基于CFD的多层覆盖一体式日光温室热环境模拟.pdf

基 于 CFD 的多层覆盖一体式日光温室热环境模拟 白广宇 null 庄卫东 null null nullnull 黑龙江八一农垦大学 工程学院 黑龙江 大庆 nullnullnullnullnullnull nullnull 黑龙江省农机智能装备重点实验室 黑龙江 大庆 nullnullnullnullnullnull 摘 要 为研究多层覆盖一体式日光温室的保温性能 设计试验测量记录多层覆盖一体式日光温室内的温度 并基于非稳态传热模型 采用计算流体力学 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 软件针对无卷帘覆盖状态下目标 温室的温度场进行了数值模拟 对模拟结果进行分析 并将测量值和模拟所得的温度值进行了对比验证 结果表 明 二者最大误差小于 nullnullnull 温度的实测值与模拟值吻合度良好 nullnullnull 对多层覆盖一体式日光温室无卷帘覆盖工 作状况下温度场的模拟真实度较高 通过对温室内环境模拟结果分析 可以显示温室内温度分布状况 模拟结 果可为多层覆盖一体式日光温室的结构优化设计及环境参数控制等方面的研究提供理论依据 关键词 日光温室 热环境模拟 多层覆盖一体式 nullnullnull 中图分类号 S625 1 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2022 10 0218 04 0 引言 日光温室是我国设施农业产业的主体 有着典型 的中国特征 一直是国内设施农业产业升级发展的重 点 并在近 nullnull 年发展为效益最高的农业种植产业 null 日光温室在我国已有近 nullnull 年的发展历史 由于我国 地域辽阔 在不同地区 不同气候条件下逐渐演变形 成了众多类型的日光温室 它的不断发展使我国北方 超时令蔬菜供给问题得到了解决 为农业产业结构的 调整提供了一个重要的途径 提高了农民的收入 null 国外众多学者对现代化温室的发展和结构优化 做了很多研究 nullnullnull 近年来国内学者也对典型地区典 型温室的发展进行了大量研究 白义奎 null 李娜 null 等 人分别运用太阳辐射计算分析法 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 能耗模 拟软件等方法研究了朝向对日光温室内太阳辐射的 影响以及太阳直接辐射透过采光面进到温室内的时 间及空间分布状况 王吉庆 null 赵淑梅 null 等人在温室 覆膜结构对温室保温性能的影响方面进行了大量的 研究 随着科技的进步和计算流体力学在各研究领 域的应用 nullnullnull 模拟分析软件也逐渐在温室中得到应 用 国外研究人员将 nullnullnull 知识应用于温室优化设计研 究中已有 nullnull 几年的历史 nullnull 通过查阅大量文献发 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金项目 黑龙江省应用技术研究与开发计划项目 nullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 白广宇 nullnullnullnullnull 男 黑龙江鹤岗人 硕士研究生 nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 通讯作者 庄卫东 nullnullnullnullnull 男 江苏邳县人 教授 硕士生导师 nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull 现 在应用 nullnullnull 技术于温室环境模拟和预测方面我国 与国外仍存在的一定的差距 为此 通过 nullnullnullnullnull 有限 元软件模拟已建成多层覆盖一体式日光温室温度场 的分布情况 取温室内典型截面模拟结果 比较分析 测量值与模拟值 验证模型的可靠性 为 nullnullnull 技术在 多层覆盖一体式日光温室优化设计中的推广使用提 供参考 1 材料与方法 1 1 试验温室 多层覆盖一体式日光温室是根据黑龙江棚室生 产现状和生产需求总结研发的新型温室成果 结合了 日光温室和冷棚的优点 保温效果好 成本低 收益 高 试验地点位于黑龙江省大庆市林甸县实验村 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 温室的整体结构是由钢结构骨 架围合而成 东侧 西侧与北侧是墙体部分 墙体材料 由草帘与塑料膜 薄膜 null 两层草帘 null 薄膜 null 草帘 null 薄膜 组合而成 温室屋面覆盖材料采用聚氯乙烯薄膜为外 膜 聚乙烯薄膜为内膜 最多可实现 null 层覆盖层 采用 草帘为夜间保温材料 温室建造方向坐北朝南 南北 方向跨度 nullnullnull 东西跨度 nullnullnull 高度 nullnull nullnull 后墙高度 nullnull nullnull 如图 null 所示 1 2 研究方法 1null 2null 1 温室环境监测 环境实测数值记录时间 nullnullnullnull 年 nullnull 月 nullnullnull 月 测 量的环境参数包括室外温度 日光温室内温度和太阳 辐射 日光温室室外温度与内部空气温度由美国生 产的 nullnullnullnullnullnull 型号温度记录仪 测量范围 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 年 nullnull 月 农 机 化 研 究 第 nullnull 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 10 037 精度 nullnullnull nullnull 记录采集 在试验温室后墙面 