单栋塑料温室内温度场CFD三维稳态模拟

为分析单栋塑料温室内的温度场分布情况,建立了包括温室内外空间、室内作物和土壤层等的温室环境几何模型,在分析太阳辐射及各部分热交换的基础上,对单栋塑料温室内的温度场进行了3-D稳态模拟.热辐射传递过程采用蒙特卡罗法模拟,将室内作物简化为连续固体换热模型并采用剪应力输运模型表述空气紊流.结果显示:模型预测值均高于实测值,绝对误差均小于2.2℃,平均相对误差为6.7％.气流对温室内温度和均匀性影响较大,温室进风口侧的温度低于出风口侧.作物简化为连续固体的假设用于室内空气部分的温度预测具有一定的可行性,但预测值会高一些.     

温室环境-作物湿热系统CFD模型构建与预测

以栽有番茄的Venlo型两连栋玻璃温室为研究对象,对作物蒸腾和土壤蒸发与室内外环境因子之间的关系进行了分析。在充分考虑太阳辐射影响和室内水蒸气传输过程基础上,结合多孔介质模型,构建了求解温室环境〖CD*2〗作物湿热系统的CFD数学模型,并对边界条件的设置进行了探讨。采用Fluent软件对不同天气条件和种植密度温室内温度分布模式进行了3-D数值模拟与预测。结果表明：室内温、湿度模拟值与实测值平均相对误差分别为5.7%和2.1%,CFD模型有效,边界设置合理。晴天室内作物区平均温度较阴天时高1.6℃左右,相对湿度约低3%,太阳辐射对温、湿度分布有影响;双密度栽培作物区温度较单密度高0.8℃,相对湿度高19%。温室背风侧温、湿度略高于迎风侧,作物区温、湿度分布比较均匀,作物和土壤腾发作用对室内温、湿度分布有影响。     

热带地区锯齿型温室微气候环境初步研究

笔者于2010年9月至2011年7月采用5点法和9点法对中国热带农业科学院橡胶种质资源圃锯齿型温室微气候环境进行了初步研究,以期为锯齿型温室在热带地区改良设计提供理论基础支撑。结果表明:1锯齿型温室年平均透光率为35.21%,内部光照较强;在2010年9月25日、11月13日及7月8日中午温室内最强光照强度达到了45 000lux以上,超过了作物光照饱和点,需要适当遮阳。2锯齿型温室内最高日平均温度为3 8.5 9℃,最低日平均温度为1 7.4 3℃,要求具备降温措施;室内地表温度低于露地地表温度约3℃,可为植物提供优于露地的根部生长环境;骨架和薄膜的日最高温度达到了45.00℃以上,应进行适当改良设计以延长使用寿命。3锯齿型温室内湿度环境比露地湿度环境变化平稳,湿度环境较好。4锯齿型温室内的CO2浓度日平均值高于400mg/L,且通风性强,不需要CO2施肥设备。     

温室内不同湿热环境变化规律及其对作物腾发量的影响

针对不同湿热环境下,温室内土壤、空气温湿度和作物腾发量的变化规律进行研究,以期揭示三者之间的相互影响机理,为温室栽培的湿热环境调控、保温保墒和节约水资源提供理论依据。以温室盆栽番茄为研究对象,设置了3种不同的湿热环境处理,即温室内正常开放式环境(T1),温室内加设包裹式全封闭塑料小棚环境(T2)及温室内加设顶开式半封闭塑料小棚环境(T3),实测3个处理的微气候变化、土壤墒情及作物腾发量,并对其变化规律进行对比分析。结果表明:①在秋冬季,土壤湿度的变化趋势与作物腾发量在整个生育期内基本一致,土壤温度与作物腾发量在开花坐果期呈相反的变化趋势。②在开花坐果期内,空气湿度与作物腾发量同增减,而在成熟采摘期,腾发量增加时,空气湿度变化幅度反而较小,且空气温度和湿度呈相反的变化规律。③在整个生育期内,土壤湿度与空气湿度表现出一致的变化规律,土壤温度与空气温度的变化趋势、变化幅度在开花坐果期内基本一致,而采摘后期,其变化幅度有较明显的差异,空气温度较土壤温度大。④在整个生育期内,3个处理的作物腾发量变化趋势基本一致,但T2变化幅度较T1、T3大,且受土壤、空气温度的影响较大;T2处理作物腾发量的修正P-M模拟值与实测值拟合度较高,R~2为0.851 4。封闭式温室环境空气和土壤的温湿度较适宜冬季作物生长,其保温保墒效果良好,且水分得到了较为充分的利用,节约了一定的水资源,为温室管理提供参考。     

南方连栋塑料温室冬季通风除湿开窗优化

连栋塑料温室主要依靠日光蓄热,冬季为保温需要长时间密闭以避免室内热量流失,这就导致室内形成高湿环境,使栽培作物易患病虫害.以有效除湿和减小室内热量损失为目标,以十一连栋塑料温室为研究对象,建立全尺度计算流体力学模型(CFD模型).在顶窗通风工况下,CFD模型的有效性经实验数据验证,其计算值与各测点湿度的实验值变化趋势吻合,且差异在5％以内;并利用该模型研究了不同开窗组合(侧窗、顶窗和顶窗加侧窗)对温室内空气流场和湿度场的影响.仿真结果表明,顶窗通风是一种较理想的通风组合,能够在3 min内完成作物冠状层的除湿.除湿结束后,室内平均相对湿度从92％降至68％,湿度分布均衡性较好,且热损失较小,能满足冬季温室保温、除湿的要求.     

面向Zigbee的温室监控系统的设计研究

温室监控系统用于实时监测室内温度、湿度、CO2浓度等环境参数,以便做出相应调整,使作物处于最佳环境中生长。文章主要针对Zigbee技术为基础,以温室监控系统设计为中心,对系统整体设计和温室监控系统硬件设计等方面进行了分析,本系统可有效提高温室监控的便捷性。     

可变边界条件下的Venlo温室温度场三维非稳态模拟

以外界温度、太阳辐射、风速风向作为随时间变化的边界条件,基于CFD方法建立了Venlo温室自然通风三维非稳态数学模型。结果显示,模拟值与实测值均方根误差RMSE为0.688℃,最大相对误差为8.9%,平均相对误差为2.8%,所建立CFD模型可以准确地描述室内温度场的时空变化。从整个模拟周期上看,温室内温度和室外温度变化趋势一致,室内温度和室外温度平均温差3.09℃;当室外风速从0.81 m/s跃变至1.2 m/s,风向由西南偏南变为西时,温室西侧迎风口局部气流速度出现了先增大后减小的变化模式,温室东侧上部气流速度明显增加,除温室迎风口附近区域外大部分作物区域气流速度维持在0~0.1 m/s的范围内,温室通风入口处x=1.5 m截面和作物冠层y=1.4 m截面平均温度在180 s内分别下降了1.87℃和0.92℃,室外风速风向对温室自然通风降温效果影响显著。     

温室湿度动态预测模型建立与试验

根据温室内水气收支平衡关系,建立了与室内外气象参数、温室结构、作物生长状况、土壤潮湿程度等有关条件下的温室湿度动态预测模型。同时定量描述了温室内作物蒸腾、土壤蒸发、壁面凝结、自然通风和机械通风等与湿度变化相关的各种物理过程。基于华北塑料连栋温室对所建模型进行了试验验证。结果表明:模型能较好预测温室内空气相对湿度值,预测值和实测值之间的均方根误差为5.9%。     

栽有作物的圆拱型连栋温室强制通风气流场模拟

为了研究连栋塑料温室在强制通风情况下内部风速场,采用流体力学分析软件Fluent软件建立圆拱型连栋塑料温室强制通风模型加以分析。温室内栽种作物以番茄为例,研究了作物高度为0.5、1、1.5、1.8m条件下温室内部的气流分布情况。数值模拟结果表明:作物对强制通风情况下温室内流场有较大影响,作物区域空气流速变化平缓,作物上部风速迅速增加;由于作物明显阻碍气流运动,不同作物高度的温室内气流分布存在较大差别。     

CFD数值模拟技术在温室环境因子调控中的应用

为了给作物提供适宜的生长环境，使作物免受外部气候条件的影响和虫害的入侵，控制温室内部的微环境十分重要。温室内部的微环境包括温度、湿度和通风速率等环境因子，对作物生长起着至关重要的作用。计算流体力学（CFD）作为一种数值模拟仿真技术，近年来已经广泛用于温室内微环境的模拟，利用CFD对温室内微环境进行模拟，实现温室内流场分布的可视化，有利于优化和改善环境调控措施。讨论了近年来国内外有关CFD在温室通风降温中的研究概况，介绍其在温室微环境模拟中的发展现状、面临的挑战及未来的应用前景。      

自然通风条件下塑料大棚温度和湿度模拟

为了深入研究大棚通风对大棚内温、湿度影响,基于能量与物质平衡原理建立了大棚内部温、湿度预测模型,对大棚内部温、湿度进行预测模拟,并以试验观测数据对模型进行了检验。结果表明,模拟晴天天窗开度50%(处理1)与100%(处理2)时,大棚温度预测值和实测值决定系数分别为0.98、0.99,相对湿度预测值和实测值决定系数为0.9,模型能较好的预测棚内温、湿度;大通风面积对大棚内温、湿度影响大于小通风面积,通风面积对大棚内温度影响比相对湿度影响明显。研究结果可为通风条件下塑料大棚温、湿度环境控制研究及南方塑料大棚生产管理提供参考依据。     

日光温室空气湿度预测模型构建与验证

根据日光温室内水汽质量动态平衡关系,同时全面考虑了作物蒸腾、土壤蒸发、覆盖层内表面凝结和闭膜后的冷风渗透等与湿度变化相关的各种物理过程,建立了温室空气湿度动态预测模型。通过冬季试验验证了模型的预测功能。结果表明:室内空气相对湿度动态预测模型连续日期的预测结果与实测值比较吻合,相关系数为0.897 5,相对误差平均值为9.45%。     

基于SSA-LSTM的日光温室环境预测模型研究

构建日光温室环境预测模型,准确预测温室环境变化有助于精准调控作物生长环境,促进果蔬生长。而温室小气候环境数据多参数并存、耦合关系复杂,且具有时序性和非线性,难以建立准确的预测模型。针对以上问题,提出一种基于麻雀搜索算法(SSA)优化的长短期记忆网络(LSTM)温室环境预测模型,实现了温室环境数据的精准预测。实验结果表明,采用SSA自动进行参数选优的方式,解决了LSTM模型参数手动选择的难题,大幅缩短模型训练时间,且最优的网络参数能够发挥模型的最佳性能。对日光温室内空气温湿度、土壤温湿度、CO₂浓度和光照强度6种环境参数进行预测,SSA-LSTM平均拟合指数高达97.6%,相比BP、门控循环单元(GRU)、LSTM,其预测拟合指数分别提升8.1、4.1、4.3个百分点,预测精度明显提升。     

基于物联网技术的设施农业智能管理系统

该文以设施农业中的温室作为研究对象,运用物联网技术,实时远程获取温室内部的空气温湿度、土壤水分、土壤温度、CO2浓度、光照强度及视频图像等参数信息,通过WSN和GPRS网络传输到上位机的设施农业智能管理系统,可远程自动控制湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、加温补光等设备,保证温室内环境最适宜作物生长,从而实现温室的集约化、智能化管理,有效降低劳动强度和生产成本,减少病害发生,提升农产品品质和经济效益。      

基于自然通风的日光温室内温湿度仿真模型

为了模拟自然通风条件下日光温室内温湿度的变化,将通风口开度进行量化处理,根据热量平衡和水汽质量平衡原理构建了温室内气温和湿度的动态变化数学模型。利用Simulink仿真平台将二者结合,搭建了以通风为输入、以室内温湿度为输出的温室微气候系统仿真框图,利用2类典型天气条件下的实测数据对模型进行了仿真检验。研究结果表明,室内气温的标准误差最大为0.479 2℃,仿真有效性指数最小为73.03%;室内湿度的标准误差最大为1.943 7%,模型有效性指数最小为71.13%;仿真模型是有效的。     

温室环境因子驱动甜瓜水分传输机理分析与模拟

利用人工气候室控制空气温度、相对湿度和光合有效辐射量,根据水量平衡法控制土壤含水率,按照四因素五水平的二次回归正交旋转组合设计,对甜瓜蒸腾量进行模拟,并探讨各因子调控水分传输的机制。基于Jarvis模型建立环境因素驱动的多元非线性气孔导度模型,结合水汽扩散原理建立蒸腾量模型,模型预测精度良好。探究因素交互作用及其耦合调控效应,结果表明:除相对湿度对蒸腾表现为抑制作用,土壤含水率、空气温度和光合有效辐射均对蒸腾具有促进作用;土壤含水率与空气温度的单因素效应相似,随因素水平增加,蒸腾量线性升高;光合有效辐射量驱动蒸腾的单因素效应为开口向下的二次函数,当因素水平超过阈值后,蒸腾量逐渐下降。环境因素在驱动和调控蒸腾过程中均存在密切耦合和反馈效应,土壤含水率与温度对蒸腾调控的耦合效应趋近于平滑曲面,蒸腾量随两因素水平的升高而升高,在试验水平内两因素对蒸腾表现为协同促进效应;空气相对湿度减弱了水汽扩散驱动力,进而抑制温度和土壤含水率对蒸腾的驱动作用,且这种抑制作用随相对湿度的升高而更明显。     

北方干寒地区日光温室CO2预测模型建立与冬季试验

根据质量平衡原理，构建了适用于北方干旱、寒冷地区典型日光温室CO2动态预测模型。模型定量描述了作物光合和呼吸作用、土壤呼吸作用、CO2施肥、自然通风及闭膜后的冷风渗透对室内空气中CO2的动态影响过程。利用内蒙古农牧业科技园区的日光温室对模型进行了冬季验证。结果表明，模型能较好地预测北方干旱、寒冷地区冬季晴天、多云天气的日光温室室内空气CO2浓度的动态变化过程，且预测值和实测值之间的相对误差小于10%。     

基于移动通信网络的温室环境测控系统研究

基于移动通讯网络实现了大型温室中温度、湿度、光照及二氧化碳浓度等环境参数的远程测量与控制.整个系统由中心站系统和测控基站系统组成,中心站系统包括服务器及应用软件、GSM模块和数据库系统;测控基站系统包括单片机系统、传感器、控制执行机构和GSM模块.由于系统硬件采用了模块化设计方法,软件开发用嵌入式操作系统完成,使系统易于扩展、维护和移植.采用GSM技术实现远程测控,解决了大型温室群采用有线传输网络一次性投资过大,使用维护不便等问题.由于GSM网络覆盖全国,研究成果可实现跨地域数据实时分析与处理.     

海南地区几种常见设施大棚热环境参数试验研究

海南地区热带岛屿型气候特征使得栽培设施具有独特的特点。为此,通过以岛内常见设施类型(圆拱形薄膜温室、防雨大棚、防虫网棚等)为研究对象,系统地研究了其温度、湿度、光照强度等热环境参数的变化趋势。研究表明:各类设施内温度场受室外温度影响较大,圆拱形薄膜温室室内外最高温差达到6℃、防雨大棚为3.7℃,圆拱形薄膜温室室内最高温度达4 3.9℃;防虫网棚室内外温差较小;防虫网平棚内部相对湿度最高,其他两种温室室内相对湿度均低于室外;防虫网棚的透光率高于膜覆盖的防雨大棚和薄膜温室。由此可见:防雨棚和防虫网棚更适合海南地区夏秋季的设施生产,可根据栽培作物是否要求防暴雨来选择防雨棚和防虫网棚。     

基于CFD的水稻育秧大棚环境数值模拟研究

针对育秧大棚内部空气流动对水稻秧苗生长环境的影响问题,分析了水稻育秧大棚内部环境分布情况。同时,利用Gambit对大棚进行三维建模、Fluent求解计算、CFD-post后处理分析,并运用k-ε湍流模型、太阳辐射追踪器、组分模型来计算模拟大棚内部温湿度场及气流速度场分布。结果表明:温湿度模拟值与测量值吻合较好,相对误差均控制在5%以内。本模型可以为其他气候和边界条件下的大棚环境预测、结构参数优化提供参考及理论依据。