风向变化对温室群内部环境影响

谭志成,赵福云,姚亦合,陈皓

(湖南工业大学 土木工程学院,湖南 株洲,412007)

通风是温室设计与建造中重要因素之一,它直接影响温室中空气温度和水蒸气质量分数等对作物生长有直接作用的环境因素。而自然通风则是一种保持温室适宜作物生长小气候的有效方法,更是降低温室能源消耗的一种手段[1-3]。

近年来,国内外学者对不同类型温室的自然通风进行了众多研究。MOGHADDAM等[4]研究了在瞬态流动中不同温室开口设计对温室通风率的影响。其研究表明,蝶形侧通气孔的温室平均风速高于其他温室。CHU等[5]利用大涡模拟模型对含植被的山墙温室的风驱动通风进行了研究,利用风洞试验验证了植物多孔模型对气流的阻碍效果。LYU等[6]研究了自然通风条件下,多跨温室排气孔开度、外界风速和作物高度对温室微环境的影响。赵融盛等[7]研究了侧通风口高度对温室气流及温湿度的影响。结果表明,侧通风口距地高度60 cm时有利于夏季温室的降温排湿,在此基础上适当增加高度有利于冬季温室的排湿保温。宋炜等[8]研究了大棚间距的改变对大棚群温室内部温度分布的影响。其研究表明,大棚间距的增加可有效降低后排温室内的平均温度,从而降低各大棚间的温差。XU等[9]研究了作物存在对温室内部温度空间分布影响,并指出作物蒸腾作用和太阳辐射对温室内温度的空间分布具有显著影响。通过上述文献可知,在温室的自然通风方面,较少考虑风向变化对作物存在下多大棚群内部温度、水蒸气质量分数以及风速等环境因素的影响。在研究温室通风方面,国内外众多学者通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对温室小气候进行了研究[10-14], 文献[15-16]则较为全面介绍了计算流体力学CFD模型在研究温室小气候方面的应用。其结论表示,CFD模型可作为温室通风评估的有力工具。

针对风向变化对作物存在的大棚群内部温度、水蒸气质量分数及流速变化的影响,利用CFD技术分析自然风风向角(γ)改变对大棚群温室内小气候变化的影响。

1 几何与数值模型

1.1 几何模型

为准确描述风向改变下多塑料温室群各温室内部小气候的变化情况,在计算中选择3栋拱形塑料温室(A、B、C)组成温室群。各温室沿X轴分布排列,单个温室尺寸长×宽×高为20.0 m×8.0 m×4.0 m,温室肩高为3.0 m,侧面通风口高为1.6 m。每个温室间隔2.0 m,温室南墙设有一个宽×高为0.8 m×1.8 m的山墙门。考虑作物存在将对气流产生阻碍作用,将每个温室内作物区域简化为4块长×宽×高为8.0 m×2.7 m×0.8 m的均匀多孔介质,见图1。

图1 温室模型Fig.1 Greenhouse model

在研究中,选取5种不同来流风向(γ=0、γ=20°、γ=40°、γ=60°、γ=80°)研究其对温室群小气候的影响。风向γ变化如图2所示。

图2 风向变化Fig.2 Wind directions

1.2 多孔介质模型

将作物区域简化成多孔介质,其计算模型已有相关学者在其研究中给出[17-19]。根据CHU等[5]的研究中关于作物阻力模型对渗透率(α)系数与惯性因子(β)的敏感性试验,取α=50,β=0.02,作物孔隙度为0.37,叶片特征长度为0.172 m,作物叶面积指数取6 m2/m2。

1.3 作物蒸腾模型

作物的蒸腾作用对温室内温度空间分布有显著影响[9]。BOULARD等[20]认为蒸腾作用可通过叶片与空气中热量与质量的平衡关系建立叶片与空气之间的热和水蒸气的交换。其计算模型如下。

(1)

式中:Rn为净辐射通量,W/m2;cp为恒压比热容,J/(kg·K);ra为叶片空气动力阻力,s/m;rs为叶片气孔阻力,s/m;Lai为叶面积指数,m2/m2;T1、Ta为叶片温度以及空气温度,K;wf、wa为叶片和空气的绝对湿度,kg/kg;ρ为空气密度,kg/m3;λ为水的蒸发潜热,kJ/kg。

