不同通風形式日光溫室濕熱特性的數值模擬.pdf

中國農業(yè)大學學報 nullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 鄭若琳 楊魏 劉竹青 null不同通風形式日光溫室濕熱特性的數值模擬 null null中國農業(yè)大學學報 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 不同通風形式日光溫室濕熱特性的數值模擬 鄭若琳 null 楊 魏 null null 劉竹青 中國農業(yè)大學 水利與土木工程學院 北京 nullnullnullnullnullnull 摘 null 要 null 研究日光溫室不同通風形式對室內濕熱特性的影響 采用計算流體動力學數值模擬方法 構建日光溫室 作物 null 環(huán)境濕熱系統的數值模擬模型 將模擬結果與試驗測量結果進行對比 溫度和相對濕度的模擬值與實測值 的最大相對誤差分別為 nullnullnullnull和 nullnullnullnull 驗證了所構建模型的準確性 應用該模型模擬不同通風形式下溫室內的 氣流和溫濕度分布情況 比較分析不同的通風形式對室內濕熱特性的影響 結果表明 不同的通風形式會影響室 內氣流的運動軌跡和速度 從而影響室內溫度和相對濕度的分布變化 僅開啟上通風口通風時 室內的平均溫度 和相對濕度較高 氣候分布均勻 整體變化較小 適宜冬春季節(jié)或清晨傍晚室內溫濕度較低時的通風要求 僅開啟 下通風口通風時室內溫濕度分布模式均勻性最差 進風口處的溫濕度明顯低于北墻 且進口存在渦流 不利于作物 生長發(fā)育 上 下通風口均只開一半通風時 作物區(qū)平均溫度和相對濕度分別為 nullnullnullnullnull和 nullnullnull 上 下通風口均全 開時作物區(qū)平均溫度和相對濕度為 nullnullnullnullnull和 nullnullnullnullnull 較于前者室內溫度和相對濕度分別降低了 nullnullnullnull和 nullnullnullnull 適宜于炎熱天氣下日光溫室內的降溫除濕要求 關鍵詞 null 日光溫室 計算流體動力學 微氣候 通風形式 多孔介質 中圖分類號 nullnullnullnullnullnullnullnull 文章編號 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull文獻標志碼 nullnull 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 基金項目 國家自然科學基金項目 nullnullnullnull 第一作者 鄭若琳 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 碩士研究生 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 通訊作者 楊魏 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 教授 博士生導師 主要從事水利機械優(yōu)化設計及水利機械流動理論研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null 第 null期 鄭若琳等 不同通風形式日光溫室濕熱特性的數值模擬 null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null nullnull 日光溫室自然通風形式主要有后墻通風 溫室 前屋面通風及屋脊通風等 null 由于自然通風形式操 作簡單 能耗較低 適用范圍廣 已成為溫室最普遍 的通風換氣方式 同時 溫室作為一個半封閉的設 施體系 作物通過自身的蒸騰 呼吸和光合作用與環(huán) 境之間相互影響 因此 作物蒸騰也是影響溫室氣候 的重要因素之一 null 由于日光溫室的自然通風和半 封閉性等特點 使得日光溫室內的濕熱環(huán)境與通風 形式耦合性較強 因此研究不同通風形式對室內微 氣候變化的影響對于優(yōu)化作物生長環(huán)境 制定溫室 通風調控策略具有重要意義 溫室具有地域和時間差異性 參數變化的滯后 以及和環(huán)境耦合性很強等特點 對溫室在投入使用 之前進行通風測試和對作物進行高效優(yōu)質生產監(jiān)測 顯然是不現實的 不能滿足實際生產的需要 隨著 計算機技術的發(fā)展 基于 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 的數值模擬技術成為研究溫室微氣候的 一個有力工具 計算流體動力學 nullnullnull 具有有效 準確地量化通風溫室室內氣候變量的潛力 流體壓 力 溫度和速度等變量的時空場解均可以用 nullnullnull 模 擬來描述 方慧等 null 研究了基于 nullnullnull 技術的日光 溫室在不同通風模式下溫度和氣流場的分布 預測 了溫室不同走向時的氣溫空間分布 何科爽等 null 利 用 nullnullnull 數值模型研究了在極低風速下不同風況和 開窗配置下溫室內流場 溫度的分布和規(guī)律 揭示了 極低風速下 小于 nullnullnullnull null 單棟塑料溫室內氣候特 征 王新忠等 null 分析了屋頂全開型玻璃溫室夏季通 風降溫調控的開窗角度 得出夏季高溫季節(jié)溫室通 風降溫的調控方法 國內外 null nullnullnull 針對不同地區(qū) 溫 室類型 通風布置以及室外環(huán)境條件的 nullnullnull 數值模 擬研究與試驗結果均吻合良好 本研究擬采用多孔介質和離散坐標輻射模型 nullnull 輻射模型 構建日光溫室 nullnullnull 數值計算模型 與試驗結果對比驗證模型的準確性 應用該模型研 究不同通風形式對溫室內濕熱氣候的影響 