基于CFD仿真自然通風大棚窗口的設置

柏宗春 ， 夏禮如 ， 呂曉蘭 ， 等 基于 CFD 仿真自然通風大棚窗口的設置 J 江蘇農業(yè)科學 ， 2016， 44( 12) : 379 382doi: 1015889/j issn1002 1302201612117基于CFD仿真自然通風大棚窗口的設置柏宗春 ， 夏禮如 ， 呂曉蘭 ， 張美娜 ， 陶建平( 江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)設施與裝備研究所 ， 江蘇南京 210014)摘要 : 塑料大棚通風換氣對大棚內作物的生長影響較大 ， 特別是對于自然通風大棚 ， 研究其通風窗的開設位置及方式意義重大 。建立塑料大棚三維模型 ， 利用計算流體動力學軟件 Fluent， 對大棚在自然通風條件下的流場進行仿真 ， 得到不同側窗和天窗尺寸及配置條件下大棚的流場分布規(guī)律 。結果表明 ， 大棚側窗對提高流場的氣流速度作用明顯 ， 但側窗高度超過 1m 后 ， 氣流速度增加不明顯 ; 天窗對大棚前半段氣流影響較小 ， 天窗位置最好開在后半部分靠近出口的位置 ; 增開門旁通風窗對提升大棚通風能力有明顯效果 。關鍵詞 : 大棚 ; 通風窗 ; 流場仿真 ; CFD中圖分類號 : S126; S6251 文獻標志碼 : A 文章編號 : 1002 1302( 2016) 12 0379 04收稿日期 : 2015 04 03項目基金 : 江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金 編號 : CX( 14) 5076、CX( 12) 1004; 國家科技支撐計劃 ( 編號 : 2013BAD08B03) 。作者簡介 : 柏宗春 ( 1981) ， 男 ， 江蘇揚州人 ， 博士 ， 助理研究員 ， 主要從事農業(yè)智能裝備研究 。Tel: ( 025) 84390493; E mail: vipmaple126 com。通信作者 : 呂曉蘭 ， 博士 ， 副研究員 ， 主要從事農業(yè)智能裝備研究 。Tel: ( 025) 84390082; E mail: lxlanny126 com。大棚通風對棚內作物生長影響較大 ， 特別是自然通風溫室大棚 ， 通風窗口的合理設置尤為重要 1。受棚體工程建設與試驗條件的限制 ， 國內外學者多采用計算機和計算流體力學技術 ( computational fluid dynamics， CFD) 對大棚通風問題進行相關研究 2 5。傅寧等運用 CFD 軟件對大棚內部流場分布進行了仿真 6; 王光偉等運用三維不可壓縮湍流模型對不同形式的大棚流場流態(tài)進行研究 7; 陸小偉對不同形式大棚流場進行仿真 ， 計算了換氣時間 8; 沈明衛(wèi)等運用流體仿真軟件 ， 研究了外界風向對大棚內部流場的影響 9; 陳加浪等運用 CFD 仿真 ， 研究了華東地區(qū)單棟大棚在高溫低風速極端環(huán)境下的自然通風特性 ， 并進行了驗證 10。采用 CFD 仿真方法 ， 能準確計算分析棚內氣流場分布及外部環(huán)境對棚內氣流場的影響 ， 目前 ， 主要集中在對流場分布規(guī)律的仿真分析 ， 對通風窗位置 、尺寸等棚體結構優(yōu)化的研究較少 。本研究針對蘇南地區(qū)某新型 8 m 鋼架塑料大棚 ， 運用計算流體動力學軟件 Fluent， 結合棚體的幾何結構和地理環(huán)境參數 ， 建立大棚的三維仿真模型 ， 對不同通風窗口尺寸及位置等條件下的大棚流場進行仿真 ， 分析不同條件下大棚內的氣流規(guī)律 ， 為棚體結構優(yōu)化提供參考依據 。1 仿真模型11 理論基礎111 控制方程 為簡化分析 ， 假設自然通風條件下大棚內空氣流動為定長不可壓縮牛頓流 ， 流體在流動過程中遵守基于雷諾時均的黏性不可壓縮 Navier Srokes 方程 11 14。方程表達式為 :( )t+ div( u) = div( grad) + S。式中 : 表示通用傳輸量 ; 表示流體密度 ; 表示時間 ; u 表示流體速度矢量 ; 表示廣義擴散系數 ; S表示廣義源相 。112 湍流模型 Fluent 提供多種湍流模型可供選擇 。本研究結合大棚流場的實際情況 ， 選取標準 k 湍流模型 ， 該模型在實際應用中具有較好的精度和收斂性 。假設近壁處氣流符合標準壁面函數 。12 幾何模型以江蘇省農業(yè)科學院六合動物科學基地現有的 8 m 鋼架塑料大棚為基礎對象構建三維模型 ( 圖 1) ， 基本參數為 : 跨度8 m， 高度 3 4 m， 長度 50 m， 前后門 1 8 m × 1 8 m， 肩高19 m( 直肩高 1 4 m) 。大棚所處地理位置為 118 5° E、32° N， 年平均風速約為 2 m/s。為減小因邊界條件設置對仿真計算帶來的不利影響 ， 增大流場計算區(qū)域 15， 包括大棚內部和大棚外部 2 部分 ， 整個計算區(qū)域寬 30 m、高 15 m、長 95 m。2 網格劃分及邊界條件21 網格劃分利用 Fluent 前處理軟件 Gambit 建立流場區(qū)域的三維模型 ( 圖 2) ， 并進行網格劃分 ， 整個區(qū)域全部采用六面體網格劃分 ， 大棚薄膜附近設置 4 層邊界層 ， 最終得到總網格數量為1 462 272個 ( 圖 3) 。973江蘇農業(yè)科學 2016 年第 44 卷第 12 期22 邊界條件的設置及材料屬性流場進口采用速度進口 ( velocity inlet) ， 風速為 2 m/s，方向與大棚屋脊平行 ; 出口采用壓力出口 ( pressure outlet) ，壓力為大氣壓 ; 大棚薄膜 、地面以及外圍計算區(qū)域的邊界設置為壁面邊界條件 ( pressure outlet) ; 大棚的進口 、出口以及通風窗設置為內部邊界 ( interior) ( 表 1) 。研究表明 ， 在外界風速小于 05 m/s 時 ， 熱壓通風才對大棚通風的影響較大 16，故本仿真不考慮熱輻射對流場的影響 ; 不考慮大棚內作物對大棚流場的影響 。表 1 邊界條件的設置邊界名稱 邊界條件 數值流場進口 velocity inlet 2 m/s 平行于大棚屋脊流場出口 pressure outlet 大氣壓大棚薄膜 、地面和外邊界 wall 無大棚進出口和通風窗 interior 無3 仿真結果分析常見大棚通風窗主要有側窗和天窗 2 種形式 ( 圖 4) 。天窗及側窗的長度與大棚長度相同 ， 為 50 m; 門旁窗為本研究提出的新的大棚通風窗結構 ， 位于進出口兩側 ， 對稱分布 。為分析通風窗口的設置對大棚流場的影響 ， 本研究主要對側窗高度 、天窗寬度 、天窗位置以及增開門旁窗等進行仿真 。31 無側窗和天窗時大棚流場由圖 5 可見 ， 只有前后門 、外界風速為 2 m/s 時 ， 大棚內氣流速度明顯低于大棚外界空氣流速 ; y = 1 m 截面上 ， 大棚進口兩側形成 2 個氣流渦旋 ， 渦旋長度約 10 m， 渦旋之后有 2個速度極低的氣流區(qū) ， 空氣在內部旋轉不前 ， 接近靜止 ， 影響換氣效率 ， 這對大棚通風十分不利 ; 大棚進口處氣流速度為2 m/s， 到中后部速度明顯降低 ， 只有約 0 2 m/s， 氣流速度太低 ， 嚴重影響大棚的換氣速度 ; y = 1、2、3m的中后部氣流流速比較接近 ， 隨著高度升高 ， 流速降低 ， 流場相對穩(wěn)定 。由圖6 可見 ， 大棚流場 x = 0 時 ， 大棚從進口到出口氣流速度下降速度比較明顯 ， 20 m 后大棚中氣流速度基本穩(wěn)定 ， 約為02 m/s。32 側窗對大棚流場的影響側窗為大棚普遍設置的通風窗 ， 長度為 50 m， 高度分別為 14、10、05 m， 大棚外界風速 2 m/s。