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。     

单栋塑料温室内多因子综合CFD稳态模拟分析

为分析单栋塑料温室内的综合环境:气流场、温度场、湿度场、CO2浓度场,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。将温室内的湿空气看作水蒸气、CO2和干空气的混合气体,在分析温室中太阳辐射、作物与环境的质热交换,动量及质能传递过程的基础上,对单栋塑料温室内的环境因子进行了稳态模拟。温室内热辐射传递过程采用蒙特卡罗法模拟方法;将室内作物简化为连续固体换热模型,采用剪应力输运模型(SST)表述温室内的空气紊流。结果显示:温室通风对温度、湿度和CO2分布的影响很大,温室内部上风向温度低,湿度小,同时CO2浓度也不高;温室下风向作物冠层的环境未达到优化状态;模型的预测值低于实测值,但变化规律相似,温度、湿度、CO2含量的预测相对误差分别低于8%、6%和7%。     

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%。     

不同灌溉方式下温室湿度变化及对青椒生长的影响

以土壤含水率下限作为灌水控制指标,即60%~70%占田持,灌水定额为15 mm,研究了小管出流、渗灌、滴灌与沟灌4种灌溉方式下温室内湿度的变化趋势以及对青椒生长情况的影响,并分析了不同灌溉方式下的作物病虫害发病率以及灌溉方式和温室内大气湿度的相关性。结果表明,灌溉方式和温室内大气湿度相关性显著,不同灌溉方式下的湿度差异明显,其中渗灌条件下温室的大气湿度最低。温室内温度和湿度呈异步变化,当温室温度控制在25~28℃范围内,可使温室内的湿度保持在低水平范围内,减少病虫害发生。渗灌条件下作物病虫害的发生率最小,与小管出流较接近,比沟灌降低约35%;而且渗灌条件下青椒的产量最高,为34650 kg/hm2。滴灌、渗灌和小管出流较沟灌增产分别为17%、39%、34%。     

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。     

生态温室雨水综合利用自动化控制系统研究

将温室雨水利用的理念与自动化控制技术相结合,引入土壤温湿度传感器来监测土壤情况,根据作物土壤含水量数值的变化,以组态王为平台,设计了温室雨水自动化灌溉系统,根据作物的土壤含水量值变化范围,决定是否需要灌溉。同时,利用计算机C++语言设计了作物土壤相对含水量查询系统,可准确查询作物所需的生长适宜温度范围、适宜空气湿度、不同生长期的土壤相对含水量值等,同时也为温室雨水利用自动化控制系统提供参数依据。最后。针对系统进行了灌溉试验,试验验证了其可靠性。     

农业生产的“千里眼”和“听诊器”

正11月20日中午,双阳区奢岭街道爱国村现代有机农场办公室,农场负责人孙国中用手机查看温室内农作物情况。"现在光照数值过高,温度和湿度过低,我用软件已经把2组遮光板打开了,把所有风扇都关闭了。"孙国中说,他的2 300 m~2温室已实现了物联网智能监测,通过设备反馈的数据,能实时看到作物光照、土壤、温度、湿度等信息,并计算出作物需要的     

日光温室土壤-植物-环境系统水热耦合运移动态模拟

以温室能量平衡为基础 ,建立了日光温室土壤植物环境连续系统水热耦合运移模型 ,该模型将温室内的水热运移与转化过程概化为土壤根系水热迁移、冠层环境水热迁移和温室内外水热迁移 3个子过程进行研究。采用追赶法和有限差分法求解温室水、热变化过程 ,并与实测资料进行比较 ,结果表明具有较高的精度。将温室土壤植物环境水热系统作为一个整体进行研究的思路 ,对于优化温室水热环境控制 ,促进温室的节能、降耗与作物的优质高产有重要意义。     

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.     

温室作物需水信息指标及湿度控制

在温室土壤－作物－环境连续体中，作物水分损耗、吸收和水分利用一直是研究的热点。在温室内，作物精量灌溉必须要考虑何时灌和灌多少两个方面的问题。从冠层蒸腾速率、茎流、水势、叶温和作物水分胁迫系数、茎秆果的直径微变化、根源信号、作物生长器官的电特性及图像特征技术方面，回顾和评价了作物水分状况诊断方法中作物需水信息指标的研究进展及存在的问题。同时，为防止过量灌溉带来的高湿矛盾，讨论了温室湿度控制的不同策略，以指导灌溉。最后，初步提出了进一步研究的建议。     

Effects of the micro-scale advection on the soil water movement in micro-irrigated fields

The objective of this study was to explore the soil water dynamics under micro-advective conditions. A numerical model was introduced to estimate the airflow turbulence generated by the crop canopy. The vapor pressure and air temperature in the vicinity of the soil surface were estimated from the wind velocity predicted by this model. The energy budget on the soil surface was estimated using wind velocity, vapor pressure, and air temperature simulated by numerical models. The soil water content and temperature were predicted using the simulation model describing the water and heat transfer in soil. Using the energy budget, the accuracy of this model was experimentally verified using a wind tunnel. Spatial changes of the soil water content simulated by this model were reproduced by the experiment. This indicated that the numerical model for estimating the soil water movement under micro-scale advection considering the crop body was satisfactory.     

温室番茄最适宜生态环境管理指标的研究

在湖北省鄂州节水示范基地展开试验研究,利用LPS-05型植物生长检测仪对温室番茄的生理状况及室内环境进行实时监测,定性分析番茄主要器官(茎、叶)对室内温湿环境所响应的微动态变化,以作物自身生理状况为参考标准,确定了适宜番茄生长的温室环境指标。番茄茎粗生长最优的临界夜间最低温度为17.8℃;2类典型天气条件下叶表面露水汽化时间分别为09:30(晴)和11:30(阴雨),均比空气滞后1h;在充分灌水条件下,温室番茄发生水分胁迫时空气饱和水汽压差的临界值约为2.7kPa。     

InfoCrop: A dynamic simulation model for the assessment of crop yields,losses due to pests,and environmental impact of agro-ecosystems in tropical environments. I. Model description

The problems of agriculture in many tropical countries are gradually becoming more intense due to increasing food demand led by population growth, stagnation in farm productivity, mounting yield losses due to multiple pests, increasing vulnerability to global environmental changes and the need to reduce emission of greenhouse gases. Tools and techniques are needed to assist in developing strategies that can lead to higher food production, prevent crop production losses, and ensure minimal greenhouse gas emissions while maintaining soil fertility. Several dynamic models have been developed in recent past but most of these are generally strong either in soils and crops, or in greenhouse gases (GHG) emissions. Pest induced yield losses, a critical issue in the tropics, is not addressed in most models. InfoCrop, a generic dynamic crop model, has been developed to meet these specific requirements. It provides integrated assessment of the effect of weather, variety, pests, soil and management practices on crop growth and yield, as well as on soil nitrogen and organic carbon dynamics in aerobic as well as anaerobic conditions, and greenhouse gas emissions. The model considers the key processes related to crop growth, effects of water deficit, flooding, nitrogen management, temperature and frost stresses, crop–pest interactions, soil water and nitrogen balance and (soil) organic carbon dynamics. Its general structure relating to basic crop growth and yield is largely based on several earlier models, especially SUCROS series, and is written in Fortran Simulation Environment (FSE) programming language. The model has been validated for dry matter and grain yields of several annual crops, losses due to multiple diseases and pests, and emissions of carbon dioxide, methane and nitrous oxide in a variety of agro-environments. To increase the applications of model in research and development, an extremely simple menu driven version of InfoCrop has also been developed. The users of this version do not need any background in programming.     

温室膜下滴灌条件下黄瓜需水规律研究

根据试验区温室黄瓜生育期环境因子实测资料,采用土壤水量平衡原理模拟了黄瓜生育期土壤含水量的变化过程,以模拟计算的土壤含水率与实际测试的土壤含水率的误差平方和最小为目标函数来确定温室膜下滴灌条件下的作物系数和作物需水量。结果表明,黄瓜生长期土壤含水率的模拟值和实测值较为吻合,两者相对误差在10%以内。作物系数在生长前期是逐渐变大,在作物生长旺盛时期作物系数达到最大值,随后逐渐减小,与作物叶面积指数的变化规律一致。温室黄瓜需水量在生长期的前期随时间的变化幅度较小,变化为1.5~3.5mm/d;中期随时间的变化幅度较大,变化为0.2~7.5mm/d;后期随时间的变化幅度又变小,变化为3.5~7.2mm/d。     

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。     

温室灌溉控制策略研究进展

灌溉是温室生产中的一个重要环节,不合理的灌溉控制方法会造成水资源的浪费。通过对温室灌溉控制策略的发展和应用情况进行综述,从基于蒸腾模型、土壤/基质湿度传感器、作物特性3个方面阐述当前温室生产中灌溉控制策略的研究进展。针对用于制定灌溉控制策略的不同蒸腾模型分析对比各自优缺点和适用条件;针对常见湿度传感器,分析其测量原理并讨论具体应用;从形态学和生理两个角度对基于作物特性的灌溉控制测量进行分类讨论。最后,对当前温室灌溉控制策略从控制策略融合度、灌溉控制策略与灌溉控制装备匹配度和泛化性以及普适性方面进行总结和展望,通过分析展望发现土壤水分传感器和植物信息传感器很有发展前景。在未来的发展中,灌溉控制策略与灌溉控制装备的发展将会不断交互融合,温室节水灌溉控制技术的发展趋势必定向着更高效、更简便以及更智能化的方向发展。     

温室膜下滴灌条件下黄瓜经济灌溉制度及其下限值的研究

以温室黄瓜为试验材料,采用膜下滴灌,对最适宜作物生长的温度、水分胁迫指数和干物质转化因子3个作物生长模型参数进行了率定,并以此为依据分析确定了膜下滴灌黄瓜的经济灌溉制度。结果表明:采用经济灌溉制度比实际灌水有显著的增产增收效果,产量和效益分别增加2.54t/hm~2和2.36万元/hm~2,节约灌溉水量7.59%;在经济灌溉条件下灌水前土壤含水率(0~60cm)随时间的变化幅度较作物生长期土壤含水率的变化幅度小得多,取各次灌水前土壤含水率的平均值作为作物经济灌溉的灌水下限值,对于本研究中的黄瓜,其值为0.240。按照该灌水下限值灌水,可使温室膜下滴灌黄瓜单位面积的灌溉效益最大。     

大棚茄子滴灌试验需水量研究

通过对大棚茄子滴灌条件下室内外气温、地温、蒸发量和土壤含水量等进行的试验研究取得的大量现场观测数据分析,结果表明,大棚不仅具有良好的保温效果,能保证作物在冬季的正常生长;而且大棚外日平均气温累计值与作物需水量存在良好的关系,可作为指导大棚滴灌的依据。