基于CFD的花卉温室夏季机械通风模拟.pdf

第44卷第5期 2021 年 9 月 河北农业大学学报 JOURNAL OF HEBEI AGRICULTURAL UNIVERSITY Vol 44 No 5 Sep 2021 基于 CFD 的花卉温室夏季机械通风模拟 程 雪 1 黄伊锐 1 任昊宇 2 任振辉 1 1 河北农业大学 机电工程学院 河北 保定 071001 2 河北农业大学 现代科技学院 河北 保定 071001 摘要 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 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 关 键 词 CFD 数值模拟 花卉温室 机械通风 温度场 气流场 中图分类号 TP202 S66 开放科学 资源服务 标识码 OSID 文献标志码 A Simulation of summer mechanical ventilation in flower greenhouses based on CFD CHENG Xue 1 HUANG Yirui 1 REN Haoyu 2 REN Zhenhui 1 1 College of Mechanical and Electrical Engineering Hebei Agricultural University Baoding 071001 China 2 College of Modern Science and Technology Hebei Agricultural University Baoding 071001 China Abstract In order to study the effect of temperature field and airflow field of mechanical ventilation on the growth of flower crops in the actual flower greenhouse in summer the hydrodynamics software ANSYS FLUENT 19 0 was used to conduct three dimensional CFD simulation of the greenhouse Temperature measurement points were arranged in the greenhouse to analyze the distribution of temperature under mechanical ventilation mode in summer the k model RNG was used to simulate the indoor microclimate of greenhouse and the discrete ordinate DO radiation model was used to simulate the indoor radiation The control algorithm was PISO algorithm and the pressure dispersion was adopted by volume force method The solver was set for steady analysis and the standard of variable residual convergence was set as 10 4 Under the experimental conditions the calculated results were in good agreement with the experimental results The error range of the simulated velocity field was 0 5 34 6 the simulated temperature fluctuated around the measured temperature RMSE 1 982 6 MAE 2 153 4 and the maximum absolute error between the simulated temperature and the actual temperature was less than 2 5 The simulation results showed that the distribution of temperature field was more uniform under mechanical ventilation in summer 收稿日期 2021 03 13 基金项目 河北省科技计划项目 18227209D 第一作者 程 雪 1982 女 河北保定人 讲师 博士研究生 从事自动控制技术与智能化检测研究 E mail yycx 通信作者 任振辉 1968 男 河北保定人 博士 教授 从事智能化检测与自动控制技术研究 E