nullnull nullnull 高 度 长度方向上与东 西侧墙分别相距 nullnullnull 中间截面 处 设置 null 个测量点 在温室中间截面 nullnull nullnull 高度 距 离采光面 null null nullnull 处设置 null 个测量点 在日光温室地 面 距离采光面 null null nullnull 长度方向上相距东 西侧墙 nullnullnull 及温室中间截面处 取 null 个监测点 总计设 nullnull 个 监测点监测室内温度变化 各监测点的温度记录时间 为 nullnullnullnullnull 记录一次 日光温室光照采用 nullnullnullnullnullnullnullnull 手 动型照度计 光照监测范围在 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 之间 采光分辨率为 nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull 监测准确度 nullnullnull null nullnullnull 记录采集 在距离温室后墙 nullnull 高度 nullnull nullnull 和 nullnull nullnull 长度方向上距离东西边墙 nullnullnull 和温室 nullnullnull 剖 面处 取 null 个监测点 监测室内光照变化 各监测点的 光照记录时间为 nullnullnullnullnull 记录 null 次 选取 nullnullnullnull 年 nullnull 月 nullnull 日 nullnull nullnull 试验温室采集的温度数据作为研究对象 室外温度为 nullnullnull nullnull 一层膜 外膜 nullnull 二层膜 nullnull 三层膜 nullnull 四层膜 nullnull 五层膜 地膜 nullnull 卷帘机 nullnull 草帘 图 null 多层覆盖一体式日光温室剖面图 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 1null 2null 2 数据整理与软件模拟 用 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 软件对数据进行整理 分析和筛 选 将数据制作为表格 折线图及统计图等 显示出数 据的变化趋势 应用 nullnullnullnullnullnullnullnull null 软件中的 nullnullnullnullnullnullnullnull 模块建立多 层覆盖一体式日光温室结构模型 应用 nullnullnullnullnullnullnull 模块 网格划分 再使用 nullnullnullnullnullnull 模块进行网格检查 设定连 续方程 动量方程和能量方程 设定边界条件 初始条 件 流体物性等参数 进行仿真模拟 得到多层覆盖一 体式日光温室热环境分布及其变化情况 根据试验温 室不同测点的实测值验证并完善模型 并分析多层覆 盖一体式日光温室的温度分布特点 2 物理模型与边界条件 2 1 物理模型 在不采用任何补温措施时 温室热能主要来自于 太阳辐射 为了提高计算求解速度 在满足模拟精度 要求的情况下 将试验温室物理模型做了适当的简化 处理 在东西跨度方向上取 null 个典型截面作为该温 室模拟区域 试验日光温室包含采光面 地面 东侧 墙 西侧墙及后墙共 null 个面 2 2 控制方程 将温室内流动的气体视为不可压缩流体 运动过 程遵循质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 可以导出连续性方程 动量守恒和能量守恒方程 将 其整理得到控制方程通用形式为 null nullnull nullnull null nullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnull null null null 式中 null 任意变量 温度 密度 动量等 null 广义扩散系数 null 速度矢量 nullnullnull null 密度 nullnullnullnull null null 时间 null 其中 从左至右 null 个组成部分依次为瞬态项 对 流项 扩散项和源项 当 null null null 时 可转化为连续性方 程 当 null nullnull null null 依次为 null null null 方向上的速度 时 方 程可转化为动量方程 当 null nullnull null 时 可转化为能量 方程 2 3 边界条件与初始条件 在进行 nullnullnull 数值模拟中 必须设置合理的模型 边界条件 在进行多层覆盖一体式日光温室冬季室内 热环境模拟时 因其冬季为封闭状态 室内外空气交 换量较小 日光温室仅以辐射换热的方式与外界进行 热量交换 所以各面都设定为 nullnullnullnull 壁面 边界条件 参数设置参考真实试验数据和查阅相关气象资料 在 nullnullnullnullnullnullnull 模块网格划分 共有 nullnullnull nullnullnull 个单元网格 如图 null 所示 图 null 日光温室三维网格模型 nullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 2null 3null 1 外部辐射温度 在日光温室的 nullnullnull 模拟中 设置东西侧墙和后 墙的温度为室外空气温度 选用天空的有效温度作为 日光温室塑料薄膜材料的外部辐射温度 针对试验 nullnullnull nullnullnullnull 年 nullnull 月 农 机 化 研 究 第 nullnull 期 条件 天空的有效温度为 null