由圖 7 可見 ， 隨著側窗高度的增加 ， 大棚內氣流速度不斷增大 ; 側窗高度為 0 5m 時 ， 大棚中部和尾部更靠近大棚頂部的氣流速度較低 ， 不利于大棚換氣 ; 側窗高度為 1 4 m 時 ， 棚內低速區(qū)域較小 ， 大棚中部氣流速度基本達到 07 m/s 以上 。由圖 8 可見 ， 3 種高度側窗下 ， y =1 m 截面流場分布比較相似 ， 進口兩側渦旋依然存在 ; 側窗高度為 05 m 時 ， 大棚內氣流速度相對較低 ; 側窗高度為 10、14 m 時 ， 流場分布十分接近 ， 且氣流速度相對較083 江蘇農業(yè)科學 2016 年第 44 卷第 12 期高 。因此 ， 增開側窗能顯著提高大棚流場氣流的平均流速 ， 側窗高度越高 ， 棚內流速越高 ， 但側窗高度大于 1 0 m 后 ， 流速增大幅度已不明顯 ; 增開側窗不能消除進口兩側產生的渦流 。33 天窗對大棚流場的影響由圖 9 可見 ， 大棚頂部分別設置尺寸為 0 5、1 0、1 5 m的天窗時 ， x = 0 截面的速度分布規(guī)律比較相似 ， 但隨著天窗寬度的增加 ， 氣流速度不斷增大 ， 尤其是大棚后部低速區(qū)域減小比較明顯 。由圖 10 可見 ， 流場 y =10 m 時單開天窗 ， 大棚內流場從中間向兩側邊緣氣流逐漸降低 ， 特別在尾端靠近邊緣的區(qū)域氣流速度最低 ， 對大棚中后部的流場區(qū)域影響較大 ，而對大棚前端流場影響較小 ; 天窗寬度為 05 m 時 ， 大棚尾部拐角處氣流速度接近于 0， 隨著天窗寬度的增大 ， 大棚邊緣低速區(qū)域逐漸減小 。因此 ， 在單開天窗的前提下 ， 大棚兩側邊緣存在低速區(qū) ， 不利于大棚的通風換氣 。34 同時開側窗和天窗對大棚流場的影響由于側窗高度高于 1 0 m 時氣流增速效果已不明顯 ， 隨著天窗寬度增大 ， 大棚內氣流低速區(qū)逐漸減小 。因此 ， 本研究選取側窗高度為 10 m、天窗寬度為 1 5 m 進行仿真 ， 以分析大棚同時開側窗 、天窗時的內部流場分布規(guī)律 。由于天窗對大棚的前半段流場影響小 ， 而對后半部流場影響較大 ， 本研究考慮盡可能減小天窗長度以減小大棚建設成本 。由圖 11、圖 12 可見 ， 尾端天窗與全天窗相比 ， 大棚頭頂部靠近薄膜的氣流速度較低 ， 其他區(qū)域基本相同 ; 尾端天窗和全天窗在 y =10 m 截面的速度分布幾乎相同 ， 縮短天窗的長度并沒有給流場帶來大的影響 。183江蘇農業(yè)科學 2016 年第 44 卷第 12 期35 門旁窗對大棚流場的影響由于大棚進口兩側存在回流區(qū)域 ， 為減小回流區(qū) ， 考慮在進出口兩側設置門旁窗 ， 以提高回流區(qū)換氣效率 。由圖 13 可見 ， 增開 10 m ×10 m 門旁窗時 ， 由于進氣口和出氣口的面積增大 ， 大棚內氣流速度有所提高 ， 進口兩側回流區(qū)已基本消失 ， 但還是存在 2 個流速較低的區(qū)域 ; 門旁窗尺寸增大至15 m ×15 m 時 ， 回流區(qū)消失 ， 且進口附近的低速區(qū)也消失 ，大棚內氣流速度進一步提高 。由圖 14 可見 ， 流場 x = 0 增開門旁窗時 ， 大棚氣流的分布規(guī)律類似 ， 門旁窗尺寸較大時大棚內氣流的平均流速較高 。4 結論本研究運用 Fluent 軟件 ， 建立塑料大棚的流場仿真模型 ，對大棚流場進行數值仿真 ， 分析了無通風窗時大棚流場分布的基本規(guī)律 ， 討論了不同尺寸側窗和天窗對流場的影響 。結果表明 ， 大棚氣流速度隨著側窗高度的增大而增大 ， 但高度超過一定值時 ， 氣流速度對大棚的影響減弱 ， 故從經濟性角度來說 ， 側窗不宜太高 ; 天窗對大棚流場的后部影響較大 ， 對中前部影響較小 ; 門旁通風窗可減小門旁回流區(qū)域 ， 增大大棚內氣流速度 ， 可顯著提升大棚通風換氣效率 ， 這為大棚結構設計提供了參考依據 。