mail renzh 本刊网址 文章编号 1000 1573 2021 05 0113 06 DOI 10 13320 ki jauh 2021 0092 114 第 44 卷河北农业大学学报 花卉的生长和质量取决于环境参数 与大多数农 业生产系统相比 机械通风温室在夏季为花卉的生长 提供了更好的环境条件 以实现最佳的植物生产 1 2 目前研究人员使用物理传感器通过不同硬件架构来 监控 预测温室环境 例如无线传感器网络 WSN 然而在温室内安装温度传感器增加了工程和管理成 本 传感器网络可以更全面地监测温室环境 3 6 但成本较高 并且后期还需要考虑传感器系统的校 准等维护问题 另外传感器长期暴露在阳光和湿度 下可能导致故障或损坏 造成经济损失 7 随着计算流体力学的发展 Computational fluid dynamics CFD 技术被应用于温室模拟 2017 年 Ntinas 等人利用计算流体力学 CFD 对温室气流场 进行数值模拟了解不同模型对气流场模拟性能的影 响 8 2018 年 Lee等人利用计算流体动力学 CFD 技术 将计算得到的温室通风量与控制温室温度所 需的通风量进行比较 对单跨温室自然通风率进行 了评估 9 2017 年 Hu 等人建立了灌溉水加热过程 的动态计算模型 利用实测数据揭示了温室蓄热库 的动态六面体边界条件 10 2016 年 He 利用太阳 辐射模型模拟温室内部的太阳辐射质热交换 在模 拟中考虑了太阳辐射与作物间质热交换等物理问题 并采用边界条件简化太阳辐射 11 2019 年 Iken 等 人采用二维计算流体 CFD 方法 对 1 种能够控制 温室效应产生的智能 DSF 配置进行了数值模拟 根 据外部气候条件有效地控制温室效应 12 很多模型虽在温室环境控制中应用便捷 但其 模拟精度较差 未充分考虑真实温室的环境值 13 掌握温室内环境参数变化规律是有效利用温室空间 合理调控温室环境参数的科学依据 本试验设计了 1 种应用于实际花卉温室夏季机械通风作用下气流 场温度场模拟仿真的方法 1 材料与方法 1 1 数据采集 试验设备试验所选用的机械通风式连栋塑 料温室群位于河北石家庄无极县 115 12 E 38 72 N 2 号温室 屋脊沿东西走向 栋长 40 m 天沟高 4 7 m 顶高 5 m 温室配有湿帘 风机降 温系统 温室西墙装有 2 台轴流风机 风机安装 高度为 0 6 m 东墙装有湿帘 1 000 mm 1 500 mm 100 mm 共 4 个 湿帘安装高度为 0 6 m 如 图 1所示 该温室主要种植 仙客来 夏季 仙客来 为初花期 以绿叶为主 植株平均高 30 cm 室内环境参数包括 温度 湿度 太阳辐照 度 风速风向 温室内设置多点温度传感器 型号为 RC5 US 温度记录仪 温湿度传感器型号 YDBSTH7001 均为 USB 存储 光照传感器型号 YDBSGZ7001 风速传感器型号 YDBSFS7001 通 过 4G 网络远程传输数据到手机端 便于实时监测 温室室内环境参数 由西向东布置 9 个风速传感器 W1 W9 距地面高度 1 m 距后墙 5 m 温度测 试采用截面法布置温度测点 在东西方向由西至东 分别布置 A B C 3 个相同传感器截面 间隔 10 m 如图 2 所示截面 B 在竖直由下至上方向距室内地 坪 0 1 5 3 4 5 m 不同高度布置 4 个温度传感器 S13 S12 S11 S10 在南北方向由南至北相隔 3 m 布置 4 个温度传感器 S1 S2 S3 S4 距地面 2 5 m 在风机入口和湿帘侧各布置 1 个温度传感器 利用 USB 温度记录仪连续数据采集 2019 年 7 月 1 日至 10 月 31 日 温度测量值生成 UDF 文件作为 CFD 温度边界条件参与模拟 风扇 5 m 10 m 40 m 花卉 湿帘 图 1 温室结构图 Fig 1 Structure diagram of greenhouse which was suitable for flower growth Keywords CFD numerical simulation flower greenhouse mechanical ventilation temperature field the airflow field 115 第5期 10 m 2 5 m S1 S2 S3 S10 S11 S12 S13 S4 3 m 3 m 3 m 4 m 5 m 图 2 温度测点截面图 Fig 2 Section diagram of temperature measuring points 1 2 夏季机械通风温室温度分布规律 通过多点布置温度传感器可以更好地了解夏季 机械通风花卉温室温度分布规律 截面 B 布置了 8 个温度传感器 在距离地面 2 5 m 处由南到北布置 1 号到 4号温度传感器 其中 1号为靠近塑料棚壁温度 4 号为墙体温度 以 8 月份某天温度为例观察 24 h 内变化趋势 如图 3 所示 墙体温度变化幅度小于 室内温度 说明墙体具有蓄热保温能力 温度最高 在下午 1时左右 由于太阳辐射温室棚壁温度最高 达到 34 由南向北温度递减 在没有太阳辐射的 夜间 靠近塑料棚壁的温度低于温室内温度 由南 向北温度呈递增趋势 说明越靠近墙体侧保温性能 越好 图 4 表示截面 B 由高到低的变化趋势 其中 10 号为棚顶温度 13 号为地面温度 在下午 1 时左 右温室顶棚温度达到最大值 由于太阳辐射作用温 室棚顶可达到 38 高温 随着高度降低温度下降 在花卉生长处温度 30 左右 适合植物生长 地面 温度变化范围不大 白天温度较低 时间 h Time 温度 T emperature 图 3 温度测点由南向北变化趋势 Fig 3 The temperature measured points trend from south to north 时间 h Time 温度 T emperature 图 4 温度测点由高到低变化趋势 Fig 4 The temperature measured points of variation trend from high to low 2 CFD 数值模拟 2 1 数值计算基本方程 采用 ANSYS 19 0 对试验温室进行了数值建模 与仿真 利用 k RNG 模型对温室室内小气候进 行模拟 使用离散纵坐标 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 模型通过有限体积法 finite volume method FVM 建立的雷诺 N S 方程进行离散求解 温室的基本控制方程可描述为如下形式 0 mno xxx 1 222 222eff mm mn mo mmmp xyzxyz x 222 222eff mm mn mo mmmp xyzxyz x 2 222 222eff nm nn no nnnp xyzxyz y 222 222eff nm nn no nnnp xyzxyz y 3 222 222effref om on oo ooop gTT xyzxyz z 222 222effref om on oo ooop gTT xyzxyz z 4 222 222 pp mT nT oT qeff TTT xyzccxyz 222 222 pp mT nT oT qeff TTT xyzccxyz 5 程 雪 等 基于 CFD 的花卉温室夏季机械通风模拟 116 第 44 卷河北农业大学学报 式中 m n o 分别为 x y z 3 个方向的速度 分量 m s eff 为有效黏度 p为流体微单元上的压强 Pa T 为空气温度 K T ref 为空气参考温度 其值 为 298 15 K 为空气密度 kg m 3 为热膨胀系 数 1 K q 为热源 W C p 为比热容 J kg K eff 为有效导热系数 W m K 2 2 边界条件 利用 ANSYS 19 0 中的 Workbench 软件对温室 结构建模 边界条件设置见表 1 在 ANSYS 19 0 ICME 中建立非结构网格 并对边缘进行细化生成 的网格数为 2 870 564 个的网格模型 生成 mesh 文 件 导入 ANSYS 19 0 Fluent 中进行流场分析 花 卉温室主要由地面 两侧侧墙 西侧墙安装风扇 东侧墙安装湿帘 顶棚 PVC 塑料薄膜 后墙 室内 空气 花卉植物等组成 表 1 Fluent 边界条件设置 Table 1 Fluent boundary condition setting 类型 Classification 参数设置 Parameter 湿帘入口 相对大气压 101 325 Pa 入口温度 UDF 温度文件 风机出口 风机平均风速 3 m s 密度 1 360 kg m 3 顶部维护 比热容 1 050 J kg K 导热系数 0 15 W m K 折射率 16 28 吸收率 0 8 反射率 0 9 室外温度 UDF 温度文件 维护传热系数 6 4 W m 2 四周维护 室外温度 UDF 温度文件 花卉 密度 560 kg m 3 比热容 2 100 J kg K 导热系数 0 19 W m K 折射率 2 77 吸收率 0 45 反射率 0 1 地面 密度 1 600 kg m 3 比热容 2 200 J kg K 导热系数 0 15 W m K 折射率 1 92 吸收率 0 88 反射率 0 12 温度 UDF 温度文件 为确保边界条件对温室环境的有效模拟 在建 模过程中划分多个面和多个区域 温室实测值生成 UDF 文件构成边界条件 温室 3 面为砖墙结构 设 置为壁面边界 顶棚为塑料薄膜维护 设置为 PVC 半透明介质 侧墙湿帘入口为压力边界 风机出口为 速度边界 室内花卉以空气为载体进行能量交换 在 ANSYS 19 0 ICME 中建立非结构网格 并对边缘进 行细化生成网格数为 2 870 564 个的网格模型 生成 mesh文件 然后导入 ANSYS 19 0 Fluent中进行计算 3 模拟仿真结果 3 1 气流场模拟 CFD 模拟夏季机械通风性能 忽略浮力效应 并将风视为主要驱动力 空气通过湿帘进入温室 到达屋顶 然后从风机侧流出 同时部分气流沿着 顶棚移动 风机入口风速为 1 2 m s 向外排风 在 湿帘侧形成负压 受湿帘冷空气影响 湿帘侧形成 更强的速度场气旋 湿帘侧风速可达到 1 5 m s 气流主要分布在温室 3 m 以下 覆盖花卉生长范围 在东西方向纵向截面和南北方向的横向截面都存在 较大的风速差异 空气混合不均匀 见图 5 a 东西方向横截面速度云图 b 南北方向横截面速度云图 c 水平 1 m 处速度场分布 图 5 速度场模拟分布云图 Fig 5 The distribution cloud map of velocity field simulated 取由东向西距湿帘侧分别为 10 20 30 m 的 3 个横向截面 由仿真模拟速度云图 5 a 可以看 117 第5期 出湿帘侧风速更大 温度更低 在温室中部受植物 影响 风速降低 由于湿帘 风机位置靠近温室下方 速度场形成的涡旋主要分布在温室下方 夏季植物 周围可以感觉到明显凉爽 靠近湿帘侧温室上方受 负压影响会形成更明显的速度矢量场 而在温室中 间上部分区域会形成气流的滞留场 取由北向南距 温室后墙 1 5 3 4 5 m 的 3 个截面如图 5 b 所示 可以看出由于湿帘风机安装位置 在 3 m 截面处气 流场更强 靠近南侧温室塑料棚壁位置由于太阳辐 射气流场明显减弱 考虑到气流涡旋下沉 如果温 室种植喜风作物 可适当提高湿帘 风机距地面的 高度 取水平面 1 m 处如图 5 c 所示 即植物平 面上靠近湿帘侧风速更大 过大的风速可能扰乱植 物的生长 因此湿帘侧更适宜种植对风速影响不大 的花卉植物 3 2 温度场模拟 3 2 1 无机械通风温度模拟分析 由于温室内部 蓄热 内部温度与外部温度相比存在滞后 这种滞 后在机械通风的夏季月份比较小 湿帘 风机增加 了对流从而影响内部温度场 夏季温室内温度主要 取决于太阳辐射和通风 当温室相对封闭不存在通 风的情况下温度很高 设定为下午 3 时 室外平均 温度 32 室外太阳辐射 960 W m 2 室内整体温 度达到 30 46 温室自上而下 由南向北温度 由高降低 存在明显的温度梯度 棚顶温度最高 高温和太阳辐射使温室内部湿度较低 湿度范围 10 32 非常干燥 温室的作用需要在夏季提 供适宜作物生长的环境 因此无任何调控措施的封 闭温室不适合作物生长 3 2 2 机械通风温室内热环境模拟分析 在机械 通风情况下室内温度降温明显 温室内温度范围为 23 30 取由东向西方向距湿帘侧 10 20 30 m 的 3 个截面 如图 6 a 所示 取由北向南距温室 后墙 1 5 3 4 5 m 的 3 个截面 如图 6 b 所示 温室内部存在明显的温度梯度 在顶棚受到太阳辐 射影响温度最高 随着高度的降低温度下降 靠近 湿帘侧由于湿帘制冷作用 风从湿帘侧进入温室 带入大量冷空气 温度明显降低 在花卉种植区域 温度可保持在 23 左右 温度由东向西升高 受 南面棚壁太阳辐射影响 温度由北向南升高 但是 在距地面 1 m 水平面花卉生长区域可以保持温度在 24 27 适宜花卉生长 湿帘 风机系统采用 前区 后区常压 冷区负压的工作方式 使进入温 室前的干热空气变成凉爽空气 从而实现夏季降温 如果需要调节植物生长的环境温度 可考虑调节风 机入口风速 以及湿帘面积 进出水口方式等 a 东西方向横截面温度云图 b 南北方向横截面温度云图 图 6 机械通风温度场模拟分布云图 Fig 6 The distribution cloud map of simulation of mechanical ventilation temperature field 3 3 模型验证 取风速传感器 W1 W9 共 9 个风速测点实测 值与模拟值进行比较 如表 2 所示 表 2 风速实测值与模拟值对比 Table 2 Wind speed comparison of measured and simulated values m s 测点 Point 实测值 Measured value 模拟值 Simulated value 绝对误差 Absolute error W1 1 20 1 05 0 15 W2 0 96 0 83 0 13 W3 0 68 0 76 0 08 W4 0 52 0 65 0 13 W5 0 73 0 98 0 25 W6 0 96 1 01 0 05 W7 1 15 1 05 0 10 W8 1 18 1 16 0 02 W9 1 19 1 11 0 08 程 雪 等 基于 CFD 的花卉温室夏季机械通风模拟 118 第 44 卷河北农业大学学报 取温度传感器截面 B 的 8 个温度测点实测值 与模拟值进行比较 如表 3 所示 通过分析长期 观测实测点值与模拟值 模拟速度场误差范围在 0 5 24 6 温度模拟值与实际值的绝对误差最 大值小于 2 5 其中均方根误差 RMSE 1 982 6 平均绝对误差 MAE 2 153 4 CFD 模拟可以较真实 地反应夏季花卉温室的风速场 温度场的变化规律 模型模拟真实有效 表 3 截面 B 温度实测值与模拟值对比 Table 3 Temperature comparison of measured and simulated values at section B 测点 Point 实测值 Measured value 模拟值 Simulated value 绝对误差 Absolute error S1 31 3 32 4 1 1 S2 30 2 31 6 1 4 S3 29 8 30 5 0 7 S4 23 2 25 3 2 1 S10 33 5 35 1 1 6 S11 31 3 32 6 1 3 S12 30 1 31 9 1 8 S13 25 6 27 5 1 9 4 结论 利用 CFD 对夏季机械通风模式下花卉温室的温 度场气流场进行了模拟 采用 k 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 采用 UDF 温度边界条件 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 模拟结果为温室夏季机械通风控制提供了科 学依据 参考文献 1 Bouhoun A Pierre Emmanuel B Patrice C Development of a CFD crop submodel for simulating microclimate and transpiration of ornamental plants grown in a greenhouse under water restriction J Computers and Electronics in Agriculture 2018 149 1 26 40 2 尹虎成 冯成恩 潘广为等 基于天气预报数据的大 棚内温度预测 J 浙江农业科学 2014 11 1 1765 1766 1776 3 何勉 基于物联网的温室环境监控系统设计 J 陕 西理工大学学报 自然科学版 2020 36 3 54 59 4 马维军 基于无线传输的温室数据采集与控制系统研 究与设计 D 青岛 青岛科技大学 2020 5 孙昌权 刘永华 黄锋 基于 Zigbee 和组态软件的草 莓温室大棚远程监控系统的研究与实现 J 农业装 备技术 2020 46 4 18 23 6 王瑜 基于 WSN 纵向通风猪舍温热环境监测及 CFD 模型的研究 D 武汉 华中农业大学 2020 7 Guzman C Carrera L Duran HA et al Implementation of Virtual Sensors for Monitoring Temperature in Greenhouses Using CFD and Control J Sensors Basel 2018 19 1 253 276 8 Ntinas K Xiong Shen Yu Wang et al Evaluation of CFD turbulence models for simulating external airflow around varied building roof with wind tunnel experiment J Building Simulation 2017 11 1 115 123 9 Lee S In Bok L Rack Woo K Evaluation of wind driven natural ventilation of single span greenhouses built on reclaimed coastal land J Biosystems Engineering 2018 171 1 120 142 10 Hu Jingjuan Guisheng Fan CFD Simulation of Heating Process of Greenhouse Irrigation Water in Wintering Period J Applied Engineering in Agriculture 2017 33 4 575 586 11 He Xiangli Jian Wang Shirong Guo et al Ventilation optimization of solar greenhouse with removable back walls based on CFD J Computers and Electronics in Agriculture 2018 149 1 16 25 12 Iken O Thermal and energy performance investigation of a smart double skin facade integrating vanadium dioxide through CFD simulations J Energy Conversion and Management 2019 195 1 650 671 13 Baxevanou C Dimitris F Thomas B et al Yearly numerical evaluation of greenhouse cover materials J Computers and Electronics in Agriculture 2018 149 1 54 70 责任编辑 张月清