自然通风下大棚群内部热湿环境分布特性模拟分析_赵福云.pdf
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1、 第 37 卷 第 2 期 2023 年 3 月湖南工业大学学报Journal of Hunan University of TechnologyVol.37 No.2 Mar.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-9833.2023.02.007收稿日期:2022-04-05作者简介:赵福云(1977-),男,湖南株洲人,湖南工业大学教授,博士,博士生导师,主要研究方向为建筑通风,流动 传热,温室环境控制和计算流体力学,E-mail:自然通风下大棚群内部热湿环境分布特性模拟分析赵福云1,2,谭志成1,陈 皓1,姚奕合1(1.湖南工业大学 土木工程学院,湖南 株洲 4120
2、07;2.武汉大学 动力与机械工程学院,湖北 武汉 430072)摘要:为研究多塑料温室大棚群内部热、湿环境因子的相互影响与分布情况,利用数值模拟软件,在考虑温室内部水汽传输、作物蒸腾作用、太阳辐射等情况下,结合多孔介质模型、DO 辐射模型以及组分运输模型建立了对应数值模型,在自然通风条件下进行了模拟并对作物蒸腾量进行了验证。验证结果显示模拟值与实验值误差在 15%以内,数值模型可信。采用此模型进行了模拟,结果表明:1 号大棚对空气流动的阻碍使得2号以及3号大棚内空气流速降低,导致空气中携带的水汽以及热量在2号以及3号大棚内部空间扩散,2号及3号大棚内作物蒸腾受到抑制,其内部作物表面温度逐渐升
3、高,3号大棚内作物表面温度升高最为明显,最高处达到了 309.5 K。关键词:温室环境;塑料大棚;CFD;自然通风中图分类号:S625 文献标志码:A 文章编号:1673-9833(2023)02-0044-06引文格式:赵福云,谭志成,陈 皓,等.自然通风下大棚群内部热湿环境分布特性模拟分析 J.湖南工业大学学报,2023,37(2):44-49.Simulation Analysis of Distribution Characteristics of Heat and Humidity Environment in Greenhouses Under Natural Ventilatio
4、nZHAO Fuyun1,2,TAN Zhicheng1,CHEN Hao1,YAO Yihe1(1.College of Civil Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou Hunan 412007,China;2.School of Power and Mechanical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:In view of a study on the interaction and distribution of thermal and hu
5、mid environmental factors in the multi-plastic greenhouse group,a corresponding numerical model has thus been established by using the numerical simulation software.In consideration of water and gas transmission,crop transpiration and solar radiation in the greenhouse,also combined with the porous m
6、edium model,DO radiation model and component transport model,a simulation has been carried out under natural ventilation conditions with crop transpiration verified.The validation results show that the error between the simulation value and the experimental value is within 15%,verifying the credibil
7、ity of the numerical model.The results of a simulation by adopting this model show that the air flow velocity in No.2 and No.3 greenhouses is reduced due to the obstruction of air flow in No.1 greenhouse,which leads to the diffusion of moisture and heat carried in the air in No.2 and No.3 greenhouse
8、s.The transpiration of crops in No.2 and No.3 greenhouses is inhibited,with the surface temperature of crops in No.2 and No.3 greenhouses gradually increased.The surface temperature of crops in No.3 greenhouse increases most significantly,reaching a maximum of 309.5 K at the highest point.Keywords:g
