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%。     

温室设计必要通风量估算方法的确定及参数取值分析

估算必要通风量是温室通风设计确定通风机风量和数量、通风口尺寸和位置等硬件设施的前提,但实践中,通过比较满足排热、除湿和增加二氧化碳(carbon dioxide)CO_-2三方面需求而确定必要通风量的方法繁琐,缺少气象数据,温室受热面积修正系数、蒸腾蒸发热量损失系数、室外水平面太阳总辐射照度、室外计算温度、室内设计温度等参数难以确定。为解决这些问题和使农业行业标准《温室通风设计规范》修订版中推荐的必要通风量计算方法更具有操作性,该文分析了3种必要通风量计算方法与通风能力设计时最大必要通风量的关系;借鉴美国空气调节室外计算参数获得方法并采用中国可获得的气象数据,统计得出中国各地12个月份的室外水平面太阳总辐射照度和室外计算干球温度,解决了温室通风设计中无法针对不同使用期估算必要通风量的问题;另外通过分析中国温室主要结构形式、温室受热面积修正系数、蒸腾蒸发热量损失系数、当地气象以及作物叶面积指数等参数之间的关系,明确了温室受热面积修正系数等参数的取值方法。研究表明:通风能力设计时必要通风量应采用排除热量满足温度要求的方法计算。温室受热面积修正系数取值:连栋温室可在1.0~1.3范围内取值,夏季可取1.0~1.1,春秋季可取1.2~1.3,温室规模小、所在地纬度高的地区取较大值;日光温室可在1.0~1.5范围内取值,夏季可取1.0~1.2,春秋季可取1.3~1.5,其中所在地纬度高的地区可取较大值。蒸腾蒸发热量损失系数取值:可根据当地室外含湿量,育苗期在0.65~0.90之间选取,栽培期在0.80~1.15之间选取。     

基于CFD技术的日光温室自然通风热环境模拟

首先利用计算流体力学（CFD）软件,构建自然通风条件下日光温室内温度和气流场的模拟模型;其次,通过测量典型晴天前覆盖下通风口开启时日光温室内各测点的温度,将16个测点的实测值与模型模拟结果进行对比,对模型进行验证;然后,利用通过验证的模型模拟分析3种通风模式下（前覆盖上通风口单独开启、前覆盖下通风口单独开启以及上下通风口同时开启）日光温室内温度和气流场的分布。模拟结果表明：当温室前覆盖上通风口单独开启时,室外冷空气从通风口下端进入并迅速下行,然后通过通风口上端流出,温室内气流主要受热压的影响,空气流速小。当温室前覆盖下通风口单独开启时,温室内0.5m高度以下气流速度较大,室外冷空气从通风口下端进入,与地面、后墙、后坡和覆盖层进行热交换后,从通风口上端流出,温室内温度分布与气流走向一致。当温室前覆盖上、下通风口同时开启时,冷空气从下通风口进入,从上通风口流出,在通风口处气流速度较大。模拟条件下,温室单开上通风口或下通风口时室内平均温度为300.0K,但单开上通风口温室内温度分布更均匀;上、下通风口同时开启时,温室内温度为299.0K,通风降温效果明显优于单开一个通风口。     

温室风压通风室内外流场的粒子图像速度(PIV)试验

该文采用粒子速度场仪,研究互插式连栋温室利用风压通风时室内外的流场.结果表明:在时均流场中,互插式连栋温室利用肩窗与侧窗通风时,室外顶部风速最大,天沟处风速最小;温室内部流场风速较小,且顶部风速最小,因而温室室内通风效果不好,热量会聚集在屋顶.在瞬时流场中,分析涡的瞬态过程,得到了回流涡的运动情况;根据温室室外涡量分布图,计算出温室的阻力系数CD=0.565;从互插式连栋温室室内涡旋运动图中可以看出,沿气流方向涡旋在拱1中的变化慢,在拱2、拱3中的变化快.     

温室风压通风室内外流场的粒子图像速度(PIV)试验(简报)

该文采用粒子速度场仪,研究互插式连栋温室利用风压通风时室内外的流场。结果表明：在时均流场中,互插式连栋温室利用肩窗与侧窗通风时,室外顶部风速最大,天沟处风速最小;温室内部流场风速较小,且顶部风速最小,因而温室室内通风效果不好,热量会聚集在屋顶。在瞬时流场中,分析涡的瞬态过程,得到了回流涡的运动情况;根据温室室外涡量分布图,计算出温室的阻力系数为0.565;从互插式连栋温室室内涡旋运动图中可以看出,沿气流方向涡旋在拱1中的变化慢,在拱2、拱3中的变化快。     

北方农牧交错带参考作物蒸散量时空变化与成因分析

利用北方农牧交错带46个气象站1961-2013年气象资料,采用Penman-Monteith公式法计算该地区参考作物蒸散量(ET0)、ET0对气象因子的敏感性系数、气象因子对ET0的贡献率,并通过趋势分析、GIS空间插值方法对这些指标的时空变化进行分析。结果表明：（1）北方农牧交错带年ET0平均值在839～1097mm,近53a来以0.21mm · a^-1的速率减小。（2）空间分布上,ET0总体呈现“一高二低”的分布格局：陕北高原为高值区,大兴安岭北部高纬地区、青东农区及陇中片区为两大低值中心区。且陕北高原、陇中及青东农区61%的站点ET0平均以0.85mm·a^-1（P＜0.05）的趋势递增,而吉林西部、科尔沁沙地、辽西地区则呈明显减小趋势。（3）气象因子对ET0的贡献受ET0对气象因子的敏感性和气象因子的相对变化共同影响,其中北方农牧交错带ET0对相对湿度最敏感,其次为平均风速;但近53a来风速呈极显著下降趋势,下降速率达0.0154m·s^-1·a^-1（P＜0.001）,因此,综合分析结果表现为风速对ET0的贡献量最大,说明北方农牧交错带ET0下降主要归因于风速的降低。     

塑料连栋温室不同通风机构的通风率（英）

为了提高对塑料连栋温室环境的认识水平,必需研究连栋塑料温室各种通风机构的通风性能和通风率。因此,通过运用气体浓度衰减示踪技术,研究了连栋塑料温室中卷膜通风系统和天窗开启式系统的通风性能,确定了模拟通风率的相关系数。研究表明,在试验条件下,当通风口完全打开时,卷膜通风系统比天窗开启式具有可高达2.32倍的通风率;在风速为3 m/s时,位于拱顶脊部的通风口比位于拱底部的通风率大60%;在同样条件下,防虫网可把通风率减少18%～22%。研究还发现,它们在相似的开启程度变化过程中,通风率的变化趋势也有显著的差异。另外,为简化研究,引入了描述通风系统结构性能的流量系数Cd和风力影响系数Cw。在实验条件下,以风力为主导通风时Cd 和Cw的相关参量C的参考值对天窗开启式系统为0.178,对卷膜通风式系统为0.318;而在以温度为主导通风时Cd的参考值对天窗开启式系统为0.667,对卷膜通风式系统为0.863。     

温室通风控水条件对番茄耗水特性及产量的影响

确定温室最佳通风和灌水量可改善室内小气候,减少耗水量并提高果实产量,对进一步优化温室作物灌溉制度至关重要。通过开启温室不同位置通风口设置2种通风处理（T1：开启北窗和顶窗;T2：开启北窗、顶窗和南窗）,同时参考20 cm标准蒸发皿的累积蒸发量,设置2种水分处理（水面蒸发系数分别为0.9（K0.9）和0.5（K0.5））,进行完全组合设计,分析了不同通风和水分对温室覆膜滴灌番茄生理生态、耗水特性及产量的影响,采用通径分析法探讨了影响番茄茎流速率的主控因子。结果表明：1）T2的日均风速明显高于T1,但温度和湿度却相反;2）全生育期内,T1K0.9和T2K0.9的耗水量分别为282.4和278.4 mm,高于T1K0.5（201.8 mm）和T2K0.5处理（202.5 mm）;利用通径分析确定气象因子对茎流速率的综合影响程度由大到小依次为净辐射、温度、相对湿度和风速,其中净辐射对茎流速率的影响主要表现为直接作用,而温度、风速及相对湿度主要表现为间接作用。3）不同通风和水分条件影响了番茄的生长发育和产量形成, T2K0.9的平均单果质量为0.15 kg,水分利用效率为53.0 kg/m3,总产量达到147.6 t/hm2。建议华北地区日光温室通风控水管理参考T2K0.9（开启北窗、顶窗和南窗,水面蒸发系数取0.9）可提高番茄的产量和水分利用效率。     

互插式连栋塑料温室屋面风压分布的风洞试验研究

该文采用风洞试验方法,在不同风向角与是否安装遮阳幕的情况下对互插式连栋塑料温室的风压分布进行了详细的试验研究.研究结果表明:通风窗关闭时的风压系数高于通风窗开启时的风压系数,且风压系数的变化范围较大,因而计算温室表面风压时,应选用通风窗关闭时的风压系数;当气流流经温室屋面时,气流强弱、方向均发生变化,有遮阳幕时正负压交替出现,风压分布比无遮阳幕时复杂;计算互插式连栋塑料温室的风压时,应将有、无遮阳幕两种状态下的风载体型系数结合在一起考虑,即选取两种工况的较大值作为结构设计依据.     

多层覆盖连栋温室热环境模型构建

建立了多层覆盖连栋温室的温、湿度动态机理模型，定量描述了温室内的对流换热、土壤热传导、太阳辐射、长波热辐射、植物蒸腾、地面蒸发、水汽凝结、机械通风和自然通风等物理过程，根据质能平衡原理，对覆盖材料、室内空气、作物、土壤等建立了质能平衡方程。在给定的边界条件下，通过求解质能平衡方程，可求得室内温、湿度和各组成部分如覆盖材料、土壤、植物等的温度以及各部分间的能流、蒸汽流密度。利用有效辐射的概念，推导出了内外遮阳幕、内外覆盖材料、作物冠层、地表、室外天空之间的辐射热交换计算方法。利用压力分布法，推导出了具有顶窗、侧窗和湿垫等多个通风口时的风压和热压通风量计算式。与其他研究者提出的温室环境模型相比，本模型具有更为广泛的适用性。     

辽西北地区防风固沙辐射效应空间差异研究

为提高风域生态系统上风向与下风向区生态服务功能的协调与修复能力,基于修正风蚀方程(RWEQ)与GIS技术,并结合辽西北风域生态系统的风向、风速与土壤尘粒组成,评估分析了辽西北地区二期治沙工程后防风固沙功能的辐射效应。结果表明:受到气候、植被盖度、土壤类型、人类活动等诸多因素的影响,辽西北生态系统防风固沙功能具有空间地域差异性,整体呈现南北较强、中部较弱的空间分布格局。研究区防风固沙量为3.754×10⁷ t,防风固沙能力为824.35 t/km²,产生辐射效应影响到的最远距离为1 250 km,辐射区总面积37.26 km²,是研究区自身面积的8.18倍。减少下风向区域的风沙量为1.877×10⁷ t,其中延边朝鲜族自治州享受到的辐射效应最大,减少沙尘量为2.03×10⁶ t,占总效应的10.82%; 伊春市享受的辐射效应最小,沙尘量减少1.1×10³ t,占总效应的0.005%。总而言之,辽西北地区防风固沙功能空间分布差异性明显,风域生态系统防风固沙功能具有很强的辐射效应。     

栓皮栎幼苗叶气温差随太阳辐射和风速变化的列线研究

为了探索太阳辐射、气温和风速对栓皮栎幼苗叶温(LT)的影响,以及LT与Gates气候空间列线的一致性,在晴天条件下,控制小气候风速因子,测定气温、LT和太阳辐射,研究不同风速条件下栓皮栎幼苗叶气温差（LATD）随太阳辐射的变化。并依据Gates气候空间理论和图解方法,确定栓皮栎幼苗的气候空间列线。结果表明：静风时栓皮栎幼苗LATD随太阳辐射的增加而增加,二者呈线性关系;冠层温度衰减（CTD）随太阳辐射强度增加而增加,但随着风速的增大,CTD随太阳辐射而增加的幅度逐渐减小。风速为0.8m·s^-1时,CTD随太阳辐射变化的趋势线斜率逐渐趋近于0,表明不同风速条件下的栓皮栎幼苗叶片CTD随着太阳辐射强度的增加呈线性增加趋势;随着风速的增加,该线性关系形成斜率逐渐变小的列线,列线与Gates气候空间理论的上限趋势一致,列线上的点与生物学上限温度(BMT)相加可以表达栓皮栎幼苗叶片气候空间上限。     

有机无机氮肥配施下洛阳烟田土壤N2O排放特点及其控制因素

随着农田化肥使用量的逐年增加和土壤退化问题日趋严重,农田温室气体排放关注度持续提高,为研究旱作植烟土壤N_2O排放特征及影响机理,设置6个田间试验处理,分别为CK0(不施肥处理)、CK1(100%无机氮)、T1(50%无机氮+50%饼肥氮)、T2(50%无机氮+50%羊粪肥氮)、T3(25%无机氮+75%饼肥氮)、T4(25%无机氮+75%羊粪肥氮),各处理施氮量均为45 kg/hm²,烟田施用基肥后起142天内测量不同处理土壤N_2O排放通量、硝态氮、铵态氮含量、根层温度和含水率。结果表明:(1)基肥施入后的3~7天内,土壤N_2O排放通量进入高峰,无机肥处理和有机无机肥配施处理的高峰期分别可维持20,9天,追肥后3天再次出现排放峰并持续9天,随后伴随烟株的生长发育,烟地N_2O排放通量逐渐趋向稳定。(2)基肥施用后仅1个月内N_2O累积排放量可达到总排放量的27.4%~32.6%;处理间N_2O排放量和排放系数均表现为无机>有机+无机(1∶1)>有机+无机(3∶1),无机肥配施有机肥明显降低了肥料中氮素以N_2O形态的损失量;与无机肥相比,T1和T2烟叶产量分别增加9.44%和6.37%,T1、T2、T3和T4处理的N_2O排放强度有着不同程度的降低。(3)主成分分析结果显示,在不施肥烟地中0—5 cm土壤温度和含水率是N_2O排放通量主导因子,利用相关性分析此环境下温度和水分分别与N_2O排放通量间呈现显著和极显著正相关关系;施肥后土壤铵态氮含量和土壤含水率是烟地N_2O排放通量的主导因子且相关性分析均呈现极显著正相关关系。综上,旱地植烟土壤N_2O排放受氮肥种类影响较大,施肥后N_2O排放通量对土壤温度响应减弱,主要受土壤铵态氮含量和含水量的影响;在总氮量相同情况下,有机无机肥配施比例为1∶1时明显降低土壤N_2O排放并提高了产量,该比例饼肥和羊粪肥处理分别将烟地N_2O排放强度降低20.4%和23.7%。     

Implement and soil condition effects on tillage-induced erosion

Water, wind, or tillage-induced soil erosion can significantly degrade soil quality. Therefore, understanding soil displacement through tillage translocation is an important step toward developing tillage practices that do not degrade soil resources. Our primary objective was to determine the effects of soil condition (i.e. grassland stubble versus previously tilled soil), opening angle, and harrow speed on soil translocation. A second field study also conducted on a Lixisol but only in the stubble field, quantified displacement effects of mouldboard ploughing. The field studies were located 12 km South of Évora, Portugal. Soil displacement or translocation after each tillage operation in both studies was measured using aluminium cubes with a side length of 15 mm as ‘tracers’. Offset angles for the harrow disk were 20°, 44° and 59°; tractor velocities ranged from 1.9 to 7.0 km h⁻¹ and tillage depth ranged from 4 to 11 cm. The depth of mouldboard ploughing was approximately 40 cm with a wheel speed of 3.7 km h⁻¹. The translocation coefficients for the two implements were very different averaging 770 kg m⁻¹ for the mouldboard plough and ranging from 9 to 333 kg m⁻¹ for the harrow disk. This shows that the mouldboard plough was more erosive than the harrow disk in these studies. All three variables (soil condition, opening angle, and tillage velocity) were critical factors affecting the translocation coefficient for the harrow disk. Displacement distances were the largest for compacted soils (stubble field), with higher opening or offset angles, and at higher velocities. The results also showed significant correlation for (a) mean soil displacement in the direction of tillage and the slope gradient and (b) soil transport coefficient and the opening angle. Our results can be used to predict the transport coefficient (a potential soil quality indicator for tillage erosion) for the harrow disk, provided tillage depth, opening angle, and tool operating speed are known.     

不同发育期及授粉方式对设施甜瓜中稳定同位素比值变化的影响研究

为探究不同发育期及授粉方式对设施甜瓜稳定同位素比值变化的影响,本研究基于元素分析——稳定同位素比率质谱(EA-IRMS),测定在不同发育期和授粉方式中设施甜瓜的4种稳定同位素比值(δ¹³C、δ¹⁵N、δ¹⁸O和δ²H),采用单因素方差分析法解析激素授粉和中华蜜蜂授粉对甜瓜稳定同位素比值的差异性。结果表明,在相同的种植和环境条件下,自然分馏效应导致设施甜瓜在不同发育时期的同位素差异。在甜瓜发育期间,不同授粉方式设施甜瓜的δ¹³C、δ¹⁵N和δ¹⁸O值较稳定,无显著差异(P>0.05),而在发育30 d时激素授粉与蜜蜂授粉甜瓜的δ²H值分别为-43.63‰和-53.50‰,存在显著差异(P<0.05)。本研究初步揭示了稳定同位素在甜瓜发育过程中以及不同授粉方式下的分馏情况,其中δ²H值可作为甜瓜授粉方式的一项标识性指标,对丰富设施甜瓜溯源体系具有重要意义。     

覆膜和密度对宁南旱地马铃薯产量及水分利用效率的影响

以庄薯3号为供试材料,采用大田试验,研究覆膜对不同栽培密度条件下土壤储水量、马铃薯产量构成、产量以及水分利用效率的影响。结果表明:地膜覆盖可明显提高0—40,40—100 cm土壤储水量,提高了马铃薯块茎产量（25.2%）和水分利用效率（28.0%）;不论覆膜与否,适宜的马铃薯密度可提高马铃薯产量和水分利用效率,趋势为6.0万株/hm² > 7.5万株/hm² > 4.5万株/hm²,但地膜覆盖优于裸地。因此,在宁南旱地马铃薯覆膜栽培条件下密度为6.0万株/hm²时,能有效减少土壤水分消耗,同时实现马铃薯高产。     

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。     

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。