当流速u<0.1 m/s,有Campbell[21]公式:

(2)

当流速u>0.1 m/s,有:

(3)

式中:d为叶片特征长度,m;u为空气流速,m/s。

叶片气孔阻力rs可通过以下方法计算:

(4)

式中:sg为整体太阳辐射,W/m2。

2 材料物性与边界条件

2.1 材料物性

材料物性如表1所示。

表1 材料物性表Table 1 Material properties

2.2 边界条件

为防止人为设置的边界条件影响计算域中气流流态,计算中通过加入外部计算域以消除影响。将计算域入口处设为速度入口,计算域内空气流动可视为湍流流动,采用Realizable k-ε模型。温室壁面为半透明边界,并使用 DO 辐射模型来描述计算域内辐射过程,内部发射率为0.7,外部发射率为0.8。计算域内流体为空气与水蒸气混合物,无相变产生,水蒸气扩散利用组分运输方程实现,并对空气密度变化采用Boussinesq假设。入口处来流风风廓线由下列公式确定。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:UZ为高度Z处的风速,m/s;u*为剪切速度,m/s;k为卡门常数,取0.4;Cu为经验常数,取0.09;Z0为粗糙度长度,取0.03 m;H为参考高度,取4 m;UH为参考高度处风速,取1 m/s。

计算域具体尺寸与边界条件见表2和图3。

表2 边界条件设置Table 2 Boundary condition settings

图3 计算域模型Fig.3 Computational domain model

3 网格独立性与数值模型可行性验证

采用非结构网格对计算域进行网格划分,并分别对260万、298万、386万3种不同数量网格的模拟结果进行分析。图4对比了3种尺寸网格在z=10.0 m,y=0.8 m延x轴方向的温度变化,对比结果可知,选用298万网格数可以满足数值模拟要求。

图4 不同网格数量模拟结果对比Fig.4 Comparison of simulation results for different mesh counts

为验证数值模拟结果的准确性,将单行作物种植的单个温室内x/L=0.225、x/L=0.650、x/L=0.775处的模拟结果与CHU等[5]风洞试验进行对比,结果见图5。由图5可知,模拟值与实验值的总体趋势吻合,模拟结果具有较高可行性。

图5 数值模型验证Fig.5 Numerical model validation

4 结果与分析

4.1 空气流速及温室通风率的变化

温室内通风效果可由通风率来表示。由以下公式计算[22]。

(9)

式中:VR为通风率,m3/(m2·min);qm为质量流量,kg/min;qv为体积流量, m3/min;ρ为空气密度,kg/m3;Af为温室地面面积,m2。

图6显示了z=5 m、z=15 m截面处速度分布。由图6可知,受到温室内作物及墙面阻挡,沿流动方向,各温室内部空气流速逐渐降低,C温室内部流速受影响最大。在z=5 m截面处,随着γ的增大,空气流速整体呈现衰减现象,但A温室受影响较低。而在z=15 m截面处,A、B、C 3栋温室内空气流速降低明显,特别是在γ=80°时A、B、C 3栋温室空气流速更低。

图6 截面速度分布Fig.6 Cross-sectional velocity distribution

图7显示了A、B、C 3栋温室通风率随γ的变化情况。可以看出,A与B温室在γ<40°时,通风率下降缓慢,当γ>40°时,通风率下降明显;B 温室在γ为20°与40°时,内部通风率差距不大;C栋温室在γ<20°时通风率下降幅度较低,但当γ由20°变化到40°时,通风率出现明显下降,当γ>40°时,通风率下降相对缓慢。这是由于γ的增大,各温室侧通风口的有效通风面积降低,进入温室的气流量降低,导致各温室通风率降低,尤其是C温室,通风率降低最为显著。

图7 温室通风率随风向变化Fig.7 The ventilation rate of the greenhouse varies with the wind direction

4.2 作物冠层平均温度与水蒸气质量分数

由图8(a)可知,随γ的增大,A、B温室作物表面平均温度呈上升趋势。C温室作物表面温度在γ=40°时达到最大值,后随γ增大而降低。这种变化影响到了作物冠层平均水蒸气质量分数。A温室随γ的增大,作物冠层温度上升,作物蒸腾量加大,水蒸气质量分数增加(γ≤60°);当γ>60°时温室A温度升高抑制了作物的蒸腾作用,表面平均水蒸气质量分数降低。B温室作物冠层平均水蒸气质量分数随γ增大而降低。温室C作物冠层表面平均水蒸气质量分数则随γ的增大而下降,这是由γ的变大,从温室间隔处以及山墙门涌入空气量增大导致。

图8 作物冠层表面平均温度与水蒸气质量分数随风向变化Fig.8 Mean crop canopy surface temperature and water vapour mass fraction as a function of wind direction

4.3 温度、水蒸气质量分数不均匀度

温度、水蒸气质量分数不均匀度JT、JR表达式如下。

(10)

(11)

式中:Tk、T0为第k条监测线上平均气温与外界环境气温,K;Rk、R0为第k条监测线上平均水蒸气质量分数及外界水蒸气质量分数,g/kg;N为监测线数量。

图9为各温室作物冠层JT、JR随γ变化情况。由图9(a)可知,在γ=0时,温室A的JT值最低,随着γ增大,A温室的JT值在γ=20°时达到最大值1.980。B温室在γ=20°时,JT较γ=0时降低显著,之后在γ=40°时达到最大值2.500,后随γ增大而降低。C温室在γ<40°时随γ增大而降低,而在γ=60°时增大到2.060,之后降低。从图9(b)可知,在γ≤40°时,A温室JR在一个较高范围内波动,随着γ增大,JR在γ=60°时达到1.920,之后降低。B温室JR随γ的增大而降低。C温室在γ=0时有着最低JR值,在γ≤60°时,呈上升趋势,但在γ=80°时下降。

图9 温室作物冠层表面不均匀度变化Fig.9 Variation in canopy surface heterogeneity of greenhouse crops

在γ=0时,温室A内部空气流速大、温度低、湿度高,作物冠层JT值低JR值较高。而B、C温室则因气流温度较高、空气流速较低,部分区域作物蒸腾受到抑制,致使JT值高于温室A而JR值低于A温室。在γ=20°时,由于温室壁面阻挡,空气流速降低, A温室JT、JR均增大。同时,B、C温室则由于内部空气温度增大,JT值有所降低,而作物的蒸腾作用受到抑制,导致JR降低。在γ=40°时,温室通风率进一步降低,各温室平均温度增大,JT、JR值降低;而B温室则由于不同区域温度差异较大,JT值增加,同时整体水蒸气质量分数的降低使得JR值降低。C温室则由于通风率降低、内部温度、水蒸气质量分数整体增大,JT、JR值较γ=20°时变化较小。在γ=60°时,A温室从侧通风口进入的空气量降低,各区域作物表面流速差异增大,内部热量难以排除,使得JT、JR值增加;在γ=80°时,通风率的降低、整体空气温度及水蒸气质量分数的增大使得A温室JT、JR值均降低。在γ≥60°时,B温室由于通过山墙门与侧风口的新鲜空气增多,更少地接受来自A温室的气流,因此,JT、JR值均降低。而C温室的变化则与B温室一致,在γ≥60°时JT、JR值均降低。

5 结论

1)上风向温室对气流的阻碍作用使得处于上风向的温室通风率均高于下风向温室。随着γ的增大,温室有效通风面积不断减小,通风率逐步降低。

2)随着γ的增大,温室A、B作物表面温度总体上均呈现上升趋势,但温室B作物表面平均温度要高于温室A。A、B作物表面水蒸气质量分数则呈现出总体下降趋势,且温室A作物表面平均水蒸气质量分数高于温室B。C温室作物表面平均温度则呈现先增大后降低的现象,在γ=40°时有最大值,但其表面平均水蒸气质量分数总体呈上升趋势。

3)随着γ增大,各温室作物冠层JT、JR有不同变化趋势。A温室作物冠层表面JT初始值低,JR高,在γ=20°时JT达到最大值1.980,之后在1.500～1.730范围变动,但其内部JR则保持在1.270以上。B温室在γ<40°时,其作物表面JT较γ=0°时有所降低,在γ=60°时达到最大值2.500,之后随γ的增大而降低,而其作物表面JR值则随着γ增大而逐步下降。C温室作物冠层JT在γ<60°时呈下降趋势,但在γ=60°时增长到最大值2.060,之后有所降低,而作物冠层JR值则总体保持上升趋势。