nullnullnull null nullnull nullnullnullnullnull nullnull null null null 式中 null nullnullnull 外部辐射温度 null null null 室外空气温度 null 经计算 外部辐射温度为 nullnullnullnull nullnullnull 2null 3null 2 室外对流换热系数 日光温室各表面与室外气流存在着自然对流换 热现象 对流换热系数 null 计算公式为 null null nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull null 迎风面 null null nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null 背风面 null null nullnull null null nullnull nullnull null 式中 null 温室表面与空气对流换热系数 nullnull null null null null null 室外风速 nullnullnull null 边界表面实际风速 计算时 模拟时间平均风速记为 nullnullnullnull 采光面为 迎风面 后墙为背风面 可计算得到模拟时采光面对 流换热系数 null null nullnullnull nullnullnullnull null null null 后墙面对流换热 系数 null nullnullnullnull nullnullnullnull null null null 2null 3null 3 试验温室材料物理参数 在进行气流在密闭的日光温室内流动模拟时 对 流体材料进行 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 假设 简化浮升力项 且假定 温室所用材料是各向同性材料 试验温室的材料物 性如表 null 所示 nullnull 表 null 材料物性取值表 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 材料 密度 nullnullnull null null null 比热 null nullnull nullnull null nullnull 导热系数 nullnull null null nullnull 太阳辐射 吸收率 空气 nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull 草帘 nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull 土壤 nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnull 膜 nullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull 膜 nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull 3 模拟结果与验证 3 1 模拟结果 为了分析多层覆盖一体式日光温室的温度分布 情况 建立 null null nullnullnull null null nullnullnull null null nullnullnull 等 null 个平面 模 拟同一时间东西跨度 null 个典型截面温度场 如图 null null 图 null 所示 图 null nullnullnullnullnull 截面温度场模拟结果 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 图 null nullnullnullnullnull 截面温度场模拟结果 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 图 null nullnullnullnullnull 截面温度场模拟结果 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 由图 nullnull图 null 可知 温室南侧一 二层膜之间温度 较低 二层膜附近的温度值较高 由于二层膜增加了 日光温室的密闭性 提升了保温蓄热能力 膜内空间 温度得到提高 因日间后墙的蓄热作用 后墙处的温 度值相较二层膜内温度更高 在温室不同高度上 膜 内空间温度分布均匀温差小 在一定高度范围内温度 值稳定在 nullnullnull null nullnullnull nullnull 该研究中 多层覆盖一体式 日光温室的东西方向跨度尺寸远大于高度及南北方 向跨度尺寸 在温室东西方向不同截面上温度分布情 况大致相同 东西侧墙对温度二层膜内的温度影响较 小 二层膜内温度波动稳定 温差较小 温室近地面区 域气流温度较低 随着高度的增加温度逐渐升高 3 2 验证结果 选取 null 个具有代表性的测点 将试验测量真实值 与 nullnullnullnullnullnull 软件模拟值做对比 验证模拟值的可信度 这 null 个选取点其分别代表温室内几个典型截面的温 度值 其序号 坐标位置 温度实测值及模拟值如表 null 所示 为了更直接比较试验日光温室内部实测温度 与模拟温度的差异 绘制了二者对比图 如图 null 所示 nullnullnull nullnullnullnull 年 nullnull 月 农 机 化 研 究 第 nullnull 期 表 null 温室内 null 个测点坐标 实测值 模拟值 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 测点 序号 距西墙 nullnullnull 距北墙 nullnullnull 距地表 nullnullnull 温度 实测值 nullnull 温度 模拟值 