不同通风形式日光温室湿热特性的数值模拟.pdf

中国农业大学学报 nullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 郑若琳 杨魏 刘竹青 null不同通风形式日光温室湿热特性的数值模拟 null null中国农业大学学报 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 不同通风形式日光温室湿热特性的数值模拟 郑若琳 null 杨 魏 null null 刘竹青 中国农业大学 水利与土木工程学院 北京 nullnullnullnullnullnull 摘 null 要 null 研究日光温室不同通风形式对室内湿热特性的影响 采用计算流体动力学数值模拟方法 构建日光温室 作物 null 环境湿热系统的数值模拟模型 将模拟结果与试验测量结果进行对比 温度和相对湿度的模拟值与实测值 的最大相对误差分别为 nullnullnullnull和 nullnullnullnull 验证了所构建模型的准确性 应用该模型模拟不同通风形式下温室内的 气流和温湿度分布情况 比较分析不同的通风形式对室内湿热特性的影响 结果表明 不同的通风形式会影响室 内气流的运动轨迹和速度 从而影响室内温度和相对湿度的分布变化 仅开启上通风口通风时 室内的平均温度 和相对湿度较高 气候分布均匀 整体变化较小 适宜冬春季节或清晨傍晚室内温湿度较低时的通风要求 仅开启 下通风口通风时室内温湿度分布模式均匀性最差 进风口处的温湿度明显低于北墙 且进口存在涡流 不利于作物 生长发育 上 下通风口均只开一半通风时 作物区平均温度和相对湿度分别为 nullnullnullnullnull和 nullnullnull 上 下通风口均全 开时作物区平均温度和相对湿度为 nullnullnullnullnull和 nullnullnullnullnull 较于前者室内温度和相对湿度分别降低了 nullnullnullnull和 nullnullnullnull 适宜于炎热天气下日光温室内的降温除湿要求 关键词 null 日光温室 计算流体动力学 微气候 通风形式 多孔介质 中图分类号 nullnullnullnullnullnullnullnull 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull文献标志码 nullnull 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 基金项目 国家自然科学基金项目 nullnullnullnull 第一作者 郑若琳 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 硕士研究生 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 通讯作者 杨魏 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 教授 博士生导师 主要从事水利机械优化设计及水利机械流动理论研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null 第 null期 郑若琳等 不同通风形式日光温室湿热特性的数值模拟 null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null nullnull 日光温室自然通风形式主要有后墙通风 温室 前屋面通风及屋脊通风等 null 由于自然通风形式操 作简单 能耗较低 适用范围广 已成为温室最普遍 的通风换气方式 同时 温室作为一个半封闭的设 施体系 作物通过自身的蒸腾 呼吸和光合作用与环 境之间相互影响 因此 作物蒸腾也是影响温室气候 的重要因素之一 null 由于日光温室的自然通风和半 封闭性等特点 使得日光温室内的湿热环境与通风 形式耦合性较强 因此研究不同通风形式对室内微 气候变化的影响对于优化作物生长环境 制定温室 通风调控策略具有重要意义 温室具有地域和时间差异性 参数变化的滞后 以及和环境耦合性很强等特点 对温室在投入使用 之前进行通风测试和对作物进行高效优质生产监测 显然是不现实的 不能满足实际生产的需要 随着 计算机技术的发展 基于 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 的数值模拟技术成为研究温室微气候的 一个有力工具 计算流体动力学 nullnullnull 具有有效 准确地量化通风温室室内气候变量的潜力 流体压 力 温度和速度等变量的时空场解均可以用 nullnullnull 模 拟来描述 方慧等 null 研究了基于 nullnullnull 技术的日光 温室在不同通风模式下温度和气流场的分布 预测 了温室不同走向时的气温空间分布 何科爽等 null 利 用 nullnullnull 数值模型研究了在极低风速下不同风况和 开窗配置下温室内流场 温度的分布和规律 揭示了 极低风速下 小于 nullnullnullnull null 单栋塑料温室内气候特 征 王新忠等 null 分析了屋顶全开型玻璃温室夏季通 风降温调控的开窗角度 得出夏季高温季节温室通 风降温的调控方法 国内外 null nullnullnull 针对不同地区 温 室类型 通风布置以及室外环境条件的 nullnullnull 数值模 拟研究与试验结果均吻合良好 本研究拟采用多孔介质和离散坐标辐射模型 nullnull 辐射模型 构建日光温室 nullnullnull 数值计算模型 与试验结果对比验证模型的准确性 应用该模型研 究不同通风形式对温室内湿热气候的影响 以期为 温室生产过程提供合理的湿热调控措施 nullnull 试验设计 nullnullnullnull 试验对象 试验温室位于北京市通州区 东经 nullnullnullnull 北纬 nullnullnull 为前屋面上 下通风口开窗式通风日光温室 东西走向 长 nullnullnull 宽 nullnull 脊高 nullnullnullnull 温室东侧 配备操作间 试验期间操作间窗口和屋门关闭 覆 膜材料为透明塑料 nullnull 膜 采用镀锌铁结构支撑 厚 度约为 nullnullnullnullnull 墙体为砖墙结构 墙体厚度 nullnullnullnull 高 nullnullnullnull 后屋面为保温板 构造为两层铁皮中间 夹厚度约 nullnullnullnull 的聚苯乙烯泡沫板 温室通风口处 配备有 nullnull 目 防 虫 网 室内栽有作物黄瓜 共 有 nullnull 垄 每垄长为 nullnullnullnull 宽大约为 nullnullnullnull 秧苗高度 nullnullnullnull 南北方向种植 温室剖面图见图 null 图 null null 日光温室剖面图 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 试验设置 试验于 nullnullnullnull 年 null 月 nullnull 日 nullnullnullnull 年 null 月 nullnull 日 进行 室内温度和相对湿度采用布点测量方法进行 测量 在温室内共布置了 nullnull 的测点 使用 nullnullnullnullnullnull 温湿度记录仪 温度测量范围为 nullnullnullnullnullnullnull 精度 nullnullnullnullnull 湿度测量范围 nullnullnullnullnull 精度 nullnullnull 测量 室内空气的温湿度 温湿度传感器对记录进行自动 保存 作物冠层温 湿度采用干湿球温度计测量 需 手动读数 在温湿度记录仪和干湿球温度计的外部 均进行遮光处理以防止太阳辐射对测量结果的影 响 测量之前对温湿度传感器和干湿球温度计进行 nullnullnull 中 国 农 业 大 学 学 报 nullnullnullnull年 第 nullnull卷 null 校正 由于安装布置传感器位置存在误差 故在测 点布置完全之后再对测点坐标进行测量 以实际安 装后的坐标为验证测点坐标 规定温室正南方向为 null 轴正向 竖直向上方向为 null 轴正向 正西方向为 null 轴正向 以温室后墙和东墙的交点为原点 温湿度 测点坐标分别为 null nullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 单位为 null 测点布置见图 null nullnull nullnull nullnullnull为温湿度测点 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 图 null null 日光温室温湿度布点 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 室内中部无遮阴处放置 nullnullnullnullnullnullnullnull 型照度计 测量 范 围 nullnullnullnullnullnull 万 nullnull 分 辨 率 nullnullnullnullnull 精 度 nullnullnull 测量太阳照度并将测量结果转化为太阳辐射 以测量室内的辐射强度 照度值和太阳辐射强度的 关系为 nullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull 地表温度和围护结构 温度采用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 型红外测温仪 测量范围 为 nullnullnullnullnullnullnullnull 精度 nullnullnullnull 分辨率 nullnullnullnull 测量 测量距离保持在 nullnullnullnull 以内且垂直于被测量物体 地表温度选取室内无遮阴的地方进行测量 测量温 室东南西北中各区域地表温度并取平均值作为参考 地表温度 温室风速由 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 手持式热线风 速仪 测量范围 nullnullnullnullnull null 精度 nullnullnullnull null 分辨率 nullnullnullnullnull null 进行测量 以上所有数据采集周期为 nullnullnullnullnull 并取均值处理 室外气象参数由微型气象 站自动采集 室外参数主要包括 风速 风向 温度 相对湿度 太阳辐射强度等 室外气象站距离温室 南侧墙 nullnullnull 离地高度 nullnull 叶面积指数是指单位 土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数 采 用卡尺对叶片的长度和宽度进行测量 将不同的叶 片简化为三角形或正方形来计算其面积 选取 nullnull 个代表行中的典型作物测其叶面积 并将得到的叶 面积指数取平均值 nullnullnullnull 研究方法 试验期间天气晴好 温室的上 下通风口的开度 均为 nullnullnull 以日光温室的室内外实测参数为边界条 件 构建温室 null 作物 null 环境的 nullnullnull 数值计算模型 将 模型测点的模拟值与实际测量值进行对比验证模型 的有效性 利用该模型模拟上 下通风口开度不同 时室内的湿热环境 分析不同通风口开度下日光温 室内的气流 温度和相对湿度的特征和变化规律 各通风形式下通风口开度的设置见表 null 表 null nullnull 种通风形式下通风口开度的设置 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 通风形式 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 上通风口开度 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 下通风口开度 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull null nullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull null 第 null期 郑若琳等 不同通风形式日光温室湿热特性的数值模拟 nullnull 数值模拟模型与边界条件 nullnullnullnull 基本控制方程及湍流模型 假设自然通风情况下温室内气体为不可压缩牛 顿流体 将温室内气体视为水蒸气和干空气的混合 体 水蒸气未发生相变 室内气流流动为湍流 忽略 由于空气粘性引起的能量耗散 混合气体在流动过 程中遵循能量守恒方程 质量守恒方程以及动量守 恒方程 其通用形式 nullnull 为 null nullnull nullnull nullnullnullnull null null null nullnull null nullnull null null null null nullnullnull null nullnullnullnull null null 式中 null 为通用传输量 null 为流体密度 nullnull null null null 为 流体速度 null null null null 为扩散通量 null null 为通用变量 null 的 有效交换系数 null null 为广义源项 温室内的空气主要是由水蒸气和干空气组成的 混合气体 受太阳辐射的影响 相对湿度在一天中 变化较大 自然通风过程中 室内湿空气随气流流 动与室外环境不断进行对流和扩散 这个过程可用 组分传输守恒方程描述 null nullnull null nullnull null null null nullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull null nullnull null null nullnull null 式中 nullnull 为混合物中第 null 种组分的质量分数 nullnull 为 物质的扩散通量 由浓度梯度产生 nullnull 为化学反应 的净产生速率 nullnull 为离散相及用户自定义的源项导 致的额外产生速率 nullnull null 为第 null 种组分的质量扩散 系数 湿空气中水蒸气的质量浓度 null 满足质量守恒 方程 nullnull null nullnull null nullnull null null nullnull null nullnullnull null null nullnull null nullnullnull null null nullnull null nullnullnull null null nullnull nullnull nullnullnull null null null null nullnull nullnull nullnullnull null null null null nullnull nullnull nullnullnull null null nullnullnull null 组分传输守恒方程用于描述室内湿空气随空 气流动与室外环境进行的对流扩散 采用标准 nullnull 湍流模型进行计算 该模型在温室研究中收敛较 好 近壁区流动未充分发展加入标准壁面函数 方程 nullnullnullnull 作物模型 作物对气流流动施加机械张力 并与空气的质 量和能量平衡相互作用 nullnullnullnullnullnull 多孔介质模型 目前国内外在 nullnullnull 模拟中对作物的处理方法 主要有 null 种 一种是基于多孔介质方法建立作物对 气流的流体动力学解释 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 等则将作物分层 并在每一层输入不同的参数来表征作物与环境之间 的相互作用 nullnull 本研究采用植物多孔介质模型来 模拟植物的影响 植物对空气的拖拽效应通过基本方程的动量方 程源项来体现 假设植物为均匀的各向同性多孔介 质 有 null nullnullnull null null nullnullnull null nullnullnull null null null 式中 null null 为动量源项 null 为空气动力粘度 null null null null null 为多孔介质的渗透率 null 的取值为 nullnullnullnullnull nullnull null 为 非线性动量损失系数 null nullnull null 为空气速度 null null 由于空气粘度的数量级 nullnull nullnull 对比流体速度来 说很小 故式 null 可以改写为 null nullnullnull null null nullnullnull null null null 与方程 null 源项相对应的表征作物拖曳效应的动量 汇可以用公式表示为冠层的体积单位 nullnull 为 null nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull null 式中 nullnullnull 为叶面积密度 定义为叶面积指数和植 物高度的比值 null null null null 由试验测得 nullnull 为阻力系 数 本研究中取 nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull 能量平衡 作物接收到的辐射通量被转换为潜热和显热 能量平衡 nullnull 表示为 nullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull null 式中 nullnull 为作物冠层的净辐射 null null null null null 为恒压下 空气 的 比 热 null nullnull null nullnullnullnull 为 叶 面 积 指 数 null null null null nullnull 和 nullnull 为冠层和室内空气的温度 null nullnullnull 为 叶片的空气动力阻力 null null null 为水蒸发潜热 nullnull 和 nullnull 为叶片和空气的绝对湿度 nullnull null null nullnull 为叶片的 气孔阻力 null null 如果内部空气速度小于 nullnullnull 则气孔 阻力可以由式 nullnull 得出 nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnull 对流潜热通量由叶片气孔阻力模型确定 该模 型允许确定水蒸气从作物内部到叶片表面扩散 null 作物吸收的太阳辐射量通过蒸腾作用将其转化为汽 nullnullnull 中 国 农 业 大 学 学 报 nullnullnullnull年 第 nullnull卷 null 化潜热 并影响室内的湿度分布 将蒸腾潜热作为 一个组分 以自定义源项的形式添加到组分方程中 作物和环境之间的显热交换由作物冠层的空气动力 学特征决定 显热交换以能量的形式进行 显热量 在能量方程中以源项的形式定义 nullnullnullnullnullnull 物理模型 室内共 nullnull 垄黄瓜 每垄长约 nullnullnullnull 高 nullnullnullnull 宽 nullnullnullnull 因此将作物简化为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的六面体区域 对成熟期作物黄瓜进行建模处理并 设为作物区 作物区共包含 nullnull 个作物模型 由于靠 近地面处的根茎部分较为稀疏 孔隙率较大 因此在 距地面 nullnullnullnull 处的根茎部分建模时忽略不计 nullnullnullnull 网格生成及边界条件 采用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 软件进行几何建模 将计算区域划分为 null 个部分 计算外域 计算内域 作物域 计算外域为 室外的长方体区域 温室为计算内域 位于长方体区 域中心 其背风面距计算外域出口的距离大于 nullnull 倍 建筑物的高度 网格生成通过 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 中的 nullnullnullnull 软件 使用非结构化四面体网格对计算 域进行划分 温室网格尺寸设置为 nullnullnullnull 加密顶 窗 侧窗及作物区的网格 使其网格尺寸为 nullnullnullnull 共生成网格 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 个 总体网格质量在 nullnullnullnull 以 上 网 格 扭 曲 度 在 nullnullnullnull 以 下 平 均 网 格 质 量 为 nullnullnullnullnullnullnull 平均网格扭曲度为 nullnullnullnullnullnullnull 确定边界条件并将其包含在 nullnullnull 模型中的方 式对数值结果的质量起着至关重要的作用 边界条 件根据试验测试数据设置 在辐射模型中设定棚膜 对可见光和近红外光的吸收率和透射率 以模拟其 对不同波长的选择性 温室内外的能量通过棚膜及 墙体以对流 热传导和辐射 null 种形式进行热交换 温室墙体设为耦合边界条件 东西侧墙和室内考虑 太阳辐射影响 其余不参与辐射计算 天空对太阳辐射的吸收能力可以由等效的天空 温度描述 晴朗无云的天气情况下 等效的天空温 度 nullnull 为 nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnull 式中 nullnull 为室外空气温度 null 表 null null 主要材料的光学和热学属性 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 参数 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull膜 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 砖墙 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 土壤 nullnullnullnull 作物 nullnullnullnull 空气 nullnullnull 密度 null null null null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 比热容 null null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnulln