基于CFD的主动蓄放热日光温室通风模拟

景炜婷,荆海薇,杨定伟,邹志荣

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 园艺学院,陕西 杨凌 712100)

日光温室是我国冬季农业生产的主要设施,拥有优越的保温性能,近年来日光温室因其能够帮助作物越冬生产的优势,缓解了我国北方地区淡季蔬菜供应问题,在北方地区发展迅速[1-3]。由于建造和运行日光温室所需的成本较低,符合中国现阶段的经济发展需求[4-6]。

日光温室内部的流场分布反映出温室内诸多环境因素,把握温室内流场的分布情况有助于分析温室内环境,进而增强温室热工性能[7-8]。随着计算机技术的进步,基于计算流体力学(CFD)软件对温室内部流场进行模拟研究成为温室内部流体研究的重要手段[9-10]。CFD是将流体试验用数值模拟的方法进行求解的过程,可以用于模拟温室内复杂的小气候环境[11],分析温室围护结构及室内设备对温室内环境产生的影响[12],研究外界环境与温室内环境的关联,是研究流体流动的有效方法[13]。在利用CFD软件模拟温室内部环境方面,李夏青等[14]模拟了冬季温室大棚内部温度场,并与试验相对照,得到了冬季大棚内温度场和湿度场的分布规律;在模拟温室结构及设备对内环境产生的影响方面,洪亚杰等[15]针对环流风机布置方式对温室内流场的影响进行研究,验证了环流风机对温室机械通风降温范围的提升;在模拟外界环境对温室内环境的影响方面,孙树鹏等[16]对比了冬、春、夏3个季节环境温度对温室内温度的影响,并针对不同的季节特点对温室进行了差异化设计。

本研究利用CFD软件构建三维温室模型,对比分析不同主动蓄放热系统风口布置方式对温室内流场的影响,优化温室主动蓄放热系统风口布置方式,以便为温室结构改进以及温室内部的小气候调控提供更可靠的理论依据。

1 CFD模型建立

1.1 三维模型的建立

选取陕西省杨凌示范区西北农林科技大学北校区北侧园艺场的日光温室为研究对象,温室东西走向,坐北朝南,东西方向长16 m,南北方向跨宽9 m,脊高5.8 m,后墙高3.6 m,单出风口温室采用夯实黏土作为保温后墙材料,厚度1.2 m,多出风口温室采用石子作为材料,厚度0.8 m,温室模型地下建立土层模型,厚度2 m,如图1所示。室内外空气通过下通风口流入、后坡天窗流出。

图1 主动蓄放热系统通风管道模型

温室三维模型内建立主动蓄放热系统通风管道,其中单出风口主动蓄放热循环系统的进风口位于温室后墙顶部,分布三条进风管道,管道直径200 mm,后墙进风管道长3.8 m,在后墙地下土层深度0.2 m处转弯,每根后墙进风管道于地下分为两根水平出风管道,共6根水平出风管道,长度8.5 m,最终管道出风口设置在距温室薄膜底端100 mm处,距离地面高度300 mm,并在6个出风口处设置风向沿y轴正方向的轴流风机。多出风口主动蓄放热循环系统的进风口管道设置与单出风口主动蓄放热循环系统相同,每条地下管道设置5个出风口,间距1.4 m,共30个出风口,轴流风机设置在3个进风口处,风向沿y轴负方向。

1.2 CFD方法原理

1.2.1 控制方程

温室内流体通常低速流动,流速较小,所以采用不可压缩流体来描述温室内气体,从而温室内流体满足三大基本方程[17-18]。由于温室内空气运动的雷诺数较大,在研究温室内流场时,釆用湍流模型进行模拟,本次研究选用的湍流模型是标准k-ε方程[19-20]。

1.2.2 辐射模型

日光温室生产的主要能量来源为太阳辐射[21],辐射模型采用DO模型进行加载,太阳荷载模型采用Solar Ray Tracing算法进行加载[22],通过Solar Calculator设定杨凌地区的地理位置(东经108°,北纬34°)和时区(+8),温室模型X轴正向为正南方向,Z轴正向为正西方向,Y轴正向为温室高度方向,计算出当时太阳总辐射强度。

1.2.3 网格划分

模型采用四面体网格划分,针对30万、80万和130万三种数量的网格进行验证,除网格数量外其他条件如边界条件和计算参数等设置均相同[23]。对计算结果进行输出,选取6个坐标点的温度进行验证。根据结果可以看到30万网格和80万网格之间的最大误差为3.66%,80万和130万网格之间的最大误差为1.85%,如图2所示。后两者的误差相比前两者的误差更小,但是130万网格的划分时间是80万网格的两倍,计算的时间则更长,最终选择80万的网格方案进行数值模拟。

