側(cè)通風(fēng)窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響.pdf

灌溉排水學(xué)報 Journal of Irrigation and Drainage ISSN 1672 3317 CN 41 1337 S 灌溉排水學(xué)報 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文 題目 側(cè)通風(fēng)窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響 作者 高振軍 司長青 丁小明 李葦 何芬 李文楊 張建波 DOI 10 13522 ki ggps 2022165 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期 2022 09 17 引用格式 高振軍 司長青 丁小明 李葦 何芬 李文楊 張建波 側(cè)通風(fēng)窗縱橫比 對連棟溫室流場均勻性的影響 J OL 灌溉排水學(xué)報 https doi org 10 13522 ki ggps 2022165 網(wǎng)絡(luò)首發(fā) 在編輯部工作流程中 稿件從錄用到出版要經(jīng)歷錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿等階 段 錄用定稿指內(nèi)容已經(jīng)確定 且通過同行評議 主編終審?fù)饪玫母寮?排版定稿指錄用定稿按照期 刊特定版式 包括網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)版式 排版后的稿件 可暫不確定出版年 卷 期和頁碼 整期匯編定稿指出 版年 卷 期 頁碼均已確定的印刷或數(shù)字出版的整期匯編稿件 錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)稿件內(nèi)容必須符合 出 版管理條例 和 期刊出版管理規(guī)定 的有關(guān)規(guī)定 學(xué)術(shù)研究成果具有創(chuàng)新性 科學(xué)性和先進性 符合編 輯部對刊文的錄用要求 不存在學(xué)術(shù)不端行為及其他侵權(quán)行為 稿件內(nèi)容應(yīng)基本符合國家有關(guān)書刊編輯 出版的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語言文字 符號 數(shù)字 外文字母 法定計量單位及地圖標(biāo)注等 為確保錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)的嚴(yán)肅性 錄用定稿一經(jīng)發(fā)布 不得修改論文題目 作者 機構(gòu)名稱和學(xué)術(shù)內(nèi)容 只可基于編輯規(guī)范進行少量文字的修改 出版確認(rèn) 紙質(zhì)期刊編輯部通過與 中國學(xué)術(shù)期刊 光盤版 電子雜志社有限公司簽約 在 中國 學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 出版?zhèn)鞑テ脚_上創(chuàng)辦與紙質(zhì)期刊內(nèi)容一致的網(wǎng)絡(luò)版 以單篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊發(fā)論文的錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿 因為 中國學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 是國家新聞出 版廣電總局批準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連續(xù)型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以簽約期刊的網(wǎng)絡(luò)版上網(wǎng)絡(luò)首 發(fā)論文視為正式出版 文章編號 1672 3317 2022 0X xxxx 05 側(cè)通風(fēng)窗 縱橫比對連棟溫室 流場均勻性 的影響 高振軍 1 司長青 1 丁小明 2 李 葦 3 何 芬 2 李文楊 1 張建波 1 1 三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院 湖北 宜昌 443002 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計與智能建造重 點實驗室 北京 100125 3 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所 