9、reenhouse environment;plastic greenhouse group;CFD;natural ventilation451 研究背景温室农业是一种节能、高效、低成本的现代农业方式,为我国农业建设、实现农民收入增长做出了巨大的贡献。中国南方地区温室主要以塑料大棚型温室为主,简易单体拱棚在南方地区较为多见。而随着温室农业进一步向规模化发展,在建造塑料大棚中呈现出多塑料大棚群的温室群落型特点,这种形式可以充分利用土壤、气候和生物的潜力,提高土壤利用率,高效地获得优质农产品。由于温室作物的生长状况不仅取决于作物品种本身的质量,更与温室内部环境因子的适宜程度息息相关。因此,了解温
10、室内部环境因子的分布特点对提高温室生产效益具有重要意义。目前,国内外学者对温室内部环境做了相关研究。T.Boulard 等1利用流体力学计算软件模拟了一种隧道型温室大棚内部气候及作物的蒸腾量,在对模拟结果进行实验验证后预测了温室内成熟生菜作物的蒸腾量;M.Kacira 等2研究了风诱导通风条件下,温室通风结构、作物存在和外部风速对温室和作物冠层区通风速率和气流模式的影响,得出作物冠层通风受不同通风结构引起的内部气流模式的影响显著;M.Kacira 等3还利用 CFD 软件研究了多跨度、锯齿形温室的自然通风率和气流模式进行了预测,得出最大和最可接受的通风率是通过在所有多跨度截面上结合使用迎风侧通
11、风孔和背风屋顶通风孔获得的。G.Papadakis 等4利用理论模型结合气体示踪法研究了不同室外风速以及开窗面积下温室通风流量变化的规律,研究结果表明通风量随不同风速以及开窗面积变化显著。方慧等5研究了日光温室热压风压耦合作用下的室内通风流量影响机理,发现在总通风流量下,当室外风速大于 2.5 m/s 时,可忽略热压的影响。程秀花等6以栽种了番茄的两连栋温室大棚为研究对象,利用 Fluent 软件对作物蒸腾、土壤蒸发与大棚内外环境因子间的关系进行了分析,得出温室背风侧的温、湿度均略高于温室迎风侧,但作物区内的温、湿度分布比较均匀,作物以及土壤的蒸发作用对室内温、湿度分布有影响。从相关文献可以看
12、出,研究者大多着手于独栋温室内部的环境因子与外界环境之间的关系,但较少有研究自然条件下外界环境对温室大棚群内部环境的影响。在研究温室内部环境因子分布与内外环境相互影响方面,CFD 软件能较为快速精确地得出内部环境因子的分布情况,这大大节约了人工和时间成本。本文以塑料温室大棚群为研究对象,采用 Fluent软件,在自然通风条件下对等间距温室大棚群内部环境因子分布及作物区环境进行稳态模拟,研究温室大棚群热、湿环境因子间的相互影响和分布特点。2 模型建立2.1 几何模型选取对象为 3 栋南方小型拱型塑料大棚(标号为1、2、3),大棚为南北走向,沿 X 轴方向排布,各大棚间隔 1.6 m。每栋拱型大棚
13、尺寸为 16 m(长)5 m(宽)2.4 m(顶高),肩高 80 cm,两侧通风口宽 60 cm,通风口下缘离地高度为 20 cm。考虑到每个塑料大棚内作物对内部环境的影响,将大棚内的作物简化为3列14 m(长)0.7 m(宽)0.5 m(高)的各相同性多孔介质区域,外侧作物区域边缘距离大棚通风口 50 cm,距离大棚南北面 1 m,每个多孔介质区域间隔 95 cm。如图 1 所示。2.2 作物多孔介质模型将作物区域假定为各向同性多孔介质,当流体流过该区域时,其动力学形式可由 Darsey-Forchheimer方程描述,其中多孔介质的阻力为 。(1)式中:为空气动力黏度;k 为渗透率;CF为
14、非线性动量损失系数;u 为所在区域空气流速。在通风条件下,作物对空气流动产生的拖拽效应而产生的动量汇,可用动量源项表示,其阻力可用如下公式8表示:。(2)式中:L 为叶片面积密度;CD为冠层阻力系数。忽略式(1)的一次项,由式(1)(2)可推出:。(3)2.3 作物蒸腾模型作物的蒸腾作用9对大棚内部环境的影响不可忽略。作物覆盖区域的每个网格可被视为体积热源边界条件10。根据作物多孔介质区域之间的热量交换,图 1 塑料大棚群模型Fig.1 Plastic greenhouse group model赵福云,等自然通风下大棚群内部热湿环境分布特性模拟分析第 2 期46湖南工业大学学报 2023 年
15、可将作物区域的热通量划分为与空气间的对流通量和潜热通量,并以其表面温度以及空气相关参数为特征参数。其关系如下:,(4)式中:Rn为辐射通量;cp为恒压比热容;ra为叶片空气动力阻力;rs为叶片气孔阻力;Lai为叶面积指数;T1、Ta分别为叶片以及空气温度;wf、wa分别为叶片和空气绝对湿度;为空气密度;为水的潜热量。当 内 部 空 气 流 速 u0.1 m/s,则有 。(6)式(5)(6)中 d 为叶片特征长度。叶片气孔阻力 rs可通过叶片气孔阻力法计算:。(7)式中 sg为整体太阳辐射。式(4)中的第二项与第三项为作物的显热项与潜热项,使用 Fluent 中用户自定义函数加载到作物区域。2.
16、4 数值模型为避免模型中人为加载的边界条件改变计算模型中空气的流动状态,加入外部计算域以消除这种影响。计算域尺寸为52 m(长)46 m(宽)10 m(高),大棚通风口距离外部计算域边界 20 m,侧面距离计算外域 15 m。综合考虑模拟精度以及大棚的拱型结构,对模型采用四面体网格划分。3 材料物性与边界条件3.1 材料物性CFD 大棚模型材料物性参数如表 1 所示。3.2 边界条件由于计算域内大棚结构影响及作物对空气流动的阻力作用,可认为计算域内空气流动属于湍流流动,因此选用 Realizable k-模型。假设壁面处空气流动符合近壁面标准函数,将大棚壁面设置为半透明边界条件,开启 DO 辐
17、射模型并采用太阳光线追踪法,输入湖南某地区的地理位置坐标(北纬270305,东经 1130103,东八区),并使用 7 月 21 日 13 点的日照辐射条件,内部发射率设为0.7,外部发射率为 0.8。将计算域内的空气看作干空气与水汽的混合物,水汽与干空气仅发生单相扩散过程,该过程可用 Fluent 中组分运输模型描述,具体边界条件如表 2 所示。4 网格无关性验证与模型验证4.1 网格无关性验证为了确保模拟结果的精度同时保证节约计算资源,选取了粗网格(380 万)、中等网格(490 万)、精细网格(650 万)3 种不同网格数量进行模拟,以反映不同网格数量下 1 号大棚内沿高度方向速度的变化
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