到动量方程中体现。温室大棚内农作物在自然通风条件下将截获的太阳辐射以显热和潜热的形式与周围空气进行质热交换，温室中农作物冠层与室内空气存在温差，农作物—环境之间显热交换量主要由农作物冠层的空气动力学特性计算所得的显热能量在能量控制方程中以源项的形式进行自定义。农作物吸收太阳辐射通过蒸腾作用转化成汽化潜热，并影响温室内相对湿度的分布，以自定义源项的形式增加到组分方程中求解。

2.2 网格划分及边界建立

为了提高计算精度，同时考虑到高大空间的温室大棚尺寸较大以及CFD 软件所配置的计算机实际计算能力，以本文所研究的大棚内实际空间为计算域建立模型。本文利用ICEM CFD 18.0 划分非结构化四面体网格，并在天窗及入口处进行加密处理，以适应流场梯度变化大的要求，经反复尝试，最终生成4486075 个网格。

表2 CFD 模拟边界条件

边界条件依据实验数据设置，见表2。第一次测试时风向为西南风，温室入口位于西南方向。因此本文并未采用多数文献直接给出入口处风速的做法[3]，而是将入口处风速转换成风压，尝试采用以通风口入口（vent-inlet）设定风压给定边界条件的方法来对通风状况下温室内环境进行模拟，避免扩大计算域导致的运算量较大的问题，天窗边界条件设置为通风口出口（vent-outlet）边界[2]。

2.3 求解方法

求解过程是利用分离求解器以求解压力耦合方程组的半隐式方法（SIMPLE）进行迭代计算求解。本模拟计算选择体积力加权法先进行压力离散。求解时，求解器设置参数为稳态分析，以一阶迎风格式计算，压力取0.7、动量取0.3、能量残差收敛标准经分析取10-6，其他变量残差收敛标准取10-3。最后以ANSYS Fluent 18.0 作为通用CFD 求解器进行了数值仿真。

3 模拟结果及分析验证

3.1 温室大棚内温度水平分布模拟及分析

温室大棚内夏季工况与冬季工况下的温度水平分布模拟，本文选取距离地面0.8 m 处的横向截面即温室大棚内农作物的平均高度为参考面，所得结果见图2，图3：

图2 温室大棚内夏季工况下距地面0.8 m 处温度水平分布

图3 温室大棚内冬季工况下距地面0.8m 处温度水平分布

从图2、图3 可知，无论在夏季还是冬季工况下，受温室大棚内的农作物冠层阻力作用，温室大棚入口处温度梯度下降均表现明显，因为室外环境温度比温室大棚内温度要高，因此，在温室大棚的入口处温度较高，进入温室大棚后由于农作物的阻力作用，对温室大棚内气流有明显影响，温度急剧下降。离门口越远，温度越低，而靠近温室大棚边缘时，温度又会突然升高。

夏季工况下，由于风速较快，且温度相对较高，因此在三个大棚内，温度梯度表现都非常明显。而在冬季工况下，温度梯度表现相对较弱，在蔬菜区及经济作物区，甚至除了门口少量范围，温室大棚内大部分地区温度均匀。由此可知，温室大棚内通风主要受风压作用影响。由于冬季入口风速较小，室外空气对温室气流的影响主要在进风口处，温室内大部分区域温湿度较为均匀，温度大致在22 ℃左右，相对湿度大致在75%～80%。

3.2 温室大棚内温度垂直分布模拟及分析

温室大棚内夏季工况与冬季工况下的温度垂直分布模拟，本文选取温室大棚中心的纵向截面为参考面，所得结果见图4，图5：

图4 温室大棚内夏季工况下温度垂直分布

图5 温室大棚内冬季工况下温度垂直分布

由图4、图5 可知，温室大棚内热压作用明显，出现明显的垂直压力梯度。由于温室大棚高度最高达20.9 m，而自然通风进风口位于底部且开口不大，因此中和面位置接近天窗。中部圆顶天窗以下均为负压，导致中部圆顶天窗出现回流，受回流影响中部圆顶室内空气温度较其他区域高，相对湿度较其他区域低。室外空气温度高于室内空气，进风气流直接受热浮力作用攀升进而由天窗排出。

对比图4、图5 可知，两种工况下温室大棚内进风口附近温度均出现明显的梯度，温室最底部即植物冠层内部气流流速明显减弱，冠层上方流速较快，表明农作物冠层的阻力作用对室内气流分布模式有影响。

3.3 实测验证

为了验证CFD 模型及模拟结果的准确性，作者现场进行了温度测试，现场测试分别于2018 年6 月12号14:30 及2018 年11 月13 号9:30 进行。测试时温室天窗和西南方向的三个门全开。测试时天气为阴，风向为西南风。测试参数为室内外气象参数。测试仪器有温湿度记录仪、干湿球温度计、手持式红外线测温仪、手持式热线风速仪等。平面坐标以左侧圆顶地面圆心为坐标原点，所有测点离地面约为1 m。测试数据每半个小时采集一次，测试期间气象参数比较稳定。测点温湿度由干湿球温度计采集，同时采集该处测点的土壤温度以及温室膜表面温度，土壤温度以及温室膜温度由手持式红外测温仪测量。竖向测点由温湿度记录仪采集，温湿度记录仪置于防辐射罩内。采样结束后，所有测试数据均取均值处理。

图6 为温室大棚内各测点的温度实测值和CFD模拟值：

图6 温室大棚内各测点温湿度度实测值和模拟值

由图6 可知测试时温度模拟值与实测值偏差在0～2.3 ℃之间，最大误差10%，平均误差3.04%。相对湿度模拟值与实测值偏差在0%～10%之间，最大误差8%，平均误差为6.58%。距地面1 m 的平面测点1～测点20 的温度模拟值较实测值大，其原因在于数值模型中忽略了温室地面蒸发作用和温室景观水池水面蒸发作用，竖向测点21～测点29 温度模拟值较实测小，可能的原因仪器悬挂在高空，无树木遮挡，受到太阳辐射作用使测量值升高。因温湿度的耦合作用，相对湿度的情况相反。

由此可知，CFD 模拟结果能够较真实有效地反映实际温室内温、湿度情况。

4 结论

本文以南方某温室大棚为例，构建了高大空间自然通风CFD 模型，得出结论如下：

1）通过模拟实验表明了CFD 计算值与各测点平均温湿度实测值基本吻合，平均温度的模拟值与实测值误差在8%以内，平均相对湿度的模拟值与实测值误差在10%以内。因此，对于此类高大空间温室大棚室内通风分析，采用多孔介质模型所建立的CFD 模型有效。

2）无论夏季还是冬季工况，温室大棚内进风口附近温湿度出现明显的梯度，而从垂直分布来看，农作物冠层温度下降较快，表明农作物冠层的阻力作用对室内气流分布模式有影响。

3）夏季工况下温室大棚温度较阴天时略高，相对湿度则略低，太阳辐射强度对植物蒸腾影响明显。温室大棚内通风受热压作用影响显著，冬季工况室内通风主要受风压作用影响。夏季和冬季工况下进风温度均比室内温度高，进风气流直接受热浮力作用攀升进而由天窗排出。