以期為 溫室生產過程提供合理的濕熱調控措施 nullnull 試驗設計 nullnullnullnull 試驗對象 試驗溫室位于北京市通州區(qū) 東經 nullnullnullnull 北緯 nullnullnull 為前屋面上 下通風口開窗式通風日光溫室 東西走向 長 nullnullnull 寬 nullnull 脊高 nullnullnullnull 溫室東側 配備操作間 試驗期間操作間窗口和屋門關閉 覆 膜材料為透明塑料 nullnull 膜 采用鍍鋅鐵結構支撐 厚 度約為 nullnullnullnullnull 墻體為磚墻結構 墻體厚度 nullnullnullnull 高 nullnullnullnull 后屋面為保溫板 構造為兩層鐵皮中間 夾厚度約 nullnullnullnull 的聚苯乙烯泡沫板 溫室通風口處 配備有 nullnull 目 防 蟲 網 室內栽有作物黃瓜 共 有 nullnull 壟 每壟長為 nullnullnullnull 寬大約為 nullnullnullnull 秧苗高度 nullnullnullnull 南北方向種植 溫室剖面圖見圖 null 圖 null null 日光溫室剖面圖 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 試驗設置 試驗于 nullnullnullnull 年 null 月 nullnull 日 nullnullnullnull 年 null 月 nullnull 日 進行 室內溫度和相對濕度采用布點測量方法進行 測量 在溫室內共布置了 nullnull 的測點 使用 nullnullnullnullnullnull 溫濕度記錄儀 溫度測量范圍為 nullnullnullnullnullnullnull 精度 nullnullnullnullnull 濕度測量范圍 nullnullnullnullnull 精度 nullnullnull 測量 室內空氣的溫濕度 溫濕度傳感器對記錄進行自動 保存 作物冠層溫 濕度采用干濕球溫度計測量 需 手動讀數 在溫濕度記錄儀和干濕球溫度計的外部 均進行遮光處理以防止太陽輻射對測量結果的影 響 測量之前對溫濕度傳感器和干濕球溫度計進行 nullnullnull 中 國 農 業(yè) 大 學 學 報 nullnullnullnull年 第 nullnull卷 null 校正 由于安裝布置傳感器位置存在誤差 故在測 點布置完全之后再對測點坐標進行測量 以實際安 裝后的坐標為驗證測點坐標 規(guī)定溫室正南方向為 null 軸正向 豎直向上方向為 null 軸正向 正西方向為 null 軸正向 以溫室后墻和東墻的交點為原點 溫濕度 測點坐標分別為 null nullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 單位為 null 測點布置見圖 null nullnull nullnull nullnullnull為溫濕度測點 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 圖 null null 日光溫室溫濕度布點 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 室內中部無遮陰處放置 nullnullnullnullnullnullnullnull 型照度計 測量 范 圍 nullnullnullnullnullnull 萬 nullnull 分 辨 率 nullnullnullnullnull 精 度 nullnullnull 測量太陽照度并將測量結果轉化為太陽輻射 以測量室內的輻射強度 照度值和太陽輻射強度的 關系為 nullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull 地表溫度和圍護結構 溫度采用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 型紅外測溫儀 測量范圍 為 nullnullnullnullnullnullnullnull 精度 nullnullnullnull 分辨率 nullnullnullnull 測量 測量距離保持在 nullnullnullnull 以內且垂直于被測量物體 地表溫度選取室內無遮陰的地方進行測量 測量溫 室東南西北中各區(qū)域地表溫度并取平均值作為參考 地表溫度 溫室風速由 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 手持式熱線風 速儀 測量范圍 nullnullnullnullnull null 精度 nullnullnullnull null 分辨率 nullnullnullnullnull null 進行測量 以上所有數據采集周期為 nullnullnullnullnull 并取均值處理 室外氣象參數由微型氣象 站自動采集 室外參數主要包括 風速 風向 溫度 相對濕度 太陽輻射強度等 室外氣象站距離溫室 南側墻 nullnullnull 離地高度 nullnull 葉面積指數是指單位 土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數 采 用卡尺對葉片的長度和寬度進行測量 將不同的葉 片簡化為三角形或正方形來計算其面積 選取 nullnull 個代表行中的典型作物測其葉面積 并將得到的葉 面積指數取平均值 nullnullnullnull 研究方法 試驗期間天氣晴好 溫室的上 下通風口的開度 均為 nullnullnull 以日光溫室的室內外實測參數為邊界條 件 構建溫室 null 作物 null 環(huán)境的 nullnullnull 數值計算模型 將 模型測點的模擬值與實際測量值進行對比驗證模型 的有效性 利用該模型模擬上 下通風口開度不同 時室內的濕熱環(huán)境 