廣州 510630 摘 要 目的 探究側(cè)通風(fēng)窗縱橫比對連棟溫室內(nèi)流場均勻性的影響 為溫室設(shè)計建造提供理論依據(jù) 方法 本 研究以廣州地區(qū)連棟蝶形開窗溫室為研究對象 采用數(shù)值模 擬和試驗結(jié)合的方法 設(shè)計了 4 種不同開窗縱橫比方案 并與試驗溫室 即開窗方案 C 進行對比 引入不均勻系數(shù)評價流場均勻性 研究不同開窗縱橫比下連棟溫室內(nèi)流 場的分布規(guī)律 結(jié)果 通過實測值和模擬值對比 溫度 風(fēng)速的平均誤差分別為 2 48 和 8 76 均方根誤差分 別為 1 10 和 2 1 10 3 m s 驗證了模型的有效性 不同開窗縱橫比對連棟溫室室內(nèi)平均溫度無顯著影響 但溫度 不均勻系數(shù)存在明顯差異 其中開窗方案 A較開窗方案 C總體溫度不均勻系數(shù)減少了 41 5種開窗方案中 開窗 方案 A 的總體平均風(fēng)速和風(fēng)速不均勻系數(shù) 均優(yōu)于其他開窗方式 與開窗方案 C 相比 平均風(fēng)速提高了 23 風(fēng)速 不均勻系數(shù)降低了 41 結(jié)論 從溫室內(nèi)流場分布角度來看 適當(dāng)降低側(cè)通風(fēng)窗縱橫比 能夠有效降低溫度 風(fēng) 速不均勻程度 關(guān) 鍵 詞 連棟溫室 縱橫比 自然通風(fēng) 數(shù)值模擬 中圖分類號 S625 1 文獻標(biāo)志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2022165 高振軍 司長青 丁小明 等 側(cè)通風(fēng)窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響 J 灌溉排水學(xué)報 2022 41 GAO Zhenjun SI Changqing DING Xiaoming et al Influence of Aspect Ratio of Side Ventilation Window on Uniformity of Flow Field in Multi span Greenhouse J Journal of Irrigation and Drainage 2022 41 0 引 言 研究意義 連棟溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要代 表 能夠?qū)崿F(xiàn)作物高效生產(chǎn) 已成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā) 展的重要 方向 1 2 自然通風(fēng)作為溫室環(huán)境調(diào)控常用 的方式 具有經(jīng)濟節(jié)約能耗的特點 因此在日常運 行管理中優(yōu)先使用 已有研究表明通風(fēng)窗的大小 位置及開窗配置是影響溫室微氣候的主要因素 3 5 但開窗縱橫比對室內(nèi)環(huán)境的影響尚未了解 研究進展 計算流體力學(xué) CFD computational fluid dynamic 作為一種新興 高效的計算手段 廣 泛應(yīng)用于溫室通風(fēng)等相關(guān)領(lǐng)域的研究 采用數(shù)值模 擬方法提高溫室性能以及研究溫室流場分布具有重 要作用 柏宗春等 6 研究了自然通風(fēng)條件下大棚通 風(fēng)窗的開設(shè)位置 借助 Fluent 軟件研究不同側(cè)窗和 天窗尺寸下大棚內(nèi)部的流場規(guī)律 趙融盛等 7 以陜 西 地區(qū)塑料溫室為研究對象 分析并比較 4 種側(cè)通 基金項目 十三五 國家重點研發(fā)計劃 2017YFD0701500 農(nóng)業(yè)農(nóng)村 部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室開放課題 201903 作者簡介 高振軍 1986 男 副教授 主要從事 溫室環(huán)境模擬 及流 體 機械 E mail 570186276 通 信 作者 丁小明 1976 男 研究員 主要從事 溫室設(shè)施裝備研究和 標(biāo)準(zhǔn)化 E mail dingxiaoming 風(fēng)口高度下 40 60 80 100 cm 下室內(nèi)流場 氣溫 相對濕度均勻性 何科奭 8 等人研究開窗配 置對溫室微氣候的影響 揭示極低風(fēng)速下 小于 0 6 m s 單棟塑料溫室內(nèi)氣流和溫度場的分布特征 Rasheed等 9 利用 CFD技術(shù) 比較 7種不同屋頂和通 風(fēng)口條件下塑料大棚內(nèi)溫度和通風(fēng)率大小 以上研 究大多關(guān)注 CFD 方法在單棟塑料溫室 單跨溫室的 應(yīng)用 多數(shù)只考慮溫室流場分布特征 缺乏對流場 均勻性 的研究 切入點 目前 鮮有 研究 自然通風(fēng)情況下側(cè) 通風(fēng)窗縱橫比對溫室內(nèi)流場 的影響 擬解決關(guān)鍵問 題 本研究 以 廣州地區(qū)連棟蝶形開窗溫室 為研究對 象 建立連棟溫室三維數(shù)值模型 設(shè)計了 4 種不同 開窗縱橫比并與試驗溫室模型進行對比 引入溫 度 風(fēng)速不均勻性系數(shù) 對 溫室流場分布特性 進行 評價 探索不同開窗縱橫比對 室內(nèi)溫度及風(fēng)速的 分 布規(guī)律 1 材料與方法 1 1試驗溫室 試驗溫室位于廣州市天河區(qū)柯木塱農(nóng)業(yè)技術(shù)推 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間 2022 09 17 08 01 51 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 廣總站示范基地 東經(jīng) 113 40 北緯 23 18 屋 脊為東西朝向 溫室長 36 m 寬 28 8 m 肩高 6 5 m 脊高 7 5 m 溫室東西兩側(cè)設(shè)有濕簾風(fēng)機降溫裝 置以及側(cè)通風(fēng)窗 頂窗采用電動扭矩分配開窗機 構(gòu) 最大開啟角度為 45 屋面覆蓋材料為 4 mm厚 漫反射玻璃 四周覆蓋 5 mm厚度單層鋼化玻璃 1 2試驗條件 選取廣州地區(qū)夏季典型天氣進行試驗 試驗時 間為 2020年 8月 9日 晴天高溫天氣 風(fēng)向與屋脊 方向平行 即與溫室迎風(fēng)面垂直 室外風(fēng)速為 0 3 m s 室內(nèi)無作物 試驗期間環(huán)境穩(wěn)定 現(xiàn)場試驗從 9 00 開始 18 00 結(jié)束 期間溫室頂窗 側(cè)窗均處于 完全打開狀態(tài) 采用 Auto 100 環(huán)境數(shù)據(jù)采集器 北 京奧托 溫度傳 感器精度為 0 5 每隔 1小時自 動采集室內(nèi)外溫度 風(fēng)速 室內(nèi)共設(shè)置 27 個監(jiān)測 點 在 0 6 2 5 3 0 m 高度 處 各布置 9 個采集器 圖 1 室外數(shù)據(jù)采集器距地 2 5 m 進行安裝 周 圍無遮擋 a 連棟溫室實際檢測點平面圖 b 連棟溫室實際檢測點立面圖 圖 1 連棟溫室室內(nèi)測溫點示意圖 Fig 1 Schematic diagram of indoor temperature measurement points in multi span greenhouse 1 3 評價方法 1 3 1 溫室流場評價指標(biāo) 以平均溫度 平均風(fēng)速 作為室內(nèi)流場評價指 標(biāo) 可以反映溫室內(nèi)流場的基本情況 對于連棟溫 室而言 室內(nèi)溫度 風(fēng)速分布不均是制約連棟溫室 快速發(fā)展的主要原因 因此引入溫度不均勻系數(shù) 和風(fēng)速不均勻系數(shù) 作為連棟溫室流場均勻性評價 指標(biāo) 10 計算公式如下 1 2 3 4 式中 為溫度平均值 為溫度均方根差 為溫度不均勻系數(shù) 為速度平均值 m s 為速度均方根差 m s 為速度不均 勻系數(shù) 為了使流場均勻性評價指標(biāo)計算的更加準(zhǔn) 確 11 本研究在溫室長寬高 3 個方向分別以 4 6 4 1 m均勻取點 共選取 350個取樣點 1 3 2 模型精度評價指標(biāo) 為了評價數(shù)值模型的準(zhǔn)確性 引入 相對 誤差 平均 絕對 誤差和均方根誤差 root mean square error RMSE 評價模型的精度 12 評價指標(biāo)越小 意味著 模型精度越高 均方根誤差計算公式如下 5 式中 為參數(shù)模擬值 即溫度 或風(fēng)速 m s x 為參數(shù)實際值 即溫度 或風(fēng)速 m s n為監(jiān)測點數(shù)量 本研究為 27 1 4 模擬方案 通過文獻調(diào)研 當(dāng)室外風(fēng)速小于 0 5 m s 時 由 室內(nèi)外溫差 所 引起的熱壓通風(fēng) 對室內(nèi)環(huán)境的 影響 不 可忽略 13 15 鑒于此 考慮連棟溫室在風(fēng)壓和熱壓 共同作用下 采用數(shù)值計算的方法 探索不同開窗 縱橫比對溫室內(nèi)流場均勻性的影響 在保證開窗面 積以及通風(fēng)窗底邊高度 一致的前提下 只改變側(cè)通 風(fēng)窗縱橫尺寸之間的比例 設(shè)計了 4 種不同開窗方 案與試驗溫室進行比較 采用瞬態(tài)模擬 實際模擬 時間 10分鐘 不同開窗方案見表 1 表 1 不同開窗縱橫比側(cè)通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)參數(shù) Table1 Structural parameters of side ventilation windows with different window aspect ratios 開窗方案 開窗尺寸 比例 縱橫比 A 0 85 m 1 70 m 1 2 0 5 B 0 98 m 1 47 m 2 3 0 67 C 1 20 m 1 20 m 1 1 1 D 1 47 m 0 98 m 3 2 1 5 E 1 70 m 0 85 m 2 1 2 注 縱橫比 即通風(fēng)窗長度方向與高度方向的比值 2 CFD模型 2 1控制方程 假設(shè)連棟溫室室內(nèi)空氣為定常不可壓縮介質(zhì) 傳質(zhì)傳熱過程滿足質(zhì)量 動量和能量守恒方程 并 可由通用方程 6 表示 16 6 式中 為 通用傳輸量 為 流體密度 kg m3 t 為 時間 s 為 流體風(fēng)速矢量 m s 表示廣義擴散系數(shù) m2 s 表示廣義 源相 W m2 2 2物理 模型 對連棟溫室 物理模型 進行簡化 忽略作物栽培 架對自然通風(fēng)的影響 試驗時濕簾風(fēng)機裝置 并 未運 行 模型對其進行刪除 將溫室高度 7 5 m作為距離 單位 H 計算域入口與溫室迎風(fēng)面的距離為 5 H 計 算域出口與溫室背風(fēng)面的距離為 15 H 計算域側(cè)面 距離以及頂部距離均為 5 H 17 利用 Workbench 中 SpaceClaim 模塊建立等比例大小三維模型 具體見 圖 2 以 溫室 寬度方向 為 X 方向 取值范圍為 0 28 8 m 長度 方向為 Y 方向 取值范圍為 36 m 0 高度 方向 為 Z方向 取值范圍為 0 7 5 m 溫 室東西兩側(cè)各設(shè) 9 個側(cè)通風(fēng)窗 尺寸大小 為 1 2 m 1 2 m 底邊距地高度為 2 m a 連棟溫室三維模型 5H 入口 Z Y X 北 東 出口 b 連棟溫室計算域及三維模型 圖 2 連棟溫室 物理 模型 Fig 2 Physical model of multi span greenhouse 2 3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗 對于數(shù)值模擬 需要進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗 以 保證網(wǎng)格數(shù)量不影響最終計算結(jié)果 本研究設(shè)置 3 種不同網(wǎng)格劃分方案 并將模擬溫度值和實際測量 值比較得到平均誤差 結(jié)果見表 2 可以看出 3 種 方案溫度平均誤差在 2 5 左右 均 滿足計算要求 考慮到計算精度及耗費時間 選擇細(xì)網(wǎng)格劃分方 式 表 2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗 Table 2 Grid independence test 網(wǎng)格劃分方案 網(wǎng)格數(shù)量 平均誤差 粗網(wǎng)格 1 700 000 2 56 細(xì)網(wǎng)格 2 000 000 2 48 密網(wǎng)格 2 500 000 2 35 2 4邊界條件及模型求解 廣州 地區(qū) 夏季高溫弱風(fēng) 室內(nèi)環(huán)境對作物生長 具有較大影響 因此 本研究選取中午 13 00作為模 型初始時刻 對模型進行初始化設(shè)置 室外初始溫 度為 32 6 室內(nèi)溫度為 42 2 西面 進風(fēng)口設(shè)為 速度進口 大小為 0 3 m s 弱風(fēng)條件 方向與屋脊 方向平行 入口溫度為 32 6 東面 出風(fēng)口為壓力 出口 壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 溫室地面及圍護結(jié)構(gòu)設(shè) 置為壁面邊界條件 通風(fēng)窗設(shè)置為內(nèi)部邊界條件 模型考慮浮升力影響 添加 Boussinesq 模型模擬自 然對流 激活 DO 輻射模型 并通過太陽追蹤法 Solar Ray Tracing 將太陽輻射加載到計算域中 選 擇 RNG 湍流 模型進行模擬 求解器采用瞬態(tài) 基于壓力求解 選擇 SIMPLEC算法 動量和湍流動 能選用二階迎風(fēng)格式 18 20 表 3 為連棟 溫室材料物 性參數(shù) 表 3 連棟溫室材料物性參數(shù) Table 3 Physical parameters of greenhouse materials 參數(shù) 玻璃 土壤 空氣 密度 kg m 3 2 500 2 000 1 18 比熱容 J kg 1 K 1 700 2 000 1 006 43 導(dǎo)熱系數(shù) W m 1 k 1 0 71 2 0 024 2 吸收率 0 1 0 5 0 散射系數(shù) 0 1 0 折射率 1 7 1 1 3 結(jié)果分析 3 1模型驗證 為了驗證連棟溫室模型 的準(zhǔn)確性 以 13 00實際 測得環(huán)境參數(shù)作為模擬的初始條件 模擬連棟溫室 自然通風(fēng) 1 小時 后室內(nèi)流場的變化 將溫室各監(jiān)測 點參數(shù)實測值和模擬結(jié)果相對比 得到各監(jiān)測點溫 度相對誤差范圍為 0 09 5 31 平均 相對 誤差為 2 48 均方根誤差為 1 10 風(fēng)速相對誤差范圍 為 0 18 92 平均 相對 誤差為 8 76 均方根誤差 3 2不同開窗縱橫比對連棟溫室 為 2 1 10 3 m s 表明 該模型能夠準(zhǔn)確模擬室內(nèi)流場分布 可用于后續(xù)溫 室流場模擬 溫度的影響 3 2 1不同開窗縱橫比連棟溫室縱截面溫度分布 取溫室寬度 方向 的 中心截面作為典型截面 不 同開窗縱橫比下溫度分布見圖 3 可以看出 高度方 向上溫室中層及下層的溫度較低 高溫區(qū)域集中在 溫室頂層附近 溫度分布呈現(xiàn)自下到上的梯度變 化 這是由于熱壓作用 熱空氣向上冷空氣向下運 動 形成上層高溫下層低溫的分布規(guī)律 長度方向 上室內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)出 迎風(fēng)側(cè)溫度低 背風(fēng)側(cè)溫度 高 的 現(xiàn)象 一方面是由于室外冷空氣首先和迎風(fēng)窗 附近熱空氣進行交換 帶走了大部分熱量 使得迎 風(fēng)側(cè)溫度低 另一方面 背風(fēng)側(cè)窗口附近空氣因受 太陽輻射和地面輻射加熱的影響 溫度升高 由于 室內(nèi)壓力小于室外壓力 熱空氣進入溫室導(dǎo)致背風(fēng) 側(cè)溫度高 此外 隨著開窗縱橫比的增加 低溫區(qū) 域不斷減小 高溫區(qū)域不斷增加 表明開窗縱橫比 影響氣流的縱向進深能力 即 氣流 沿溫室長度方向 的深入能力 這 是由于隨著縱橫比不斷增加 通風(fēng) 窗高度方向尺寸逐漸減小 氣流在發(fā)展過程中上下 層氣流流通能力減弱 a 開窗方案 A b 開窗方案 B c 開窗方案 C d 開窗方案 D e 開窗方案 E 圖 3 X 14 4 m時不同開窗縱橫比連棟溫室溫度分布 Fig 3 Temperature distribution of muti span greenhouses with different window aspect ratios at X 14 4 m 3 2 2不同開窗縱橫比連棟溫室橫截面溫度變化 由圖 4 a 可見 開窗方案 B 開窗方案 C 開窗 方案 E 沿溫室長度方向截面平均溫度呈現(xiàn)出上升的 趨勢 這是由 于縱向進深距離增加氣流換熱能力減 弱 以及 背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓熱壓共同作用 導(dǎo)致的 詳細(xì)分 析可見 3 2 1 開窗方案 A 沿溫室長度方向 截面平均 溫度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢 原因是該縱橫比 下迎風(fēng)側(cè)冷氣流 和背風(fēng)側(cè)熱氣流在溫室中部氣流上 下流通能力較強 導(dǎo) 致該區(qū)域的平均溫度較低 開 窗方案 D 與開窗方案 A 的變化趨勢相同 只是 平均 溫度最低區(qū)域位置靠近背風(fēng)側(cè) 此外 通過對比開 窗方案 C 與其余開窗方案平均溫度 發(fā)現(xiàn)降溫幅度 最大為 0 9 并無顯著差異 表明在相同開窗條件 下 只改變開窗縱橫比對室內(nèi)平均溫度影響較小 由圖 4 b 可見 開窗方案 A 開窗方案 B 開 窗方案 D 開窗方案 E 沿溫室長度方向上的不均勻 系數(shù) 呈現(xiàn)出 先上升后下降 的趨勢 這是 由于迎風(fēng)側(cè) 氣流發(fā)展時受到相向而來的背風(fēng)側(cè)氣流 導(dǎo)致 室內(nèi) 出現(xiàn)氣流停滯區(qū)溫度不均系數(shù)上升 隨著縱向進深 距離增加 迎風(fēng)側(cè)氣流逐漸減弱 背風(fēng)側(cè)氣流 增 強 溫度分布逐漸穩(wěn)定 溫度不均勻系數(shù)隨之下 降 開窗方案 C 沿溫室長度方向上不均 勻 系數(shù) 呈現(xiàn) 出 緩慢 上升的趨勢 沒有出現(xiàn)明顯 上下 波動 的情 況 a 平均溫度變化曲線 b 溫度不均勻系數(shù)變化曲線 圖 4 連棟溫室長度方向平均溫度及不均勻系數(shù)變化 Fig 4 Variation of average temperature and uneven coefficient along the length of multi span greenhouse 3 2 3 不同開窗縱橫比對連棟溫室豎直截面溫度變化 由圖 5 a 可見 開窗方案 B 開窗方案 C 開窗 方案 E 沿溫室豎直方向截面平均溫度呈現(xiàn)出先下降 后上升的趨勢 這是由于空氣在垂直高度方向存在 密度差 迎風(fēng)側(cè)冷空氣由上到下運動 通風(fēng)窗底部 以下區(qū)域溫度較低 通風(fēng)窗底部以上區(qū)域溫度較 高 開窗方案 A 和 D 沿溫室豎直方向截面 平均溫度 呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢 此外 垂直高度在 2 6 m 之間溫度梯度由大到小排序依次為開窗方案 C 開 窗方案 E 開窗方案 D 開窗方案 B 開窗方案 A 即開窗縱橫比為 1 豎直方向溫度變化率最大 為 8 25 10 2 m 開窗縱橫比為 0 5 豎直方向溫度變 化率最小 為 1 75 10 2 m 由圖 5 b 可見 開窗方案 B 開窗方案 E 沿溫 室豎直方向截面不均勻系數(shù) 呈現(xiàn)出 先下降后上升 的 趨勢 這是由于迎風(fēng)側(cè)溫度較低 背風(fēng)側(cè)溫度較 高 而通風(fēng)窗所在高度范圍空氣流通能力強 溫度 分布較為均勻 因此隨著高度的增加迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng) 側(cè)溫度差異先減小后增加 而 開窗方案 A 沿溫室豎 直方向截面不均勻系數(shù)呈現(xiàn)出 逐漸 上升的趨勢 此 外 垂直高度在 2 6 m 之間溫度不均勻系數(shù)梯度 由大到小排序依次為開窗方案 E 開窗方案 D 開 窗方案 A 開窗方案 B 開窗方案 C 即開窗縱橫 比為 2 豎直方向溫度不均勻系數(shù)變化率最大 為 1 97 10 3 m 開窗縱橫比為 1豎直方向溫度不均 勻系數(shù)變化率最小 為 0 96 10 3 m a 平均溫度變化曲線 b 溫度不均勻系數(shù)變化曲線 圖 5 連棟溫室豎直方向平均溫度及不均勻系數(shù)變化 Fig 5 Variation of average temperature and uneven coefficient in vertical direction of multi span greenhouse 3 3 不同開窗縱橫比對連棟溫室風(fēng)速的影響 3 3 1 不同開窗縱橫比連棟溫 室縱截面風(fēng)速分布 取溫室寬度方向的中心截面作為典型截面 不 同開窗縱橫比下風(fēng)速分布見圖 6 室外空氣從溫室 兩側(cè)通風(fēng)窗進入從頂窗排出 兩側(cè)通風(fēng)窗口處風(fēng)速 較高 并且背風(fēng)側(cè)風(fēng)速高于迎風(fēng)側(cè) 隨著開窗縱橫 比的增加 迎風(fēng)側(cè)氣流縱深能力不斷減弱 背風(fēng)側(cè) 氣流縱深能力不斷增強 同時迎風(fēng)側(cè) 背風(fēng)側(cè)區(qū)域 均出現(xiàn)低速區(qū)域 這是背風(fēng)側(cè)以熱壓為主的上升氣 流和迎風(fēng)側(cè)風(fēng)壓為主的上升氣流相遇 形成氣流漩 渦 導(dǎo)致該區(qū)域流通能力較差 造成風(fēng)速分布不 均 因此在弱風(fēng)條件下 室內(nèi)氣流組織均勻性須同 時考慮風(fēng)壓和熱壓的綜合影響 a 開窗方案 A b 開窗方案 B c 開窗方案 C d 開窗方案 D e 開窗方案 E 圖 6 X 14 4 m時不同開窗縱橫比連棟溫室風(fēng)速分布與流線 Fig 6 Wind speed distribution and streamlines of muti span greenhouses with different window aspect ratios at X 14 4 m 3 3 2不同開窗縱橫比下橫截面風(fēng)速變化 由圖 7 a 可見 不同開窗縱橫比下 沿溫室長度 方向截面平均風(fēng)速 均 呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢 這是由于溫室迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均為高速區(qū)域 在氣 流發(fā)展過程中 兩側(cè)氣流 相遇 容易形成氣流渦 旋 導(dǎo)致平均風(fēng)速下降 并且 開窗方案 A 平均風(fēng) 速 的均值 優(yōu)于其他開窗方案 較開窗方案 C 提高了 50 由圖 7 b 可見 沿溫室長度方向截面風(fēng)速不均 勻系數(shù)沒有明顯規(guī)律變化 所以僅分析不同開窗方 案最小不均勻系數(shù)位置 開窗方案 A 和 開窗方案 E 在 Y 24 m 時 風(fēng)速不均勻系數(shù)取得最小值分別為 0 32和 0 33 開窗方案 B在 Y 16 m時 風(fēng)速不均勻 系數(shù)取得最小值為 0 34 開窗方案 C在 Y 28 m時 風(fēng)速不均勻系數(shù)取得最小值為 0 43 開窗方案 D 在 Y 12m 時 風(fēng)速不均勻系數(shù)取得最小值 0 42 由此 可 知 風(fēng)速均勻的區(qū)域大多分布在靠近溫室背風(fēng)側(cè) 區(qū)域 這是由于背風(fēng)側(cè)區(qū)域以熱壓通風(fēng)為主 氣流 受到干擾因素較少 風(fēng)速分布較為均勻 a 平均風(fēng)速變化曲線 b 風(fēng)速不均勻系數(shù)變化曲線 圖 7 連棟溫室長度方向平均風(fēng)速及不均勻系數(shù)變化 Fig 7 Variation of average wind speed and uneven coefficient in the length direction of multi span greenhouse 3 3 3不同開窗縱橫比下豎直截面風(fēng)速變化 由圖 8 a 可見 不同開窗縱橫比下 沿溫室豎直 方向截面平均風(fēng)速 均 呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢 這是由于通風(fēng)窗底部以下區(qū)域空氣向上運動時 受 到來自迎風(fēng)側(cè)水平方向上的氣流干擾 容易形成氣 流渦旋 平均風(fēng)速下降 隨著高度的增加 氣流發(fā) 展充分 平均風(fēng)速 增大 并且 開窗方案 A 平均風(fēng) 速 的均值 優(yōu)于其他開窗方案 較開窗方案 C 提高了 36 由圖 8 b 可見 開窗方案 A 開窗方案 B 開 窗方案 C 開窗方案 E 沿溫室豎直方向截面風(fēng)速不 均勻系數(shù)變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢 主要是 由于溫室兩側(cè)氣流相遇 造成風(fēng)速在同一截面上分 布不均 導(dǎo)致風(fēng)速不均勻系數(shù)上 升 隨著氣流的不 斷發(fā)展 氣流渦旋區(qū)域逐漸減小不均勻系數(shù)隨之下 降 開窗方案 D 風(fēng)速不均勻系數(shù)曲線在豎直高度 1 3 m呈現(xiàn)出下降趨勢 由圖 6 d 可知 這是由于背 風(fēng)側(cè)與迎風(fēng)側(cè)溫室底部風(fēng)速具有較大差異 導(dǎo)致同 一截面風(fēng)速不均勻系數(shù)較大 但隨著高度的增加 流通能力增強使得同一截面風(fēng)速差異減小 a 平均風(fēng)速變化曲線 b 風(fēng)速不均勻系數(shù)變化曲線 圖 8 連棟溫室豎直方向平均風(fēng)速及不均勻系數(shù)變化 Fig 8 Variation of average wind speed and uneven coefficient in vertical direction of multi span greenhouse 3 4流場均勻性評價 為了全面評價不同開窗方案對溫室通風(fēng)效果的 影響 依據(jù)公式 1 公式 4 計算 5種開窗方案總體 平均溫度 總體溫度不均勻系數(shù) 總體平均風(fēng)速 總體風(fēng)速不均勻系數(shù) 計算結(jié)果如表 4所示 表 4 不同開窗縱橫比下溫室流場均勻性評價指標(biāo) Table 4 Evaluation indicators of the uniformity of the greenhouse flow field under different windowing aspect ratios 開窗 方案 總體平均 溫度 總體溫度不 均勻系數(shù) 總體平均風(fēng)速 m s 1 總體風(fēng)速不 均勻系數(shù) A 35 17 2 46 10 3 0 32 0 13 B 35 54 3 82 10 3 0 23 0 23 C 35 35 4 19 10 3 0 26 0 22 D 35 40 4 80 10 3 0 24 0 27 E 35 35 8 23 10 3 0 24 0 22 從表 4 可見 開窗方案 C 與 其余開窗方案室內(nèi) 平均溫度 相比 最大溫差為 1 表明改變開窗縱橫比 對溫室內(nèi)平均溫度影響不顯著 不同開窗縱橫比下 室內(nèi)溫度 風(fēng)速不均勻性系數(shù)存在明顯差異 具體 表現(xiàn)為 開窗方案 A 的平均風(fēng)速和風(fēng)速不均勻系數(shù) 明顯要優(yōu)于其余開窗方案 與開窗方案 C 相比 開 窗方案 A 的平均風(fēng)速提高了 23 風(fēng)速不均勻系數(shù) 降低了 41 表明開窗縱橫比為 0 5 時 能夠增加 空氣上下流通能力 降低風(fēng)速不均勻系數(shù) 隨著開 窗縱橫比的增大 溫度不均勻系數(shù)逐漸增加 表明 開窗縱橫比對連棟溫室溫度分布均勻性具有重要影 響 其中開窗方案 A 較開窗方案 C 的溫度不均勻系 數(shù)降低了 41 4 討 論 自然通風(fēng)作為連棟溫室常用的通風(fēng)方式之一 通常采用通風(fēng)窗的合理配置以提高室內(nèi)溫度 風(fēng)速 分布 均勻性 王新忠 等人 21 認(rèn)為 側(cè)窗和頂窗 聯(lián)合通 風(fēng)作用下 室內(nèi)降溫效果最好 Akrami 等 22 在 研究 側(cè)通風(fēng)與頂通風(fēng)對室內(nèi)微氣候的影響 發(fā)現(xiàn)側(cè)通風(fēng) 口對通風(fēng)的貢獻最大 現(xiàn)有研究表明側(cè)窗對室內(nèi)氣 流流動以及合理分布發(fā)揮著重要的作用 因此 為 了 保證 室內(nèi)流場均勻 分布 為 作物 生長提供適宜的 生長環(huán)境 有 必要 開展 側(cè)通風(fēng)窗對室內(nèi) 流場分布均 勻性 的 研究 本研究 設(shè)計 了 5 種不同開窗縱橫比方案 發(fā)現(xiàn) 在不同側(cè)通風(fēng)窗縱橫比下 室內(nèi)溫度 風(fēng)速不均勻 系數(shù) 具有較大差異 主要是由于自然通風(fēng)條件下室 內(nèi)環(huán)境受到風(fēng)壓和熱壓的共同作用 表明開窗縱橫 比對室內(nèi)流場分布均勻性具有較大影響 隨著開窗 縱橫比的不斷減小 氣流的縱向進深能力不斷增 強 主要是 由于 在開窗面積一定的情況下 側(cè) 通風(fēng) 窗豎向尺寸越大 氣流上下流通能力越強 使得室 內(nèi)溫度 風(fēng)速分布更加均勻 這與程征 23 得出的結(jié) 論一致 開窗縱橫比對室內(nèi)平均溫度影響不顯著 表明開窗縱橫比主要影響氣流分布 均勻性 對室內(nèi) 溫度 大小 影響有限 此外 本研究并未考慮作物對連棟溫室通風(fēng)的 影響 實際生產(chǎn)中作物會阻礙氣流流通 造成溫 度 速度分布不 均 另外 濕度作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須 考慮的環(huán)境因子 了解室內(nèi)濕度分布均勻性具有重 要的意義 因此 日后考慮將作物以及濕度等因素 納入到 CFD 仿真模型 以期能夠更好指導(dǎo)溫室設(shè)計 建造 5 結(jié) 論 1 將 27 個監(jiān)測點參數(shù)實測值和模擬值進行對 比 溫度平均誤差為 2 48 均方根誤差為 1 10 風(fēng)速平均誤差為 8 76 均方根誤差為 2 1 10 3 m s 誤差在可接受范圍內(nèi) 驗證了模型的 有效性 2 不同開窗縱橫比對連棟溫室室內(nèi)平均溫度無 顯著變化 但對室內(nèi)溫度分布均勻性具有顯著影 響 開窗縱橫比越大 迎風(fēng)側(cè)冷空氣 在溫室長度方 向縱深能力越弱 室內(nèi)溫度分布越不均勻 溫度不 均勻系數(shù)越高 其中開窗方案 A 較開窗方案 C 總體 溫度不均勻系數(shù)減少了 41 3 不同開窗縱橫比下連棟溫室室內(nèi)溫度 風(fēng)速 不均勻性系數(shù)存在明顯差異 5種開窗方案中 開窗 方案 A 的總體平均風(fēng)速和風(fēng)速不均勻系數(shù)均優(yōu)于其 他開窗方式 與開窗方案 C 相比 平均風(fēng)速提高了 23 風(fēng)速不均勻系數(shù)降低了 41 參考文獻 1 李永欣 王朝元 李保明 等 荷蘭 Venlo型連棟溫室夏季自然通風(fēng)降溫 系統(tǒng)的試驗研究 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2002 7 6 44 48 LI Yongxin WANG Chaoyuan LI Baoming et al Experimental research on cooling effect of natural ventilation in a venlo type multi span greenhouse J Journal of China Agricultural University 2002 7 6 44 48 2 趙寶山 閆浩芳 張川 等 Venlo型溫室內(nèi)參考作物蒸散量計算方法比 較研究 J 灌溉排水學(xué)報 2018 37 7 61 66 ZHAO Baoshan YAN Haofang ZHANG Chuan et al Comparison of different methods for calculating the evapotranspiration in Venlo type greenhouse 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