基于CFD模型的大跨度温室自然通风热环境模拟

大跨度温室作为一种新型南北走向的钢骨架覆膜温室,解决了传统日光温室土地利用率低、空间狭小的问题。为了研究在自然通风条件下大跨度温室的温度和气流场的分布规律,以及不同室外风速条件下通风口开度对大跨度温室温度和气流场的影响,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件构建三维稳态大跨度温室模型,模拟自然通风条件下大跨度温室内的温度场和气流场,并采集典型晴天下通风口开启50%时大跨度温室内13个测点的温度,将各测点的测量值与模拟值进行比较,最后利用已验证模型模拟分析通风口开度(25%、50%、75%、100%)在不同室外风速(1、2、3、4 m·s~(-1))条件下的大跨度温室温度和气流场。验证结果表明:模型模拟值与实测值的绝对误差在0.2~2.8℃,均方根误差为1.6℃,最大相对误差为9.9%,平均相对误差为4.1%,表明模拟值与实测值吻合良好。模拟结果显示,温室顶部温度高,底部温度低;室外冷空气从西侧通风口进入,温室内西侧温度低于东侧;温室内平均风速从南到北逐渐减小;温室中部风速明显小于东西两侧。大跨度温室上通风口及侧通风口全开时,温室内温度分布较均匀。温室通风口开度一定时,温室内通风率与室外风速呈显著线性正相关。考虑温室内温度及风速对作物的影响,以降温为主要目的时,建议通风口开度取75%~100%,若室外风速大于3m·s-1且室内温度能满足作物生长,则建议通风口开度75%。     

利用CFD模型研究日光温室内的空气流动

在温室内空气流动对室内环境具有重要调节作用,因此有必要研究日光温室内空气流动特性。基于计算流体动力学CFD(computational fluid dynamics)方法,运用大型计算流体动力学软件Fluent对日光温室建立模型,采用标准湍流模型对日光温室内气流分布进行了三维稳态求解。模拟时将日光温室内外空气作为研究对象,并且温室内空间连同其周围的一部分室外空间一起作为CFD模拟的计算领域。对日光温室内气流变化及分布进行了数值模拟,并在温室内进行了气流试验测试,对测量值和计算所得的风速值进行了比较,结果表明,二者最大误差小于9%,说明风速的实测值和模拟值吻合良好,CFD模型有效,且得到了日光温室内部流场速度分布。通过气流流场模拟结果分析表明,直观显示了日光温内的流场特性和流动状态,气流从窗户进入沿着底部通风口流出日光温室,并且气流在底部通风口速度分布较均匀,在温室下部形成了较为明显的涡流。该文模拟结果可为东北地区日光温室的优化设计以及温室环境调节等方面提供理论依据。     

日光温室土墙体温度变化及蓄热放热特点

为研究日光温室土墙体温度变化规律及蓄放热特性,以泰安市下挖式土墙日光温室为研究对象,在温室北墙布置5个测试层,通过各测试层最冷季节(30 d)温室内气温、墙体温度、室外气温及室外太阳辐照度测试数据,分析了土墙日光温室内部温度及墙体内温度的分布规律。结果表明:各测试层墙体表面及0.1~0.6 m处测点的温度均呈现出随温室气温周期性变化的规律,且随着墙体厚度的增加温度的波动幅值逐渐减小,相位明显后移;0.7 m以后测点的温度幅值趋于稳定,处于稳态向室外的导热过程。基于墙体温度分布规律,对墙体白天的蓄热量、夜间的放热量及墙体夜间放热效率进行了计算,得出墙体夜间放热效率为43%,表明土墙白天蓄积热量的43%用于改善夜间温室内热环境。对墙体蓄热和放热量计算,综合评价墙体的平均放热效率,可以为土墙日光温室结构优化及热负荷计算提供指导,为各地土墙温室轻简化技术研究提供理论基础。     

两种风向下单栋塑料大棚内自然通风流场模拟

为分析塑料大棚的侧窗和山墙门对单栋塑料大棚内自然通风的影响，该文运用CFX流体动力学分析软件对简易单栋塑料大棚内的自然通风情况进行了三维稳态模拟。外界风向分别取平行于大棚屋脊和与屋脊夹角15°两种情况。模拟结果显示：当风向与屋脊平行时，室内流场在稳定状态时基本上沿屋脊的中心纵截面对称，室外气流从山墙门和两边侧窗的前半部分进入大棚内，从后半部分的侧窗处流出，气流在大棚中心地带的流速较高，而在侧窗附近流速较低。大棚顶部和后部气流变化比较复杂；在风向与屋脊成15°夹角情况下，室外气流从侧窗的迎风处、背风侧窗的前部和山墙门进入，从背风侧窗处流出，室内气流场有一个明显的偏转过程。从侧窗流入的气流和山墙门流入的气流相遇后在大棚内形成了各种程度的涡流，使得大棚内气流分布较为复杂。室外风向对单栋塑料大棚内气流场的形态有明显影响。     

基于主成分回归的日光温室内低温预测模型

利用2010/2011年度冬季日光温室内小气候观测资料对冬季日光温室内温度变化特征进行分析,并结合温室外温度以及用云遮系数法和风级风速转换方法得到的室外总云量和最大风速,采用主成分回归分析法建模,以对日光温室内日最低气温进行预报.结果表明,(1)通过云遮系数法和风速风级转化标准模拟的室外总云量和最大风速误差较小.(2)日光温室内最低气温与温室内前一天的各小气候要素有较好的相关性,此外,温室内外各气象要素之间也存在显著的相关性.(3)主成分回归提取了温室内小气候要素主成分、温室外天气状况与温度主成分、风速主成分3个主要因子.建立的日光温室内最低气温预报模型,其复相关系数为0.857,并通过显著性检验.(4)利用2011/2012年冬季温室资料对低温预报模型进行检验,预测值与实际值之间的平均绝对误差小于1℃,平均相对误差在13％以内,整个冬季的均方根误差为1.1℃.说明所建日光温室内低温预报模型有较高的精度,能够满足温室内最低温度的预测需求.     

墙体材料对日光温室温度环境影响的CFD模拟

日光温室墙体材料影响温室的蓄热保温性能。该研究以室外气象因子为模拟输入条件,分别对复合墙、全砖墙及全苯板墙的12 m跨度日光温室的温度环境进行了模拟,复合墙、全砖墙内的温度分布变化与以往的测试结果一致。以2004年2月18日实测的气候条件为输入条件,模拟得到复合墙温室温度超过全砖墙温室温度最大值为0.8℃,复合墙温室夜间室温超过全苯板墙温室温度最大值为1℃。早晨揭帘前,复合墙中隔热层以内的砖墙及部分隔热层成为放热体,砖墙中靠近室内近1/3的墙体温度高于室内空气温度,而全苯板墙只有内表面附近略高于室内空气温度。白天复合墙、全砖墙及全苯板墙温度均低于室内空气温度,均为吸热体。采用日光温室温度环境动态模拟模型,可以预测不同温室墙体可能形成的室内温度状况,并且根据不同墙体内温度分布,可优选温室墙体结构。     

日光温室冬春两季环境因子变化研究

在正常生产管理条件下,利用温室智能监控系统,自动监测记录冬、春两季日光温室内外空气温度、光照强度,温室内空气湿度、土壤温度,研究冬、春两季日光温室环境因子日变化差异及环境因子间的相互关系差异。结果表明,土壤温度与温室内外光照及温室内湿度的相关性,春季显著大于冬季;温室内湿度与温室内、外光照强度、温室内外温度以及温室外温度与温室的相关性,春季显著小于冬季。土壤温度与温室内、外温度的关联程度,春季温室内温度强于温室外温度,冬季温室外温度强于温室内温度。温室外温度与温室内、外光照、土壤温度的关联程度,春季温室内、外光照强于土壤温度,而冬季土壤温度强于温室内、外光照。冬季温室内湿度显著高于春季,日变化幅度显著小于春季。春季最低温室内要高于冬季最低温度10 ℃以上,日变化幅度明显小于冬季;春季温室内、外最大光照强度是冬季的2倍,且春季光照时间长。春季室外温度平均高于冬季12 ℃以上,春季温室内土壤温度始终要高于冬季10 ℃以上。     

基于CFD的日光温室墙体蓄热层厚度的确定

日光温室墙体蓄放热能力的优劣取决于墙体蓄放热特性与蓄热层厚度,确定日光温室蓄热层厚度,对于推进日光温室墙体改进意义重大。该研究以温室内太阳辐射与室外气温作为输入条件,按照试验温室实际尺寸和相关关系进行参数化建模并模拟计算不同月份墙体蓄热层厚度。选择乌鲁木齐地区2018年1月-4月典型晴天进行测试,以温室地面、墙体表面的太阳辐射为输入条件,室外空气温度为边界条件,利用AutodeskCFD软件对晴天9:00至次日9:00的温室砖墙内部温度场进行了模拟,并通过对比墙体内部0、10、20、30、40、50 cm处温度测点的实测值与模拟值验证模拟结果的准确性。结果表明,温室墙体模拟结果与测试结果吻合度较高,1月9日、2月9日、3月6日各层平均误差均在1.5℃以下,4月6日实际值与模拟值误差较大,模拟值较实际值滞后,趋势随着深度与墙体温度的升高而更加明显。在温室墙体材料、结构、室内外的光温环境的共同影响下,温室墙体传热是一个复杂的非稳态过程。砖墙温室与土墙温室类似,墙体可划分为"保温层、稳定层、蓄热层",各层的厚度与墙体蓄热材料、保温材料的热物性有关。对墙体温度场、各层的温度衰减因子以及延迟时间分析可知,墙体厚度在0～30 cm范围内,墙体温度波动较为明显,墙体厚度大于30 cm时,温室墙体一天内温度波动较为平缓,波幅较小。随着气温回升,温室墙体内部温度整体提高,各层温度波动相差不大。在温室结构、保温性能不变的情况下,温室蓄热层厚度及波动情况受外界光温环境的综合影响较小。综上所述,采用CFD模拟温室墙体温度场的变化,并根据温室墙体温度场变化确定温室墙体蓄热层厚度是可行的,可靠性较高。该研究可为其他区域优选温室墙体结构,推进日光温室墙体改进提供依据和参考。     

日光温室作物热环境模拟及分析

针对日光温室实际生产管理中的气象保障问题，该文从传热学的基本原理出发，考虑了温室内作物对热环境的影响，建立了日光温室内作物生长情况下的温度预测数学模型。将温室内部系统分为5个部分，建立了5个方程，联立方程组，运用高斯主元素消去法对方程组进行求解，对各个面的温度进行模拟，并对模拟结果进行了分析。用试验温室的实测资料对模拟结果进行了验证，结果表明所建模型模拟效果较好，室内气温的平均绝对误差为0.9℃，平均相对误差为5.1％，模拟的精确度较高，可以为温室生产管理提供科学的气象依据。本文还对模型模拟误差产生的原因进行了分析。     

日光温室热压风压耦合自然通风流量的模拟

通风是温室环境调节的重要手段,通风流量计算涉及流量系数与风压体型系数,因此有必要定量分析不同通风模式下的通风流量及对应的系数,为通风调节提供理论依据。本文分析了热压风压耦合作用对通风流量的影响机理,构建了通风流量与热压风压作用关系的数理模型;采用CO₂气体示踪法测试日光温室模型(按1:5的比例缩小)在不同通风口宽度条件下的通风流量,将试验测得的通风流量、空气温度、风速和通风口宽度等参数代入模型,对模拟值与实测值进行多元线性拟合,得出拟合度最高的流量系数与风压体型系数。结果表明：当温室模型通风口宽度为3、5和7cm（相当于实际温室通风口宽度为15、25、35cm）时,热压风压耦合作用的通风流量可按G=0.81S•（H•?T/T)^0.5 +0.078S•u、G=0.63S•（H•?T/T)^0.5 +0.067S•u 和G=0.46S•（H•?T/T)^0.5 +0.058S•u分别计算,式中S、H、?T、T、u分别为通风口面积、宽度、室内外温差、室外温度和风速;相应的流量系数分别为0.78、0.60和0.44,风压体型系数分别为0.04、0.05和0.07;在总通风流量中,当室外风速高于1.5m·s^-1时,风压通风流量所占总通风流量的比例均高于50%,风压通风占主导作用;当室外风速大于2.5m·s^-1时,风压形成的通风流量所占比例均大于70%,说明此条件下可忽略温度即热压的影响。     

Effect of Vent Arrangement on Windward Ventilation of a Tunnel Greenhouse

The effect of ventilation configuration of a tunnel greenhouse with crop on airflow and temperature patterns was numerically investigated using a commercial computational fluid dynamics (CFD) code. The numerical model was firstly validated against experimental data collected in a tunnel greenhouse identical with the one used in simulations. The airflow patterns were measured and collected using a three-dimensional sonic anemometer and the greenhouse ventilation rate was deduced using a tracer gas technique. A good qualitative and quantitative agreement was found between the numerical results and the experimental measurements. After its validation, the CFD model was used to study the consequences of four different ventilator configurations on the natural ventilation system. The ventilation configuration affects the ventilation rate of the greenhouse and the airflow and air temperature distributions as well. For the different configurations, computed ventilation rates varied from 10 to 58 air changes per hour for an outside wind speed of 3 m s⁻¹ and for a wind direction perpendicular to the openings. Likewise, the simulations highlight that while the mean air temperature at the middle of the tunnels varied from 28·2 to 29·8°C, for an outside air temperature of 28°C, there are regions inside tunnels 6°C warmer than outside air. Average air velocity in the crop cover varied according to the arrangement of the vents from 0·2 to 0·7 m s⁻¹. The consequences of the marked climate heterogeneity on plant activity through the variation of crop aerodynamic resistance as well as the influence of the vent configurations on the efficiencies of ventilation on flow rate and air temperature differences between inside and outside, are also discussed.     

Airflow and microclimate patterns in a one-hectare Canary type greenhouse: An experimental and CFD assisted study

This study presents an analysis of air circulation and microclimate distribution during daytime in a 1-ha Canary type tomato greenhouse in the coastal area of southern Morocco. The investigation of the climate inside the greenhouse is based on a numerical simulation using a finite volumes method to solve the mass, momentum and energy conservation equations. The main novelty of this simulation lies in the realism of the 3D modelling of this very large agricultural structure with (i) a coupling of convective and radiative exchanges at the surface of the plastic roof cover, (ii) simulation of the dynamic influence of the insect screens and tomato crop on airflow movement, using the concept of porous medium, (iii) simulation, in each grid cell of the crop canopy, of the sensible and latent heat exchanges between the greenhouse air and the tomato crop, and (iv) detailed simulation of climate parameters in a 1-ha real-scale commercial greenhouse.The model simulations were first validated with respect to temperature and relative humidity fields measured inside the experimental greenhouse for fairly steady-state outside conditions marked by a prevailing sea breeze around the solar noon. A good agreement was observed between the measured and simulated values for inside air temperatures and specific humidity. It was next used for exploring the details of the inside air temperature and humidity fields and plant microclimates and transpiration fluxes throughout the greenhouse space. Simulation for a wind direction perpendicular to the side and roof openings shows that the insect screen significantly reduced inside air velocity and increased inside temperature and humidity, especially in the vicinity of the crop canopy. It revealed the details of the flow field within the greenhouse. At the windward end of the greenhouse, the flow field was marked by a strong windwise air current above the tomato canopy which was fed by the windward side vent, and a slow air stream flowing within the tomato canopy space. Then, from the first third of the greenhouse to the leeward end, the flow field was marked by the combination of wind and buoyancy forces, with warmer and more humid inside air which was evacuated through the upper roof vents, while colder and dryer air was penetrated through the upper roof vent openings. Based on these simulations, design studies of the greenhouse crop system were performed to improve inside air temperature and humidity conditions by simple modifications of orientation of the crop rows.     

冷库空气幕流场的非稳态数值模拟及验证

为了真实地研究冷库空气幕开启后冷库气流场和温度场的变化规律,该文建立了冷库三维模型,利用CFD模拟软件对试验冷库空气幕的流场进行了非稳态模拟,预测库门和空气幕开启60 s内冷库温度场和气流场的变化,并对温度场模拟结果进行了试验验证。模拟结果得出库门和空气幕开启后,空气幕射流的中心主流速度衰减慢,而两侧气流的速度衰减快,库外热空气从入口两侧和底部侵入库内;冷库内靠近冷风机一侧底部的温度上升较快;侵入的热空气改变了冷气流的流动轨迹,冷热空气存在压力差导致冷库中心处形成多个涡旋,从而破坏了库内均匀的气流组织。在今后的研究中可以通过数值模拟优化冷库空气幕的送风速度、喷口宽度等参数,从而提高冷库空气幕的隔离性能,维持库内控温要求。     

基于CFD的下沉式日光温室保温性能分析

为了深入了解下沉式日光温室的保温性能,该文基于非稳态传热模型,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件模拟盖帘状态下下沉式日光温室的温度场,并采用试验对CFD模拟温室内的温度场进行验证,验证结果表明,CFD对下沉式日光温室盖帘状态下温度场的模拟具有较高的可信度.为了提高下沉式日光温室的保温效率,使用CFD软件对不同盖帘时间的下沉式日光温室的温度场进行模拟,并分析其对热能分布的影响.结果表明,不同盖帘时刻对下沉式日光温室夜间温度的影响差异显著;在午后弱光、室内外温差较大条件下,提前盖帘可以显著提高日光温室内夜间温度.该研究为CFD在下沉式日光温室研究中的应用及下沉式日光温室盖帘管理提供参考.     

基于流体力学的湿帘风机温室内气流运动的模拟分析（英）

湿帘风机冷却系统温室内的气流运动和微环境特征的研究对整个冷却系统的冷却效率及温室环境调控方案的确立有着重要的指导意义,该研究通过流体力学商用软件有限元法对温室内横断面的温度,气流,湿度分布进行仿真计算,在温室模型中考虑到作物群体对气流的阻碍作用,将作物群体作为多孔介质进行模型化处理,分析湿帘风机冷却系统不同的工作条件下即（1风机工作,2风机湿帘共同工作）,温室内微环境的时空变化规律,通过实测数据进行验证计算结果表明,气流速度的误差在2.1%到18.3%, 温度误差范围较小在0.1%到2.6%,湿度误差在2.0到12.64%。     

SE—Structures and Environment: Natural Ventilation of a Greenhouse With Top Screen

For plant production in a greenhouse, it is very important to be able to control the greenhouse microclimate under all circumstances. In hot summer conditions, it is a problem to control the air temperature in the plant zone. The vents are fully open and the air temperature is too high. The air exchange in the plant zone is very little. Especially in modern greenhouses with roof vents only and no side wall vents, it is a perceptible problem. The air passes through the vents in the top of the greenhouse without effect on the air in the plant zone.By means of a 1 m high vertical screen placed at the top of the greenhouse, parallel to the ridge, improvements were achieved in the air exchange in the plant zone of about 50% on average. The average air temperature was reduced by 2·1°C.     

防虫网对节能日光温室通风性能影响的研究

自然通风是决定日光节能温室质能平衡和调节微生态环境平衡的重要因素。为了提高节能日光温室的环境管理和结构设计水平,有必要研究防虫网对日光温室通风性能的影响,以提高日光温室的绿色产品生产率。因此,运用气体衰减示踪技术和数理统计理论,研究了日光温室不同形式通风机构的通风性能。试验研究表明在通风口处装设防虫网会显著地减少日光温室的通风率,有时可高达50%。研究还表明,无论装设有无防虫网,卷膜通风机构比拉膜(推膜)通风机构都具有较大的通风率,有时前者是后者的1.4倍左右。