分析不同通風口開度下日光溫 室內的氣流 溫度和相對濕度的特征和變化規(guī)律 各通風形式下通風口開度的設置見表 null 表 null nullnull 種通風形式下通風口開度的設置 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 通風形式 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 上通風口開度 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 下通風口開度 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull null nullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull null 第 null期 鄭若琳等 不同通風形式日光溫室濕熱特性的數值模擬 nullnull 數值模擬模型與邊界條件 nullnullnullnull 基本控制方程及湍流模型 假設自然通風情況下溫室內氣體為不可壓縮牛 頓流體 將溫室內氣體視為水蒸氣和干空氣的混合 體 水蒸氣未發(fā)生相變 室內氣流流動為湍流 忽略 由于空氣粘性引起的能量耗散 混合氣體在流動過 程中遵循能量守恒方程 質量守恒方程以及動量守 恒方程 其通用形式 nullnull 為 null nullnull nullnull nullnullnullnull null null null nullnull null nullnull null null null null nullnullnull null nullnullnullnull null null 式中 null 為通用傳輸量 null 為流體密度 nullnull null null null 為 流體速度 null null null null 為擴散通量 null null 為通用變量 null 的 有效交換系數 null null 為廣義源項 溫室內的空氣主要是由水蒸氣和干空氣組成的 混合氣體 受太陽輻射的影響 相對濕度在一天中 變化較大 自然通風過程中 室內濕空氣隨氣流流 動與室外環(huán)境不斷進行對流和擴散 這個過程可用 組分傳輸守恒方程描述 null nullnull null nullnull null null null nullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull null nullnull null null nullnull null 式中 nullnull 為混合物中第 null 種組分的質量分數 nullnull 為 物質的擴散通量 由濃度梯度產生 nullnull 為化學反應 的凈產生速率 nullnull 為離散相及用戶自定義的源項導 致的額外產生速率 nullnull null 為第 null 種組分的質量擴散 系數 濕空氣中水蒸氣的質量濃度 null 滿足質量守恒 方程 nullnull null nullnull null nullnull null null nullnull null nullnullnull null null nullnull null nullnullnull null null nullnull null nullnullnull null null nullnull nullnull nullnullnull null null null null nullnull nullnull nullnullnull null null null null nullnull nullnull nullnullnull null null nullnullnull null 組分傳輸守恒方程用于描述室內濕空氣隨空 氣流動與室外環(huán)境進行的對流擴散 采用標準 nullnull 湍流模型進行計算 該模型在溫室研究中收斂較 好 近壁區(qū)流動未充分發(fā)展加入標準壁面函數 方程 nullnullnullnull 作物模型 作物對氣流流動施加機械張力 并與空氣的質 量和能量平衡相互作用 nullnullnullnullnullnull 多孔介質模型 目前國內外在 nullnullnull 模擬中對作物的處理方法 主要有 null 種 一種是基于多孔介質方法建立作物對 氣流的流體動力學解釋 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 等則將作物分層 并在每一層輸入不同的參數來表征作物與環(huán)境之間 的相互作用 nullnull 本研究采用植物多孔介質模型來 模擬植物的影響 植物對空氣的拖拽效應通過基本方程的動量方 程源項來體現 假設植物為均勻的各向同性多孔介 質 有 null nullnullnull null null nullnullnull null nullnullnull null null null 式中 null null 為動量源項 null 為空氣動力粘度 null null null null null 為多孔介質的滲透率 null 的取值為 nullnullnullnullnull nullnull null 為 非線性動量損失系數 null nullnull null 為空氣速度 null null 由于空氣粘度的數量級 nullnull nullnull 對比流體速度來 說很小 故式 null 可以改寫為 null nullnullnull null null nullnullnull null null null 與方程 null 源項相對應的表征作物拖曳效應的動量 匯可以用公式表示為冠層的體積單位 nullnull 為 null nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull null 式中 nullnullnull 