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。     

PO高透光膜与普通PE膜的温光环境比较分析

通过对相同结构大棚覆盖PO膜与PE膜后冬季室内温光环境的监测,比较研究了这2种膜对大棚冬季温光环境的影响。结果表明:PO膜覆盖的大棚透光率较PE膜高50%左右;PO膜覆盖的棚内日平均温度、最高温度、最低温度均比PE膜覆盖的高,且PO膜的保温性能更好;PO膜覆盖的大棚内地温较PE膜覆盖的高1℃左右。     

新型大跨度非对称塑料大棚内冬季温光变化特征研究

【目的】研究大跨度非对称塑料大棚内冬季温光变化特征,为新型棚体的开发与设计提供思路。【方法】根据跨度和覆盖层数不同,选取5座大棚,分别为17m单层(17-1)、17m双层(17-2)、18m单层(18-1)、18m双层(18-2)和20m单层(20-1),并以塑料拱棚和日光温室为对照,对大棚进行连续气温监测及典型晴天、阴天、雪天条件下气温、土壤温度(20cm深)和光照环境的监测与比较。【结果】①2017-12-01至2018-01-31,18-1、18-2、17-1、17-2、20-1温室冬季平均最低气温分别为4.1,4.9,-1.9,0,-1.8℃,平均最高气温分别为31.7,27.8,32.6,31.9,33.9℃。②典型晴天条件下,18-1、18-2、17-1、17-2、20-1温室最低气温分别为4.4,5.0,-3.4,-2.6,-3.1℃,较室外分别高11.6,12.2,3.8,4.6,4.1℃,较塑料拱棚分别高10.5,11.1,2.7,3.5,3.0℃,较日光温室分别低6.3,5.7,14.1,13.3,13.8℃;典型阴天条件下,最低气温分别为6.3,7.5,1.0,1.6,1.7℃,较室外分别高8.4,9.6,3.1,3.7,3.8℃,较塑料拱棚分别高7.7,8.9,2.4,3.0,3.1℃,较日光温室分别低5.4,4.2,10.7,10.1,10.0℃;典型雪天条件下,最低气温分别为4.9,6.0,-2.7,-1.0,-1.4℃,较室外分别高10.7,11.8,3.1,4.8,4.4℃,较塑料拱棚分别高10.0,11.1,2.4,4.1,3.7℃,较日光温室分别低5.0,3.9,12.6,10.9,11.3℃。典型晴天条件下,18-1、18-2、17-1、17-2、20-1温室20cm深处土壤平均温度分别为12.2,12.3,10.0,11.1,9.6℃,较塑料拱棚分别高6.0,6.1,3.8,4.9,3.4℃;典型阴天条件下,土壤平均温度分别为11.9,12.1,9.5,10.6,9.6℃,较塑料拱棚分别高5.8,6.0,3.4,4.5,3.5℃;典型雪天条件下,土壤平均温度分别为11.2,11.4,9.9,10.5,9.5℃,较塑料拱棚分别高5.4,5.6,4.1,4.7,3.7℃。③对大棚内南北方向气温和光照分布进行比较可知,各试验温室内气温以中部最高,南北次之,分布差异大小排列为17-1温室18-1温室20-1温室18-2温室17-2温室;各试验温室南部光照最好,中部略低于南部,北部最差,透光率大小排序为18-1温室18-2温室20-1温室17-1温室17-2温室。【结论】综合考虑温光环境性能可知,18-2温室大棚的保温性能较好,平均最低气温和土壤平均温度高,无极端低温和高温情况,且南北方向气温、光照分布差异小,透光率高,更适合推广应用。     

CFD模拟技术在温室室内环境研究中的应用

介绍了CFD模拟技术在国内外的应用现状和在温室冬季供暖及温室夏季通风中的应用现状.在此基础上,提出了今后利用CFD研究温室室内环境的方向:结合不同地域的气象条件进行模拟研究;考虑作物对温室环境的影响,使模拟结果更贴近实际;在进行温室内温度分布方面的研究的同时,建立一些新的模型,开展室内湿度分布方面的研究.     

高寒地区冬季奶牛舍内部空气流场CFD数值模拟

为了确定高寒地区冬季带有卷帘的自然通风开放式奶牛舍内部空气流场的分布情况,进而改进舍内低温高湿的环境,在对黑龙江省齐齐哈尔市克东县飞鹤牧业克东原生态牧场牛舍气流进行现场实测的基础上,采用计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamic)方法,根据现场实测值和相关参数查询,对高寒地区冬季奶牛舍某一时刻的空气流场进行数值模拟,模拟结果表明,使用CFD对牛舍内温、湿度场模拟是可行的。舍外空气进入牛舍后,在与牛体周围空气进行热质交换后,温度升高近6℃,相对湿度增大至91%以上。在热压的作用下,由出口排出,在带走水蒸气的同时带走了大量的热,是导致牛舍内温度偏低的主要原因。现有的牛生活区域平均温度在-15℃,相对湿度在91%以上,属于低温高湿的环境,对奶牛的产奶性能有一定的影响,应通过增大送风量或增设其他采暖设施改善现有环境。     

大跨度薄膜温室温光特性研究及作物生长模型构建

研究大跨度薄膜温室在长江流域的适应能力,为生产实践提供理论指导.对比研究大跨度薄膜温室(LPG)和3连栋塑料温室(TPG)的室内空气温度、相对湿度、光照度变化,构建基于辐热积的作物生长模型.结果表明,冬季LPG与TPG相比,日平均气温高1.6℃、最低气温高4.8℃,温度均匀度较优,光照度均匀度和相对湿度均匀度较差.夏季LPG的遮阳网展开后,比TPG日平均气温低3.0℃,平均相对湿度高5.5％,平均光照度低11500 lx,LPG的温度、光照度和相对湿度的均匀度均优于TPG.越冬茬作物优先级为草莓>蒌蒿>芹菜>莴笋,LPG夏茬作物优先级为香菜>蕹菜>小白菜>苋菜.LPG冬季保温性能、夏季降温性能均优于TPG,可以满足长江流域栽培需要.建议冬季栽培草莓,夏季栽培香菜,可获得最大经济效益.     

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。     

基于水热效应数值模拟的旱地玉米全膜双垄沟农艺优化

为研究旱地玉米全膜双垄沟垄体结构对其水热效应的影响程度,采用数值模拟方法对垄体结构和保温保水性能之间的关系进行研究。参考现有的全膜双垄沟种床构建农艺要求建立4种垄体模型,分别为T1、T2、T3和T4模型,对其雨水入渗和热平衡过程进行数值模拟,结合模拟结果对玉米全膜双垄沟垄体结构和相应的配套机具进行了优化。入渗模拟结果表明:在相同降雨边界条件下T2模型垄沟内土壤平均含水率最高(含水率为18.0%),其次为T4模型(16.9%)。热平衡模拟结果表明:在相同的温度边界条件下T4模型垄沟内土壤平均温度最高(温度值为23.5℃),T2模型最低(22.8℃),兼顾保温性和保水性2个因素,T4模型为最优模型。在T4模型的基础上对现有的全膜双垄沟垄体结构进行优化,优化后的垄体呈拱型结构,大垄拱顶弧半径为48 cm,大垄宽70 cm,垄高15 cm;小垄拱顶弧半径为22 cm,小垄宽40 cm,垄高20 cm;垄沟为梯形结构,沟底宽8～10 cm,沟底与大垄宽度比约1∶7,与小垄宽度比约1∶4。同时配套的起垄铺膜机具需要安装垄体整形装置,其形状和结构要与优化后的垄体相匹配,配套的直插式穴播机行走轮宽度应小于垄沟沟底宽度(8～10 cm),播种后膜孔半径保持在4～5 cm。     

双层膜日光温室设计及其热性能测试分析

为了提高日光温室的保温性能,设计建造了一种适用于北方冬季生产的现代双层膜日光温室,其特点是有内外两层支撑骨架和覆盖系统,测试了该温室在冬季无保温被覆盖、通风口关闭条件下室内温度变化情况,并与普通单层膜日光温室进行了对比分析。试验结果表明,双层膜日光温室内空气平均温度、土壤平均温度、最低气温和最低土壤温度的最低值较单层膜日光温室分别提高了2.1℃、1.7℃、3.7℃和1.8℃,较室外分别提高了12.4℃、0.9℃、18.5℃和0.9℃。在雪天、晴天、阴天和雾霾天等典型天气,双层膜日光温室较单层膜日光温室白天和夜间平均气温分别提高了0.4℃和1.4℃,较室外白天和夜间平均气温提高了3.0℃和9.7℃。研究表明,与单层膜日光温室相比,双层膜日光温室的空气温度、土壤温度有明显提高,室内温度较稳定。该研究为双层膜日光温室建造提供了参考。     

多膜覆盖夜间气温变化模拟试验

本试验针对多层塑料薄膜覆盖形成环境中夜间气温的变化进行分析,以期为完善多膜覆盖生产模式提供理论依据和数据支持。试验于2018年冬季在山东济南的4个拱棚内进行,拱棚内分别设置1层薄膜小拱棚、2层薄膜小拱棚、3层薄膜小拱棚以及未设置小拱棚,利用拱棚和小拱棚组成的1～4层薄膜覆盖模拟早春多膜覆盖下的温度环境,并进行测量分析。结果表明,内设小拱棚对拱棚内夜间气温的影响不大,拱棚内外气温高低存在不确定性;在本试验范围内,随着覆盖塑料薄膜层数的增多,多膜覆盖环境夜间的气温条件不断改善。表明,塑料薄膜提高温度的作用并不仅仅是由自身热工参数(热导率)引起的。MATLAB拟合分析结果表明,随着薄膜层数的增多,多膜覆盖夜间气温增幅逐渐变小,在本试验条件下覆膜层数以不超过5层为宜。     

苦豆子堆腐产热对温室大棚内温度场的影响

【目的】探讨基质槽内苦豆子堆腐发酵产热对温室大棚内的温度场影响。【方法】在温室大棚内基质槽中堆腐发酵苦豆子秸秆,对7个基质槽的侧壁面和顶面分别布点测温,固定时间点监测14天发酵历程的温度变化,同时建立了7个基质槽堆腐发酵散热的温室环境几何模型,运用CFD模拟基质槽堆肥散热情况与7组试验数据的拟合度,分析堆腐产热对温室大棚内温度场的影响。【结果】堆腐1-8天时,7个基质槽的侧壁面、顶面平均温度缓慢升至最高,14天时温度回落至初始环境温度。数值模拟散热以顶面散热为主导时,35℃堆体中间发热不明显,50℃发热明显,65℃基质槽顶面散热辐射区域最大;基质槽侧壁面、顶面同时散热时,35℃温室内热源散热不明显,50℃时温室内上下层的流体形成清晰的分层现象;65℃时,温室内上层热空气明显变厚。【结论】温室大棚内基质槽堆腐发酵苦豆子秸秆,7-8天时达到最高温度,顶面平均温度要比侧壁面高4.5℃左右。在相同工况下基质槽d、e、f、g的顶面、侧壁面散热量变化明显,对周边的温度场影响较大。     

不同通风形式日光温室湿热特性的数值模拟

研究日光温室不同通风形式对室内湿热特性的影响。采用计算流体动力学数值模拟方法，构建日光温室作物-环境湿热系统的数值模拟模型。将模拟结果与试验测量结果进行对比，温度和相对湿度的模拟值与实测值的最大相对误差分别为4.7%和4.1%,验证了所构建模型的准确性。应用该模型模拟不同通风形式下温室内的气流和温湿度分布情况，比较分析不同的通风形式对室内湿热特性的影响。结果表明：不同的通风形式会影响室内气流的运动轨迹和速度，从而影响室内温度和相对湿度的分布变化。仅开启上通风口通风时，室内的平均温度和相对湿度较高，气候分布均匀，整体变化较小，适宜冬春季节或清晨傍晚室内温湿度较低时的通风要求；仅开启下通风口通风时室内温湿度分布模式均匀性最差，进风口处的温湿度明显低于北墙，且进口存在涡流，不利于作物生长发育；上、下通风口均只开一半通风时，作物区平均温度和相对湿度分别为39.3℃和25%,上、下通风口均全开时作物区平均温度和相对湿度为36.8℃和23.7%,较于前者室内温度和相对湿度分别降低了2.5℃和1.3%,适宜于炎热天气下日光温室内的降温除湿要求。     

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。     

热风管道加温下日光温室根区温度场的CFD模拟

为探明热风管道加温系统设计参数对根区温度分布均匀性的影响,以单个基质栽培槽为研究对象,采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法构建日光温室热风管道根区加温系统模型,探究不同进风口温度、进风口风速及送风管开孔数量下根区温度分布规律,设计正交试验并对每组试验进行数值模拟,确定各参数对根区温度分布均匀性的影响。结果表明:根区温度实测值与模拟值的平均相对误差为0.89%,均方根误差为0.02,模型可靠;随着进风口温度、风速和开孔数量的增大,根区温度不均匀度和最高温度有较为明显的增加,平均温度和最低温度无显著变化;各参数影响根区温度分布均匀性主次顺序为开孔数量>进风口温度>进风口风速。当进风口温度为20 ℃,进风口速度为7.5 m/s,开孔数量为20时根区温度均匀性最好。     

楼房式妊娠母猪舍靶向通风系统应用效果

针对楼房猪舍通风设计复杂,猪舍内热环境均匀性和稳定性不佳的问题,在装有靶向通风系统的楼房猪场妊娠母猪舍内,连续监测冬季和夏季试验猪舍内的风速、通风量、温湿度和猪只应激状况,对靶向通风系统在楼房猪舍的应用效果进行研究。结果表明：1)靶向通风系统能够有效优化试验猪舍内气流的分布规律和利用效率,其中栏位处出风口和生活区域风速沿宽度方向均匀性较好(P>0.05),沿长度方向均匀性较差(P<0.05),猪只生活区域冬季和夏季平均风速分别为(0.16±0.05)和(0.90±0.17) m/s; 2)靶向通风系统能够将试验猪舍内温度调控至适宜的范围内,试验猪舍内冬季平均温度保持在(19.5±0.21)℃,夏季平均温度控制在(27.0±1.77)℃,且水平和垂直方向温湿度均匀性较好(P>0.05);3)靶向通风系统能够有效提升猪只舒适度,试验猪舍内冬季未出现冷应激状态,夏季无热应激状态比例为85.9%,轻度和中度热应激状态分别为13.3%和0.8%,未出现高度热应激状态。靶向通风系统应用于楼房式妊娠母猪舍可以改善夏季猪舍内热环境分布和猪只热应激状况,从而大幅度减少猪舍需风量。     

胶东地区日光温室周年温湿度变化规律分析及预测

为探究胶东地区日光温室内部环境的变化情况及对番茄栽培的适宜性,并对内部温湿度进行预测,利用不同传感器,全天候监测并分析了2019-06-01至2020-05-31温室内外温湿度,同时建立了该地区日光温室内部不同季节不同天气条件下气温及相对湿度的预测模型,并利用根均方差（RMSE）进行统计分析。结果表明,日光温室内部7月平均气温最高,1月平均温度最低,分别为29.7和14.1 ℃。温室内春秋季日期数较外部增加了78 d,冬季减少了118 d。不利于番茄生长的时期集中在夏季和冬季,温室内易产生夏季高温低湿、冬季低温高湿现象。温室内气温、相对湿度预测模型的预测值与实际值的平均RMSE值分别为4.1 ℃、10.1%,模型的模拟效果整体较好。     

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。     

温室棚面集雨及自压渗灌对作物生长环境的影响

利用棚面与地面自然高差,设计了温室棚面雨水集蓄及自压式渗灌系统,并通过对比试验探讨了雨水自压式渗灌和浇灌条件下温室蔬菜生长环境状况。试验结果表明:冬季集雨渗灌与浇灌相比,晴天全天平均相对湿度降低8.5%,阴雨天全天平均相对湿度降低6.5%;室内空气温度比浇灌平均高出1~3℃;表层土壤平均温度比浇灌低0.26℃,但20 cm深度土壤平均温度比浇灌高0.64℃;全生育其渗灌总灌水量为浇灌的40%,收获蔬菜(包青包)平均高度增加4.3 cm。     

基于GCM泾河流域未来温度变化的降尺度预测

【目的】分析泾河流域21世纪温度变化的趋势,为流域未来气候变化情景的构建及当地农业的可持续发展提供参考依据。【方法】基于泾河流域18个气象站点的日平均温度和日最高、最低温度实测数据,以及美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析资料、英国Hadley气候预测与研究中心的全球气候模型HadCM3在A2和B2情景下模拟的大气环流因子,利用统计降尺度模型SDSM,对泾河流域21世纪3个时期(2020s,2050s,2080s)温度的时空变化进行预测。【结果】A2、B2情景下,泾河流域未来3个时期(2020s,2050s,2080s)的温度变化均表现出明显的上升趋势,且随时间的推移增幅增大。3个时期的温度变化具有季节差异,日平均温度在A2、B2情景下均以夏季变化最为显著(A2:1.2,2.5,4.5℃;B2:1.3,2.4,3.2℃);日最高温度在A2情景下以秋季变化最为显著(1.0,2.4,3.8℃),B2情景下则以冬季变化最为显著(1.0,2.0,2.9℃);日最低温度在A2情景下以夏季变化最为显著(1.1,2.4,4.4℃),B2情景下则以秋季变化最为显著(1.4,2.3,3.3℃)。温度变化同时也存在空间差异,以东南-西北方向增幅较高,东南部是高增长的中心,东北部和西南部增幅相对较小。【结论】泾河流域未来3个时期(2020s,2050s,2080s)的温度有明显上升,并具有一定的时空差异和季节差异。     

新疆棉花双膜覆盖增温效应分析

[目的]为棉花双膜覆盖技术的推广提供可行依据.[方法]进行棉花双膜与单膜覆盖增温效应的对比分析.[结果](1)双膜覆盖比单膜覆盖明显提高播种至出苗期间的0～20 cm耕层土壤地温,增加土壤有效积温,从播种至出苗期间双膜覆盖比单膜覆盖日平均地温高0.9℃,最低温差0.6℃,最高温差达到1.3℃;双膜覆盖较单膜覆盖累计增加土壤积温15.2℃.(2)双膜与单膜覆盖5 cm日平均地温温差1.4℃,最高温差达到2.4℃,比单膜累计增加地温24.3℃,5 cm土层正好是棉花种子所处的耕层,因此该土层地温的提高为播种后加速种子吸水、萌动提供了很好的温度环境,有效促进了棉花出苗.(3)双膜覆盖栽培还有效提高了一日4个时段(02:00、08:00、14:00、20:00)的土壤温度.[结论](1)双膜覆盖比单膜覆盖有更好的增温效应.(2)双膜覆盖提高了不同土层土壤温度,且这种增温效应随土壤深度的增加而逐渐减弱,且土层间温差逐渐减小,这种增温效果明显高于单膜覆盖的增温效果.(3)随着时间的不同,土壤不同土层地温变化也发生着相应变化,反映出土壤的热传导效应.