图2 网格无关性验证

1.2.4 边界条件

温室CFD数值模拟以室内外空气作为研究对象,外界气象条件、温室围护结构和土壤都作为数值模拟的边界条件进行处理[24-25]。将温室迎风面下通风口设置为速度进口,后坡天窗设置为压力出口,温室围护结构、后墙、主动蓄放热管道和土壤设置为壁面。单出风口温室主动蓄放热管道的6个出风口为风扇边界,风速沿y轴正方向0.8 m/s,进风口为压力入口;多出风口温室管道的3个进风口为风扇边界,风速沿y轴负方向1.4 m/s。温室材料的物理特性参数如表1所示,厚彩钢部分为绝热部分,PO膜为半透明壁面。

表1 不同材料物理特性

1.3 模型验证

试验温室位于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学北校区北侧园艺场日光温室。试验于2021年12月10日至2022年3月15日进行,在温室外南侧2 m高度处安装小型室外气象站(HOBOU30气象站),数据采集频率为10 min。温室内设6个空气温度观测点,空气观测点所在截面距离地面高度为1.5 m,据后墙分别为2 m、5 m和8 m,距温室西侧边界4 m与12 m,温室中央截面上布设后墙、地表和前膜温度观测点,观测点位置如图3所示,温度测点采用T型,铜-鏮铜热电偶,温度测量范围为-200℃～350℃,精度为±0.2℃,温度数据采集使用安捷伦34972A型仪器,数据采集频率为10 min。

1-6.空气温度测点;7.后墙温度测点;8.地表温度测点;9.前膜温度测点

以13∶00实测环境参数作为初始条件,对温室内不开风机、自然通风的工况进行数值模拟,并将温室内6个空气温度测点的实测值与模拟得到的结果相比较进行模型验证[26],从而验证模型的准确性。坐标点实测值与模拟值对照图如图4所示,误差在10%以内,说明模拟结果可靠[27-28]。

图4 模型验证

2 结果与分析

数值模拟研究了风机两种不同运行工况下(白天开风机且温室上、下通风窗打开和夜间开风机且温室上、下通风窗关闭),两种主动蓄放热系统出风口分布方式(单风口和多风口)对温室内温度场和流动场的影响。

2.1 白天开风机工况

2.1.1 单出风口主动蓄放热系统

图5是白天时间,单出风口主动蓄放热系统温室内中央截面和两侧管口截面的温度与风速分布图。从图中可知,由于太阳辐射的作用,白天温室内空气温度偏高,温室薄膜处温度最高,而温室前下部由于温室通风口打开,温度稍低,但是也可看到,通过自然通风方式流入温室内的室外空气对温室内空气温度影响有限。从图中还可发现,主动蓄放热系统管道出风口空气和温室上、下通风口的空气流动在温室竖直截面内形成了大的空气循环,从出风口流出的空气向上运动,碰到温室薄膜,沿着薄膜内侧向上运动,大部分空气到达温室上通风口区域,管道出风口空气向上运动能够卷吸的植物生长区的温室空气有限,而温室上、下通风口由于自然通风,在温室的中下部贴近地面附近形成了一个沿着温室后墙内侧向上的空气流动,这部分空气能卷吸较多的植物生长区高温空气,降低植物生长区的温度和增加植物生长区的空气流动性。温室主动蓄放热系统管道进风口温度29.32℃,管道出风口平均温度28.37℃,温差0.95℃,主动蓄放热系统的空气将热量传递到温室后墙和土壤中,强化白天温室后墙和土壤的蓄热能力。

图5 单出风口温室不同竖向剖面温度及风速分布(白天开风机)

图6是单出风口主动蓄放热系统温室植物生长区高度为0.5 m、1.0 m和1.5 m水平截面的温度云图与速度矢量图。从图中可知,0.5 m、1.0 m和1.5 m三个高度的平均温度分别为29.77℃、29.56℃和30.72℃,在植物生长区最大温差1.16℃。0.5 m、1.0 m和1.5 m三个高度的水平截面的空气平均风速为0.072 m/s、0.054 m/s和0.030 m/s,随着高度的上升,空气流动性减弱,表明由温室上下通风口和主动蓄放热出风口的空气在温室内形成的空气流动性随着高度的增加而减弱,同时,由于主动蓄放热系统管道出风口空气流速较大,温室南半部分空气流速高于北半部分空气流速,温室整体空气流向单一,扰动较少。