為葉面積密度 定義為葉面積指數和植 物高度的比值 null null null null 由試驗測得 nullnull 為阻力系 數 本研究中取 nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull 能量平衡 作物接收到的輻射通量被轉換為潛熱和顯熱 能量平衡 nullnull 表示為 nullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull null 式中 nullnull 為作物冠層的凈輻射 null null null null null 為恒壓下 空氣 的 比 熱 null nullnull null nullnullnullnull 為 葉 面 積 指 數 null null null null nullnull 和 nullnull 為冠層和室內空氣的溫度 null nullnullnull 為 葉片的空氣動力阻力 null null null 為水蒸發(fā)潛熱 nullnull 和 nullnull 為葉片和空氣的絕對濕度 nullnull null null nullnull 為葉片的 氣孔阻力 null null 如果內部空氣速度小于 nullnullnull 則氣孔 阻力可以由式 nullnull 得出 nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnull 對流潛熱通量由葉片氣孔阻力模型確定 該模 型允許確定水蒸氣從作物內部到葉片表面擴散 null 作物吸收的太陽輻射量通過蒸騰作用將其轉化為汽 nullnullnull 中 國 農 業(yè) 大 學 學 報 nullnullnullnull年 第 nullnull卷 null 化潛熱 并影響室內的濕度分布 將蒸騰潛熱作為 一個組分 以自定義源項的形式添加到組分方程中 作物和環(huán)境之間的顯熱交換由作物冠層的空氣動力 學特征決定 顯熱交換以能量的形式進行 顯熱量 在能量方程中以源項的形式定義 nullnullnullnullnullnull 物理模型 室內共 nullnull 壟黃瓜 每壟長約 nullnullnullnull 高 nullnullnullnull 寬 nullnullnullnull 因此將作物簡化為 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的六面體區(qū)域 對成熟期作物黃瓜進行建模處理并 設為作物區(qū) 作物區(qū)共包含 nullnull 個作物模型 由于靠 近地面處的根莖部分較為稀疏 孔隙率較大 因此在 距地面 nullnullnullnull 處的根莖部分建模時忽略不計 nullnullnullnull 網格生成及邊界條件 采用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 軟件進行幾何建模 將計算區(qū)域劃分為 null 個部分 計算外域 計算內域 作物域 計算外域為 室外的長方體區(qū)域 溫室為計算內域 位于長方體區(qū) 域中心 其背風面距計算外域出口的距離大于 nullnull 倍 建筑物的高度 網格生成通過 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 中的 nullnullnullnull 軟件 使用非結構化四面體網格對計算 域進行劃分 溫室網格尺寸設置為 nullnullnullnull 加密頂 窗 側窗及作物區(qū)的網格 使其網格尺寸為 nullnullnullnull 共生成網格 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 個 總體網格質量在 nullnullnullnull 以 上 網 格 扭 曲 度 在 nullnullnullnull 以 下 平 均 網 格 質 量 為 nullnullnullnullnullnullnull 平均網格扭曲度為 nullnullnullnullnullnullnull 確定邊界條件并將其包含在 nullnullnull 模型中的方 式對數值結果的質量起著至關重要的作用 邊界條 件根據試驗測試數據設置 在輻射模型中設定棚膜 對可見光和近紅外光的吸收率和透射率 以模擬其 對不同波長的選擇性 溫室內外的能量通過棚膜及 墻體以對流 熱傳導和輻射 null 種形式進行熱交換 溫室墻體設為耦合邊界條件 東西側墻和室內考慮 太陽輻射影響 其余不參與輻射計算 天空對太陽輻射的吸收能力可以由等效的天空 溫度描述 晴朗無云的天氣情況下 等效的天空溫 度 nullnull 為 nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnull 式中 nullnull 為室外空氣溫度 null 表 null null 主要材料的光學和熱學屬性 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 參數 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull膜 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 磚墻 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 土壤 nullnullnullnull 作物 nullnullnullnull 空氣 nullnullnull 密度 null null null null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 比熱容 null null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnulln