CFD在温室室内环境研究中的应用

介绍了计算流体力学(CFD)仿真技术的基本理论和应用方法,认为CFD仿真主要包括前处理、求解和后处理3个步骤,且目前大多研究者采用将CFD数值模拟结果与测试数据进行对比的方法,验证应用所建CFD模型进行数值模拟的可行性。重点分析了CFD在国内外温室(冬季温室、夏季温室和日光温室)热环境研究中及温室流场(温室自然通风流场、有防护网温室流场和温室机械通风流场)中的应用现状。在此基础上,提出了今后利用CFD研究温室室内环境的方向:开展多种类型温室的研究,确定合适的边界条件,并对模拟结果的准确性进行评价;对我国不同地区、不同气候条件下的温室热环境开展CFD数值分析,使研究更系统、更完善;引入不同作物CFD模型,研究作物对温室小气候环境的影响,以实现更贴近实际精度的数值模拟。     

Venlo型温室室内环境数值模拟研究进展

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）在温室室内环境研究领域的运用越来越普遍。近年来,国内外研究者对Venlo型温室的数值模拟研究做了很全面的工作。总结了前人在网格划分、模型维度及求解模型选取方面的经验,重点阐述了国内外学者对Venlo型温室室内环境数值模拟研究的成果及现状．并讨论了未来温室室内环境CFD模拟研究的方向。     

温室自然通风研究进展

温室自然通风作为温室通风的首选方式,对室内外环境之间的质热交换起着重要作用。对温室自然通风机理的研究以及目前国内外研究温室自然通风常用的方法——示踪气体法、能量（或质量）平衡法、CFD方法进行了综述,并展望了CFD方法在未来园艺领域的应用前景,指出在温室微环境分布研究方面,CFD方法与示踪气体法和能量（或质量）平衡法相结合,并将其研究成果应用到温室智能控制系统中,对改进温室结构设计和优化环境控制策略具有积极的现实意义。     

Venlo型温室夏季自然通风降温的CFD数值模拟

采用CFD(computational fluid dynamics)方法对Venlo型温室夏季采用室外遮阳和屋顶喷淋措施的自然通风降温过程进行了数值模拟。模拟时对整个计算域采用六面体网格进行划分。对温室天窗附近区域的网格进行了加密处理，生成的网格总数约为100个。温室CFD数值模拟以室内外空气作为研究对象，外界气象条件、温室围护结构、室外遮阳与屋顶喷淋、室内植物和土壤等作为数值模拟的边界条件进行处理。对Venlo型温室在室外遮阳和屋顶喷淋措施下室内空气温度的变化以及在整个温室空间的分布进行了数值模拟。同时进行了venlo型温室室内温度的现场试验测试。CFD模拟结果和试验测试结果均表明：室外遮阳和屋顶喷淋使温室内空气温度得到有效降低。CFD模拟得到的Veto型温室室内温度平均值与试验测试结果的平均差值为1．7℃，平均偏差为试验测试结果的5％；数值模拟得到的温室室内温度的空间分布变化趋势也与试验测试结果一致。     

温室结构风压的CFD模拟

利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件CFX-5，采用湍流κ-ε模型和结构化非均匀网格对华南型单栋塑料温室的表面风压进行了数值模拟，预测出温室表面的风压分布，并讨论了温室屋檐和屋脊处的风压分布特点。与他人风洞试验结果进行比较结果表明，数值模拟和风洞实验的风压分布趋势相近．风压数值基本吻合。对连栋温室的表面风压进行了模拟，得到了表面风压的分布特征，并发现边缘栋的风压较大，在结构设计时应该重视；在连栋数大于3栋的情况下，中间各栋温室的表面风压比较一致。CFD方法能定性和定量地预测出温室表面的风压分布。     

基于CFD的不同走向大跨度保温型温室温度场模拟

大跨度保温型温室是针对日光温室之间南北间距较大,土地利用效率不高而设计的。该温室可将日光温室南北间距缩减为2m以内,同时具有日光温室的良好保温特征,但一直以来缺乏对该大跨度保温型温室的光温性能评价。本研究利用计算流体力学软件(Computational fluid dynamics,CFD)构建三维稳态温室模型,模拟不同走向对温室光温环境的影响,为温室建设提供理论依据。在模型中采用太阳射线追踪法加载太阳辐射,通过离散坐标辐射模型(Discrete ordinates,DO)模拟热辐射的影响。将模拟结果与试验测量结果进行对比,模型模拟值与实测值绝对偏差在0.3~2.1℃范围内,验证了构建的CFD温室模型的准确性。利用已验证的模型模拟结构尺寸完全相同,走向分别为东西与南北的2栋温室内的温度场分布情况,比较分析不同时刻(6个案例)温室内温度场差别。模拟结果表明,在上午10:00和下午14:00,2种走向温室内温度差异不明显在正午12:00,南北走向温室内温度比东西走向温室高2.8℃。在室温分布均匀性方面,利用CFD后处理软件提取6个案例在每一节点处的模拟值,统计6个案例温室温度的相对标准偏差,结果表明,在早、中、晚的3个时间段内,南北走向温室的RSD值均低于东西走向温室。综合模拟与测试结果表明,双拱大跨度保温型温室在北方地区应选用南北走向,温室的光照分布、温度分布都优于东西走向。     

计算流体力学在温室研究领域的应用

引言CFD(计算流体动力学)作为一种模拟仿真工具现已成为一个功能强大的设计工具。它广泛地应用于研究各种传递过程包括流体流动,传热和传质等。CFD模拟的输出结果包括流体的速度和方向,压力,温度和浓度在空间和时间上的分布。CFD最先是在化学,汽车,航空宇宙和核工业等领域中建立起来的,在近几年来,CFD是用于园艺领域的研究,被用来模拟温室室内的气候环境。然后利用这些模型来研究温室室内环境对外部环境和温室环境控制的响应。     

日光温室二维及三维模拟对温度模拟结果的影响

数值模拟在温室环境研究中应用日趋广泛,正确选择温室模拟模型对模拟结果的准确性非常重要。本研究以温室夜间各表面的温度为边界条件,采用CFD软件对12m跨度温室温度环境进行二维及三维空间的稳态模拟求解。结果表明温室中间横剖面温度在三维模拟及二维模拟中空间变化趋势相同且与测试结果相近：在温室前部及温室后上部模拟值与测试值的绝对误差在5％以内,在温室中部尤其是近土壤表面误差偏大。由温室中间及距山墙1m远两个横剖面的1m高温度线分布对比结果可见,温室长度大于其跨度两倍以上时,山墙对室内中部温度环境的影响不明显,模拟温室中部横剖面的温度用二维模型可行。     

温室内喷雾降温系统的CFD模拟

为了研究温室内喷雾系统的降温效果,采用CFD方法对Venlo型玻璃温室在夏天自然通风状况下的喷雾降温过程进行了数值模拟。在充分考虑太阳辐射影响和室内水蒸气传输过程基础上,结合离散相模型,构建求解室内环境系统的3-D数学模型,并对边界条件的设置进行探讨。对Venlo型温室在喷雾降温措施下室内空气温、湿度的变化以及在整个温室空间的温度分布进行了数值模拟与预测,结果显示:温室内测点温、湿度的模拟值与实测值的平均相对误差分别为4.9%和5.7%,模拟结果与试验结果吻合良好,说明所建立的CFD模型有效,边界设置合理。喷雾前流场存在明显温度梯度分布,温度变化随着高度的增加而变缓。喷雾后,温室内温度迅速降低,喷头下方温度下降最为明显。随着时间的推移,温室内温度逐渐回升,温度回升速度与高度呈正相关关系。     

湿帘风机系统温室夏季内部温度场的动态特性试验及CFD模拟

为了解温室内部温度场的动态变化过程,优化传统的通风控制系统。对机械通风下的连栋薄膜温室的温度场的动态变化进行了试验,并根据试验温室的几何结构和试验数据,使用CFD方法对试验温室进行数值建模,在模型中考虑了太阳辐射和热辐射,应用FLU-ENT软件进行模拟计算。通过在试验温室采集到的关键位置的温度数据,与模拟结果比较发现CFD数值模拟的室内温度变化的趋势与试验测试的结果基本一致。     

自然通风单栋温室内流场的CFD模拟

基于CFD模拟技术,采用标准K-ε湍流模型和Do辐射模型对自然通风温室在3种通风型下的室内气流分布进行了2-D求解,并对3种模拟结果进行了比较和分析。结果表明:在温室两侧开有侧窗、顶部开有天窗的通风情况下,温室内部的通风状况最好,而且风速适中,适宜作物生长。     

夏季屋顶全开型温室遮阳网降温调控的CFD分析

为研究遮阳网对屋顶全开型温室夏季降温的影响,建立屋顶全开型温室的计算流体动力学(CFD)模型,在上海地区进行夏季试验。通过对比试验实测值与模拟值验证了模型的有效性,并利用试验和CFD模型分析了遮阳网对温室降温的影响,结果表明,遮阳网的使用层数对温室降温影响明显,2层遮阳网下温室室内外温差为4.5℃,1层遮阳网下为3.7℃,无遮阳网为1.3℃;利用CFD模拟分析了增加外遮阳网后的温室内温度场,在基本满足植物生长光照要求的情况下,温室接收的太阳总辐射降为176.3 W/m~2,室内平均温度降为37.6℃,温室内局部高温状况也被大大缓解。     

基于CFD的自然通风玻璃温室湿热环境模拟与测试

基于计算流体动力学(CFD)数值方法,以Venlo型2连栋玻璃温室为研究对象,采用离散坐标(DO)辐射模型和组分传输模型对室内空气的传输过程进行3维数值模拟,以提出在温室微环境模拟中采用辐射、对流、热传导耦合计算的新方法,从而得出温室内温度和相对湿度场的分布模式。结果表明:相对湿度模拟值与实测值平均相对误差为5.4%,温度模拟值与实测值平均相对误差为11.2%。温室内相对湿度空间分布与对应的温度分布模式类似,中部作物区温湿度分布均匀一致,其余空间温湿度分布梯度明显。     

温室大棚气流场的CFD数值模拟

为了探索温室大棚内部的气流和热量传递过程,设计合理的通风降温设施,在CFD计算流体力学软件——AirPak的支持下,选择华北型连栋塑料温室,建立了有植物条件下的湿帘机械通风三维数值模拟模型,并对温室大棚内气流场进行了模拟,得到了温室内气流场的三维空间分布,为今后温室内小气候数值模拟、综合性能评价以及温室大棚整体结构规划设计提供可靠的依据。     

基于CFD的花卉温室夏季机械通风模拟

为了研究实际花卉温室中夏季机械通风温度场和气流场对于花卉作物生长的影响,采用流体力学软件ANSYS FLUENT 19.0对温室进行三维计算流体动力学(CFD)模拟。通过在温室中布置温度测点,分析夏季机械通风模式下的温度分布规律;采用k-ε模型(RNG)对温室室内小气候进行模拟,离散纵坐标(DO)辐射模型进行室内辐射模拟,控制算法采用PISO算法,压力分散采用体积力加权法;设置求解器进行稳态分析,变量残差收敛的标准设为10~(-4)。在试验条件下,计算结果与试验结果吻合较好,模拟速度场误差范围在0.5%～24.6%,模拟温度在实测温度附近波动,RMSE=1.982 6,MAE=2.153 4,温度模拟值与实际值的绝对误差最大值小于2.5℃。模拟结果表明,夏季机械通风情况下温度场分布较均匀,适合花卉生长。     

农业温室系统的多相流传递过程研究进展

分析了研究温室多相传递过程的特点,对温室内复杂的多相流动与传热问题进行了阐述,进而对目前关于温室传热、传质过程的CFD(计算流体力学)研究进行了综述,总结了CFD在温室多相流动与传热传质研究中的优势,并对CFD研究温室多相流系统的前景进行了展望。     

农业温室系统的多相流传递过程研究进展

分析了研究温室多相传递过程的特点,对温室内复杂的多相流动与传热问题进行了阐述,进而对目前关于温室传热、传质过程的CFD(计算流体力学)研究进行了综述,总结了CFD在温室多相流动与传热传质研究中的优势,并对CFD研究温室多相流系统的前景进行了展望。     

现代化温室自然通风时湿热环境CFD模拟研究

选取现代化温室室内区域和室外区域作为CFD模拟的计算域,建立温室同等大小的三维模拟,采用标准k-ε湍流模型,选择合适的辐射模型,番茄作物区采用多孔介质模型,对温室内部湿热环境进行了数值模拟.对模拟结果与试验测试结果进行对比,温室内部空气温度的模拟值与实测值的绝对误差为0.2～2.2℃,平均误差为0.91℃,平均相对误差为3.1%,最大相对误差为7.7%.温室内部空气相对湿度的模拟值与实测值的平均相对误差为6.4%,最大相对误差为16.6%,数值模拟结果与试验测试结果吻合较好.     

冬季日光温室温度场优化研究

针对冬季寒冷地区温室作物质量与产量不理想的问题,建立温室CFD模型。对冬季哈尔滨地区某温室温度分布情况做模拟分析,验证模型准确性。温室冬季无空气流通,加热源热量扩散不充分,温室内部温度分布不均匀,大部分区域不能达到植物生长的适宜温度。根据温度场的分布状况,提出利用内循环风扇来优化温室内气流组织方法,充分利用未扩散的热能,提升温室内温度,优化温度场均匀性,验证效果良好。     

啤酒发酵液冷却过程的流体动力学模拟

为研究啤酒发酵罐内发酵液的动量和热量分布,应用传递过程原理和计算流体动力学(CFD)方法,建立了啤酒发酵后期冷却阶段发酵液动量和热量传递的CFD模型,并进行数值模拟,结果表明:啤酒发酵后期冷却阶段发酵液温度分层严重;流体在发酵罐中产生了分层对流现象,这与一般认为的发酵罐内流体做整体环形对流运动不同。利用CFD方法可以较好地模拟发酵后期冷却阶段发酵液动量和热量的变化过程,所得结果可作为研究啤酒发酵温度控制的基础资料。