图6 单出风口温室水平截面温度及风速分布(白天开风机)

2.1.2 多出风口主动蓄放热系统

图7是多出风口主动蓄放热系统温室中央和两侧管口竖直截面的温度云图和速度矢量图,从图中可知,温室内整体温度分布规律与单风口主动蓄放热系统温室温度分布规律类似,由于太阳辐射,温室温度偏高,温室薄膜处温度最高,由于自然通风,在温室下通风口附近,温室空气温度较低。多出风口温室由于管道出风口多点布置,风速较小,管道出风口空气向上流动,直接进入植物生长区,缓缓与植物生长区空气进行热量交换,并未形成大的空气循环,植物生长区空气流动较均匀。温室主动蓄放热系统管道进风口处平均温度为29.21℃,管道出风口处平均温度为28.88℃。温差为0.34℃,表明主动蓄放热系统能够将热量蓄积到温室后墙和温室土壤中。

图7 多出风口温室不同竖向剖面温度及风速分布(白天开风机)

图8是多出风口主动蓄放热系统温室植物生长区高度为0.5 m、1.0 m和1.5 m处水平截面的温度云图和速度矢量图。0.5 m、1.0 m、1.5 m高度处平均温度分别为29.84℃、29.66℃、29.89℃,植物生长区温度非常均匀,温差很小。由于多风口主动蓄放热系统的管道出风口在植物生长区均匀分布,虽然风口空气流速较小,但是,在植物生长区形成的空气扰动较大,植物生长区空气流动性较好,0.5 m、1.0 m、1.5 m三个高度水平截面平均风速分别为0.079 m/s、0.058 m/s、0.038 m/s。

综合对比图5、图6和图7、图8,可以发现白天时段风机开启状态下,单风口主动蓄放热系统温室内,植物生长区空气温度略高于多风口主动蓄放热系统温室内植物生长区空气温度,且随着高度的上升,单风口温室植物生长区空气温度上升温差较大,而多风口主动蓄放热系统温室植物生长区空气温度温差较小,空气温度较均匀。同时,单风口主动蓄放热系统植物生长区空气流速小于多风口主动蓄放热系统植物生长区空气流速,且单风口主动蓄放热系统管道出风口流出空气只有部分空气进入植入生长区进行热湿交换,而大部分向上流动,进入温室上部空间,温室植物生长区空气流动性和均匀性较差;而多风口主动蓄放热系统管道出风口流出空气全部进入植物生长区进行热湿交换,温室植物生长区空气流动性和均匀性较好。

综上所述,在白天开风机工况下,多出风口温室性能优于单出风口温室。

2.2 夜间开风机工况

2.2.1 单出风口主动蓄放热系统

图9是单出口主动蓄放热系统温室中央及两侧管口竖向剖面的温度云图和速度矢量图。从图中可知,在夜间开风机的状态下,温室上下通风口关闭,温室呈封闭状态,温室上部温度偏低,由于温室土壤放热,下部贴近地面附近,温室空气温度较高。温室主动蓄放热系统管道进风口平均温度为12.51℃,管道出风口平均温度为13.22℃,平均温差0.71℃,可见,在夜间温室主动蓄放热系统能够从温室后墙和土壤中吸收热量,用于提升温室空气温度。另外,也可发现,单风口主动蓄放热系统管道出风口流出的空气,顺着温室薄膜向上流动,到达了温室上部空间,并未全部进入植物生长区,这样易于直接进入主动蓄放热系统的进风口,形成空气短路,不能有效提高温室植物生长区空间空气温度[29-30]。

图10是单出风口主动蓄放热系统温室植物生长区高度0.5 m、1.0 m和1.5 m水平截面的温度云图和速度矢量图。从图中可知,0.5 m、1.0 m和1.5 m水平截面高度平均温度分别为13.08℃、12.76℃、12.62℃,随着高度的上升,温度略有下降。温室南部靠近薄膜附近的温度较高,而温室中后部温度较低,对照图10,可确认单出风口主动蓄放热系统易于形成空气短路,管道出口空气仅有部分进入植物生长区,大部分空气向上流动,进入温室上部空间,未有效提升温室植物生长区空间温度。0.5 m、1.0 m、1.5 m高度截面上平均风速分别为0.007 m/s、0.006 m/s、0.005 m/s,沿高度上升风速减小。由于管道出风口空气的抽吸作用,温室南侧薄膜附近空气流速较大,中后部空间空气流速较小。

图10 单出风口温室水平截面温度及风速分布(夜间开风机)

2.2.2 多出风口主动蓄放热系统

图11是多出风口主动蓄放热系统温室中央及两侧管口竖直截面的空气温度云图与速度矢量图。从图中可看到,在夜间时段,温室上下通风口关闭状态下,温室东西向温度分布比较均匀,温室主动蓄放热系统管道进风口平均温度12.79℃,管道出风口平均温度为14.90℃,温差2.11℃,表明多出风口主动蓄放热系统夜间能有效从温室后墙和土壤中吸取热量。在竖直截面上,多风口主动蓄放热系统管道出风口在植物生长区并未形成大的空气漩涡,由于管道出风口空气的抽吸作用,温室中下部植物生长区空气速度较高。

图12是多出风口主动蓄放热系统温室植物生长区高度分别为0.5 m、1.0 m和1.5 m处水平截面的空气温度云图和速度矢量图。如图所示,0.5 m、1.0 m和1.5 m处空气平均温度分别为13.54℃、13.48℃和13.45℃,植物生长区空气温度均匀;空气速度分别为0.027 m/s、0.020 m/s和0.017 m/s。由于多出风口主动蓄放热系统的管道出风口均匀布置在植物生长区,从管道流出的空气全部进入植物生长区空间,能有效提升植物生长区空间温度;同时,植物生长区空气扰动性较强,较均匀,这些均有利于夜间植物的生长。

图12 多出风口温室水平截面温度及风速分布(夜间开风机)

对比图9、图10和图11、图12,可以发现在夜间时段,单风口主动蓄放热系统温室植物生长区空气温度明显低于多风口主动蓄放热系统温室植物生长区温度,空气风速也明显低于多风口主动蓄放热系统温室植物生长区空气风速;在夜间温室封闭状态下,单风口主动蓄放热系统更易于形成空气短路,造成能量浪费;而多风口主动蓄放热系统则避免空气短路的形成,并使得空气直接进入植物生长区,能均匀有效的提升植物生长区温度和空气流动性,将有限的能量充分利用在需要的空间,不仅节能而且有利于植物生长。

3 结 论

(1) 白天时段,温室上、下通风窗打开状态下,单出风口主动蓄放热系统植物生长区平均温度随着高度的增加而上升,平均温差最大为1.16℃;而多出风口主动蓄放热系统植物生长区平均温度较一致,平均温差为0.23℃。在植物生长区0.5 m和1.0 m高度,单风口和多风口主动蓄放热系统温室空间温度相近,但1.5 m高度处单风口主动蓄放热系统温室空间温度高于多风口主动蓄放热系统温室空间温度。在夜间时段,温室上下通风口关闭,温室呈封闭状态,在植物生长区,单风口主动蓄放热系统温室空间温度随高度上升而下降,而多风口主动蓄放热系统温室空间温度非常接近,且多风口主动蓄放热系统温室不同高度空间温度均高于单风口主动蓄放热系统温室,最大温差达0.83℃。分析表明,无论白天还是夜间,多风口主动蓄放热系统温室空间温度更均匀、更一致,在夜间提升植物生长区空间温度效果更明显。

(2) 无论白天还是夜间时段,单风口主动蓄放热系统易于在竖直方向形成空气短路,夜间更为明显,从管道出风口流出的空气仅有部分进入植物生长区,一部分顺着薄膜向上流入上部空间,无法有效参与植物生长区空间空气热湿交换[31-32];而多风口主动蓄放热系统管道出风口空气直接进入植物生长区,能充分进行热湿交换,尤其夜间能有效提升植物生长区空间温度。同时,夜间多风口主动蓄放热系统温室植物生长区风速高于单风口主动蓄放热系统温室植物生长区风速,有利于植物生长。

(3) 白天时段,单风口主动蓄放热系统管道进、出风口空气温度平均温差(0.95℃)高于多风口主动蓄放热系统管道进、出风口空气温度平均温差(0.34℃),而夜间时段,多风口主动蓄放热系统管道进、出口空气温度平均温差(2.11℃)远远高于单风口主动蓄放热系统管道进、出口空气温度平均温差(0.71℃),表明夜间多风口主动蓄放热系统优势更明显,能够更充分的调动温室后墙和土壤中蓄积的热量。

(4) 本研究在利用CFD对不同主动蓄放热系统风口布置的温室内流场进行模拟时,忽略了温室内部植物蒸腾、土壤蒸发,以及管道出风口风速等因素对温室内温度与风速空间分布的影响,而在实际生产中,上述因素对温室内部的温度场与风速场存在一定影响[33-35],有待于在今后的研究中进一步完善,以便为日光温室结构优化设计和环境调控提供更加科学的依据。