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。     

大跨度保温型温室的热环境模拟

大跨度保温型温室为拱型钢骨架结构,南北走向,相邻温室间距仅2m,相比于传统日光温室土地利用率提高到91%,且仍具有日光温室节能的特点。为分析和评价该温室的蓄热保温性能,基于温室热传导、对流换热、太阳辐射、天空辐射、作物蒸腾、自然通风等热物理过程,构建了温室内热环境变化模型,并利用Matlab软件对其进行求解,模拟在冬季连续4个典型工作日无加温条件下,每10min的室内空气温度和作物根区温度,并将模拟值与实测值进行对比分析。结果表明,模型对大跨度温室内空气温度模拟的平均绝对误差在±1.3℃之内,模拟值与实测值间直线方程的决定系数（R2）为0.99（n=576）,回归估计标准误差（RMSE）和相对误差（RE）分别为1.6℃和16.4%;作物根区温度实测值与模拟值的绝对误差在±0.6℃之内,直线方程的R2为0.91（n=576）,RMSE和RE分别为0.76℃和6.7%。模型模拟值与实测值较为一致,可为温室环境精准调控和结构优化设计提供理论依据。     

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。     

夏季肉牛舍湿帘风机纵向通风系统的环境CFD模拟

为了研究湿帘风机纵向通风系统应用于肉牛舍的夏季降温效果,该试验在现场环境指标实测的基础上,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法对湿帘风机纵向通风肉牛舍的气流场与温度场进行模拟,并对系统进行改进与优化.模拟时将牛只按与实物原型等比例引入到模型中,结果表明:舍内温度分布均匀,但受牛体挡风的影响,气流分布不均,高风速区主要集中在屋顶及饲喂走道,可达0.9～1.2 m/s;牛活动区域风速较小,均小于0.6 m/s,不能满足饲养标准.在75个风速测定点剔除异常值后,气流场的相对误差范围为0.16％～94.41％,平均相对误差为34.53％,45个温度测点的相对误差范围为0.09％～10.74％,平均相对误差4.71％.通过温度场吻合性结果确定模拟与实测有较好的吻合度.在不改变牛舍围护结构及舍内构造的前提下,对牛舍进行优化,舍内安装导流板,使得温度与气流场的分布均匀性显著提高,降温效果更为显著.该研究可为湿帘风机牛舍的优化设计和环境调控提供参考.     

公猪舍夏季温度和流场数值CFD模拟及验证

为研究夏季全漏缝地板公猪舍湿帘风机蒸发降温效果及舍内环境分布规律,该文利用计算流体力学CFD(computational fluid dynamics)对北京养猪育种中心SPF(Specific Pathogen Free Swine)公猪舍进行模拟研究并通过实测数据进行验证。研究中将漏缝地板作为多孔介质简化,基于标准k-?湍流模型对空载及装猪猪舍内的风速场和温度场进行模拟,通过模拟值与实测值的对比验证模型的合理性。结果表明采用该模型模拟空载时猪舍,风速场模拟值与实测值误差较小,相对误差范围在0.25%~30.8%。模拟温度与实测温度最大绝对误差为0.48 K,平均绝对误差为0.11 K,平均相对误差为0.5%。模拟装猪时的猪舍,温度分布结构与装猪前相似,但整体温度略有上升。该研究可对当前常用的含漏缝地板猪舍建模研究提供参考,并为畜禽舍内改造和建筑实践提供理论依据。     

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%。     

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。     

低屋面横向通风牛舍温湿度场CFD模拟

在中国华东地区最炎热的月份,舍外高温高湿的气候条件,降低了低屋面横向通风(low profile cross ventilated,LPCV)牛舍的环境调控效果。为了研究LPCV牛舍温湿度场的分布规律,该文在现场实测的基础上,采用计算流体动力学CFD(computational fluid dynamics)方法,对LPCV牛舍的温度和相对湿度参数进行了三维数值模拟。现场实测的结果表明,舍外空气温度为36.2℃,相对湿度为55.5%的条件下,舍外空气流经湿帘后的降温幅度为7.7℃,湿帘出口处的相对湿度为99.9%;模拟结果表明,舍内温湿度场受气流场的影响,分布不均匀,风速高的区域温度相对较低,舍内相对湿度与温度呈现强烈的耦合关系。随着空气的流动,沿气流方向平均每米长度温度升高0.014℃、相对湿度下降0.04%,THI增加0.025。模拟值与实测值的对比表明,9个测点温度和相对湿度的测试值与模拟值之间相对误差的平均值分别为0.89%和0.59%,理论计算和数值模拟得到的奶牛显热散热量的相对误差为14.5%,说明现场实测与数值模拟有较好的吻合度。该研究可为中国LPCV牛舍结构优化设计和环境调控提供参考。     

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。     

塑料大棚气流场模拟及作物蒸腾量计算

为了分析塑料大棚内气流场的特征和计算与作物蒸腾量有关的通风参数,该文通过计算流体动力学模拟了塑料大棚内自然通风量,建立了华东地区常见塑料大棚内平均风速和外部风速之间的线性关系,根据能量平衡和紊流扩散模型建立了一个计算作物蒸腾量的数学模型,并利用棚外的常规气象资料和棚内的实测温度计算了棚内作物蒸腾量。通过将作物蒸腾量的计算值和实测值进行比较,结果发现作物蒸腾量的计算值与实测值比较一致,逐日蒸腾量间的决定系数为0.7756,累积蒸腾量间的决定系数为0.9983,模拟累计值与实测累计值之间标准误差为1.16 mm,最大绝对误差为4.82 mm;结果表明,所建立的计算方程参数较少,推求的风速参数比较适用于普通塑料大棚。该研究可满足大棚内作物水分管理、温室大棚设计规划和区域水资源管理等方面的需要。     

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。     

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.     

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。     

奶牛场恶臭污染物扩散规律研究

以山东省某县中等规模的3个奶牛养殖场为试验场地,以臭气浓度为监测指标,在下风向距恶臭排放源不同距离处设置采样点,对规模化奶牛养殖场恶臭污染物的下风向扩散规律及影响扩散规律的部分气象因素进行了研究,并通过数据回归得出了恶臭污染物水平扩散模型。结果表明,奶牛场恶臭污染物的排放浓度随距离的增加迅速减小,通过线性回归得出下风向同一高度处的臭气浓度与监测点距排放源的距离呈指数函数关系;对于气象条件,在27～37℃,风速小于5.4 m.s-1的范围内,风速、空气温度和空气相对湿度对恶臭污染物扩散规律的影响均显著,其中温度和风速对恶臭污染物扩散规律的影响较空气相对湿度大。     

南方塑料大棚冬春季温湿度的神经网络模拟

利用浙江省慈溪市草莓塑料大棚和南京信息工程大学农业气象试验站番茄塑料大棚的小气候观测数据及气象站资料,建立3个以棚外辐射、温度、相对湿度和风速为输入变量,棚内温度和相对湿度为输出变量的BP神经网络预测模型。结果表明,3个模型气温训练值与实测值的均方根误差(RMSE)都在2℃以内,相对误差都在4%左右;相对湿度训练值的RMSE都在7个百分点以内,相对误差不超过7%。利用此模型得到的气温预测值与实测值的RMSE都在2℃左右,冬季气温的相对误差较大,春季通风和不通风模型气温的相对误差不超过6%;相对湿度预测值的RMSE都在7个百分点以内,相对误差不超过9%。说明所建BP神经网络模型对于不同季节、不同通风条件、不同作物的大棚温湿度模拟都有较高的精度,能够满足棚内温湿度的预测要求,且对温度的模拟精度高于对相对湿度的模拟。     

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.