通過仿真 ， 確定 1 組大棚通風窗設置參數為 :兩側側窗為 500 m ×10 m; 尾部天窗為 10 0 m ×1 5 m; 門旁窗尺寸為 1 5 m × 1 5 m， 兩側對稱分布 ， 距離地面為025 m， 距離大棚中心為 2 m。參考文獻 : 1 程亞斌 淺析溫室大棚通風的發(fā)展 J 城市建設理論研究 : 電子版 ， 2011， 1( 23) : 21 23 2 程秀花 ， 毛罕平 風向對溫室內氣流分布模式影響的 CFD 分析 J 山西農業(yè)大學學報 : 自然科學版 ， 2009， 29( 6) : 520 524 3 張起勛 ， 于海業(yè) ， 張忠元 ， 等 利用 CFD 模型研究日光溫室內的空氣流動 J 農業(yè)工程學報 ， 2012， 28( 16) : 166 171， 后插 7 4 姜云超 ， 王三反 青藏高原生態(tài)大棚的建設與數值仿真 J 蘭州交通大學學報 ， 2004， 23( 3) : 128 132 5 姜緒安 ， 曹 陽 ， 秦立舉 ， 等 蔬菜大棚內氣流流態(tài)分析研究 J 灌溉排水學報 ， 2004， 23( 4) : 78 80 6 傅 寧 ， 劉德義 溫室大棚氣流場的 CFD 數值模擬 J 天津農業(yè)科學 ， 2006， 12( 3) : 17 19 7 王偉光 ， 秦立舉 ， 曹 陽 ， 等 不同形式大棚內部氣流流態(tài)的比較 J 揚州大學學報 : 農業(yè)與生命科學版 ， 2005， 26( 2) : 86 88 8 陸小偉 大棚結構型式比較分析 J 灌溉排水學報 ， 2005， 24( 5) : 50 55 9 沈明衛(wèi) ， 郝飛麟 兩種風向下單棟塑料大棚內自然通風流場模擬 J 農業(yè)工程學報 ， 2004， 20( 6) : 227 232 10 陳加浪 ， 陳大躍 ， 何科奭 ， 等 單棟塑料大棚在高溫低風速下的自然通風數值研究 J 農機化研究 ， 2011， 33( 8) : 19 22 11 吳飛青 ， 胥 芳 ， 張立彬 ， 等 基于多孔介質的玻璃溫室加熱環(huán)境數值模擬 J 農業(yè)機械學報 ， 2011， 42( 2) : 180 185 12 張起勛 日光溫室內空氣流動特性研究 D 長春 : 吉林農業(yè)大學 ， 2007 13 曹 陽 蔬菜大棚內部流場三維紊流數值模擬及大棚斷面優(yōu)化研究 D 揚州 : 揚州大學 ， 2004 14 王向軍 ， 劉志剛 ， 李 榮 ， 等 基于 CFD 數值模擬方法的日光溫室建模研究 J 農機化研究 ， 2014， 36( 6) : 184 188 15 eichrath S， Davies T W Computational fluid dynamics simulationsand validation of the pressure distribution on the roof of a commercialmulti span Venlo type glasshouse J Journal of WindEngineeringIndustrial Aerodynamics， 2002， 90( 3) : 139 149 16 Mistriotis A， Arcidiacono C， Picuno P， et al Computational analysisof ventilation in greenhouses at zero and low wind speeds J AgriculturalForest Meteorology， 1997， 88( 97) : 121 135283 江蘇農業(yè)科學 2016 年第 44 卷第 12 期