nullnull null nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull null null nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull null null nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull null null nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull null null nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull null null nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull null null nullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull null nullnullnull null null nullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnull null nullnullnull null null nullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull null nullnullnull null 图 null 温度实测值与模拟值对比图 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 由表 null 图 null 可知 试验温室的实测温度与有限 元软件模拟温度吻合程度较高 最大相对误差为 nullnull nullnullnull 通过软件模拟得到的温度场分布和实际情况 相符 因此 多层覆盖一体式日光温室模型的建立合 理 可以将 nullnullnull 方法应用于多层覆盖一体式日光温室 内热环境模拟和温度控制 进而为温室结构的优化设 计提供理论依据 但是 其模拟数值与实测数值仍有 着少量误差 影响模拟精度的因素主要包括温度测量 时产生的误差 模型简化产生的模拟值误差和模拟中 输入边界条件产生的模拟值误差等 4 结论 null 多层覆盖一体式日光温室 nullnullnull 模拟结果显 示 在温室东西方向各剖面上 温度的变化趋势比较 稳定 基本保持一致 日光温室二层膜可以明显提高 温室内的温度 增加温室的保温性能 null 建立的多层覆盖一体式日光温室 nullnullnull 三维模 型 能够较好地模拟温室的热环境特性 试验模拟数 值与实测数值吻合度较高 误差可以控制在 nullnullnull以 内 对降低温室优化设计研究试验成本 满足实际生 产需求具有一定的指导意义 null 在之后的模拟研究中 将继续完善多层覆盖一 体式日光温室物理模型 减小模拟值误差 更好地利 用有限元模拟方法对该类型温室进行结构优化设计 以提升该新型温室的保温性能 参考文献 null 李天来 null 我国日光温室产业发展现状与前景 null null 沈阳农 业大学学报 nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull null 魏晓明 周长吉 曹楠 等 null 中国日光温室结构及性能的演 变 null null 江苏农业学报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnullnull null null nullnullnull null nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull null 白义奎 刘文合 王铁良 等 null 日光温室朝向对进光量的影 响分析 null null 农业机械学报 nullnullnullnull null nullnull nullnullnull nullnullnull null 李娜 陈超 马彩雯 等 null 基于建筑热工原理的日光温室 最佳朝向仿真计算 null null 新疆农业科学 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 王吉庆 赵月平 张百良 null 温室采用多层内覆盖保温节能 效果研究 null null 农业工程学报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull null 赵淑梅 马承伟 刘晨霞 等 null 温室多层覆盖传热系数与热 节省率的工程算法 null null 农业工程学报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull null nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 陆耀庆 null 实用供暖空调设计手册 null null 北京 中国建筑工 业出版社 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull 下转第 nullnullnull 页 nullnullnull nullnullnullnull 年 nullnull 月 农 机 化 研 究 第 nullnull 期 Optimization of Driving Performance of Ship Tractor Folded face Impeller nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull Abstract nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnulln