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%。     

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。     

基于Fluent的9R-40型揉碎机三维流场数值模拟

为了对揉碎机空气扰动噪声源的产生机理、噪声特性及其规律进行研究,该文运用计算流体力学软件Fluent对9R-40型揉碎机内部的流场进行了三维模拟,直观显示了揉碎机腔体内的流场特性和流动状态,并且对计算所得的风速曲线和试验测得的值进行对比,结果表明,二者最大相对误差小于8%,且得到了转速为2 800 r/min运动时揉碎机流场的压力分布和内部流场速度分布。通过气流流场模拟结果分析表明,低速气流从进气口经高速旋转的转子作用后,产生了旋转噪声和涡流噪声;另外,在出料直管内形成一个回流区,易造成出料口堵塞,也会产生噪声。     

蔬菜气雾栽培箱不同气流循环方式的流场和温度场CFD模拟

蔬菜气雾栽培箱内的空气流动和温度对箱体内的环境调节及农作物生长具有重要作用,农作物周围空气的均匀性流动能促进农作物的生长速率。为探究蔬菜气雾栽培箱内流场及温度场分布规律,基于计算机流体力学(CFD,computational fluid dynamics)方法,利用FLUENT软件,结合标准湍流模型、有孔介质模型、作物冠层质热交换模型等,建立了蔬菜气雾栽培箱不同气流循环方式下的CFD模型。并对气雾栽培箱内的环境进行优化设计,设计了3种气流循环方案:顶面进侧面出,侧面进顶面出,侧面进侧面出。对送回风口的不同位置布局进行了研究,并对3种气流循环方案进行了数值模拟。模拟结果可知:气流为顶面进侧面出方案中,风速位于生菜生长适宜风速值区域占58.1%,适宜温度值区域占93.6%,通风死角区域占比0.844%;气流为侧面进顶面出方案中,生菜生长适宜风速值区域占59.6%,适宜温度值区域占99.98%,通风死角区域占比0.069%;气流为侧面进侧面出方案中,风速位于生菜生长适宜风速值区域占54.3%,适宜温度值区域占92.4%,通风死角区域占比16.7%。分析对比后得到侧面进顶面出为最佳气流循环方案。并对此进行了试验测试,结果表明:气雾栽培箱内温度、风速模拟值和实测值进行对比,温度平均相对误差为3.9%,均方根误差为0.86℃。风速平均相对误差为3.5%,均方根误差为0.26m/s,模拟值和实测值误差较小,模拟效果良好,验证了CFD模型的准确性。该研究为蔬菜气雾栽培箱内的流场及温度变化规律,内部环境调节,装置优化设计提供了参考依据。     

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。     

用CFD方法模拟日光温室温度环境初探

日光温室温度环境为一动态变化过程，该文建立了求解晴天室内温度环境的计算模型。将室外的水平面太阳辐照度、天空辐射温度、室外空气相对湿度、空气温度、风速及室内1.0m深土壤温度作为边界条件，采用计算流体动力学技术（CFD）中的非稳态方法求解控制方程，模拟了晴天室内温度随外界气候条件的变化，结果显示模拟得到的室内空气温度及土壤温度变化规律与实测值变化规律相同，盖帘后室内空气温度及土壤0.2 m深土层的温度模拟值与实测值相差约在1℃以内；探讨了边界条件中冷风渗透、土壤表面太阳能转换显热份额及1.0 m深土壤温度的取值变化对室内温度的影响。日光温室内温度动态变化模拟模型的建立对优化温室设计参数和预测不同天气情况下室内的温度环境变化具有参考意义。     

湿帘-风机降温下的温室热/流场模拟及降温系统参数优化

为提高温室夏季降温环境性能,提出了一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的温室湿帘-风机系统的降温环境优化设计方法。采用太阳射线追踪法来模拟太阳辐射对夏季温室内流场环境的影响,并结合温室内作物的多孔介质模型,构建并求解温室三维非稳态模型,模拟了湿帘-风机降温下的温室内部温度场与速度场分布情况。模拟结果与试验测量的温度值和风速值进行了对比,其平均误差分别在4%和6%以内,验证了建立的温室CFD模型的准确性。结合正交试验方法,基于CFD模型对不同温室长度、湿帘面积和风机速度参数条件下的室内降温环境进行了优化设计。根据模拟优化获得的不同配置方案结果,建立了温室长度、湿帘面积和风机速度参数的拟合结果,为夏季华东沿海地区Venlo型温室湿帘-分机降温系统的设计提供了可靠的理论依据。     

液力偶合器气液两相流动的数值模拟与粒子图像测速

为了更加真实地反映偶合器内部的气液两相流动机理,该文应用计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）对其内部流动的速度和压力等流场特征进行数值模拟,并应用粒子图像测速（particle image velocimetry,PIV）技术对其流场进行了测试,试验结果表明：泵轮内的气泡小而均匀,速度分布较规律,由内环向外环递增;涡轮内气泡较多,并出现了涡流、回流、二次流等不规则流动现象。PIV测试的流场流动趋势与数值模拟的流场流动趋势基本一致。CFD数值模拟方法和PIV技术为揭示液力偶合器内部流场的复杂流动提供有效的解决途径。     

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.     

Numerical simulation and optimum design on airflow distribution chamber of air-impingement jet dryer

为了改善气体射流冲击干燥机气流分配室流场结构,提高喷管速度分布均匀性,以气体运动微分方程和RNG k-ε湍流模型为基础,利用计算流体动力学软件Fluent对气流分配室内气流流场进行了三维数值模拟,得到了热气流在气流分配室内的流动特征,并对原模型结构进行改进,提出了3类优化方法,同时将最优模型的预测值与试验数据进行了比较。计算结果表明,气流分配室原始结构的速度矢量在气流腔室内部形成2个左右对称的反向涡流区,对应喷管出口速度分布沿高度方向呈先减小后增加的趋势,设计工况下速度偏差比和速度不均匀系数分别达到24.6%和18.1%;减小分配室下端宽度这一常见思路并不能改善气流分配室的速度分布均匀性,而扰流模型则被证明是可行的; 平板扰流模型的效果优于半圆柱扰流模型,其最佳结构参数为平板间距为160 mm且第一块平板较喷管轴线高14 mm,速度偏差比降为7.7%,而速度不均匀系数仅为4.7%,数值模拟结果与试验数据最大偏差不超过8%。该文的研究思路对类似于干燥机气流分配室结构的均匀性设计提供了参考。     

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.     

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.     

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%。     

利用BP神经网络对江淮地区梅雨季节现代化温室小气候的模拟与分析

为对江淮地区现代化温室内梅雨季节的小气候进行模拟与分析，在建立相应的BP神经网络模拟模型的基础上，进一步研究了外部温度、湿度、风速、太阳总辐射和天窗开度5个因素对温室内温度、湿度、风速的影响。研究发现可以使用BP神经网络对梅雨季节的小气候进行模拟，模型具有较高的精度，是对物理模型的有益补充；梅雨季节室内湿度受室外湿度的强烈影响，在5个输入因素中所占比重为51.7%；室内风速主要受室外风速和天窗开度的共同影响，受室外温度的影响较小，所占比重仅为10%；室内温度主要受室外温度和太阳辐射的影响，二者所占比重分别为46.2%和27.9%。     

农户用机械通风钢网式小麦干燥储藏仓的气流场分析

为保障农户收获后高水分粮食不落地安全储藏,针对一种仓壁透气中心带通风立筒的圆形钢网式农户储粮干燥仓,应用CFD法对收获后高水分小麦在进行机械通风时的气流场进行仿真分析,将仓内小麦堆等效为多孔介质,分析静压、动压、流量等空间分布规律。结果表明:仓内静压和动压值随半径(横向)增加呈指数衰减;柱面流量随半径呈幂函数衰减;横截面流量随高度呈指数衰减;粮堆区竖向通风均匀度显著优于横向(径向);流量分布为仓底上粮面仓壁,仓壁气流流量只占总流量的24.6%;实仓风速测试结果与仿真分析结果规律一致,平均相对误差为16.35%,表明基于多孔介质模型和CFD法分析钢网式储粮干燥仓的流场分析具有较好的准确性,研究结果为此类钢网式储粮仓流场分析和优化提供了方法和依据。