管道送风系统对塑料大棚气流场和温度场影响的CFD模拟.pdf

中国农业大学学报 2 0 2 3 2 8 8 2 7 2 2 8 1 J o u r n a l o f C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y h t t p z g n y d x x b i j o u r n a l s c n 赵娜 李明 赵淑梅 宋卫堂 石谓 管道送风系统对塑料大棚气流场和温度场影响的C F D模拟 J 中国农业大学学报 2 0 2 3 2 8 0 8 2 7 2 2 8 1 Z H A O N a L I M i n g Z H A O S h u m e i S O N G W e i t a n g S H I W e i C F D s i m u l a t i o n o n t h e i n f l u e n c e s o f p i p e a i r s u p p l y s y s t e m o n a i r f l o w f i e l d a n d t e m p e r a t u r e f i e l d i n p l a s t i c t u n n e l J JournalofChinaAgriculturalUniversity 2 0 2 3 2 8 0 8 2 7 2 2 8 1 D O I 1 0 1 1 8 4 1 j i s s n 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 8 2 2 管道送风系统对塑料大棚气流场和温度场影响的CFD模拟 赵娜1 李明1 2 赵淑梅1 2 宋卫堂1 2 石谓1 1 中国农业大学水利与土木工程学院 北京1 0 0 0 8 3 2 农业部设施农业工程重点实验室 北京1 0 0 0 8 3 摘 要 针对塑料大棚自然通风能力有限 作物冠层气流速度过小 温度分布不均匀等问题 设计一种适用于塑料 大棚的作物行间管道送风系统 构建C F D模型对该系统的应用效果进行模拟分析 通过实测数据对理论模型进行 验证 温度和风速的模拟值与实测值的最大相对误差分别为4 7 和8 1 平均相对误差分别为1 6 和 3 0 模拟值与实测值吻合良好 模型具有较好的可靠性 结果表明 管道送风系统开启后 室内平均风速为 0 2 m s 不同高度平面内适宜区 风速范围0 1 0 5 m s 面积占总面积的比例在6 9 以上 管道送风系统促使 冷空气向上流动 塑料大棚顶部温度下降了1 0 0 5与2 0 m高度平面的平均温差减小了0 4 在作物行间 开展主动送风 可有效改善塑料大棚内的气流环境和温度分布 关键词 塑料大棚 管道送风 温度 流场 计算流体力学 中图分类号 S 6 2 5 2 S 6 2 5 3 文章编号 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 8 0 2 7 2 1 0 文献标志码 A 收稿日期 2 0 2 2 1 0 0 6 基金项目 国家重点研发计划项目 2 0 2 0 Y F D 1 0 0 0 3 0 3 北京市设施蔬菜创新团队项目 B A I C 0 1 2 0 2 2 第一作者 赵娜 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 1 8 6 9 4 3 1 7 0 硕士研究生 E m a i l 1 5 8 1 0 2 9 3 0 8 0 1 6 3 c o m 通讯作者 赵淑梅 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 2 6 2 8 9 1 0 2 7 教授 博士生导师 主要从事农业建筑环境工程研究 E m a i l z h a o s h u m c a u e d u c n C F D s i m u l a t i o n o n t h e i n f l u e n c e s o f p i p e a i r s u p p l y s y s t e m o n a i r f l o w f i e l d a n d t e m p e r a t u r e f i e l d i n p l a s t i c t u n n e l Z H A O N a 1 L I M i n g 1 2 Z H A O S h u m e i 1 2 S O N G W e i t a n g 1 2 S H I W e i 1 1 CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering ChinaAgriculturalUniversity Beijing100083 China 2 KeyLaboratoryofAgriculturalEngineeringinStructureandEnvironmentofMinistryof AgricultureandRuralAffairs Beijing100083 China A b s t r a c t Aimingattheproblemsoflimitednaturalventilationcapacityinplastictunnel toolowairflowvelocityincrop canopy uneventemperaturedistribution etc apipeairsupplysystembetweencropsinplastictunnelwas designed CFDmodelwasbuilttosimulateandanalyzetheapplicationeffectofthesystem Thetheoreticalmodelwas verifiedbythemeasureddata Themaximumrelativeerrorsofthesimulatedandmeasuredvaluesoftemperatureand windspeedarerespectively4 7 and7 1 andtheaveragerelativeerrorsarerespectively1 6 and3 0 The simulatedandmeasuredvaluesareingoodagreement whichindicatesthatthemodelhasgoodreliability Theresults showthat Afterthepipeairsupplysystemisturnedon theaveragewindspeedreaches0 2m s theareaof suitablearea windspeedrange0 1 0 5m s accountsorethan69 Thepipeairsupplysystempromotes theupwardflowofcoldair thetemperatureatthetopoftheplasticgreenhousedroppedby1 0 andtheaverage temperaturedifferencebetween0 5mand2 0mheightplanesdecreasedby0 4 Inconclusion thatactiveair supplybetweencroprowscaneffectivelyimprovetheairflowenvironmentandtemperaturedistributioninplastictunnel K e y w o r d s plastictunnel pipeairsupplysystem temperature flowfield computationalfluiddynamics 第8期赵娜等 管道送风系统对塑料大棚气流场和温度场影响的C F D模拟 塑料大棚是我国主要的园艺设施 具有结构简 单 投资较少 使用方便等特点 1 但塑料大棚大多 缺乏环境调控装备 主要依靠自然通风调控室内温 度 湿度 气流及C O 2浓度 已有研究 2 表明 在仅 有自然通风的条件下 大棚内作物行间气流速度几 乎为零 即作物冠层内部空气基本处于停滞状态 这不仅会导致室内空气温湿度分布不均 也会进一 步影响作物的光合作用 蒸腾作用 3 5 在园艺设施中使用较多的气流扰动方式是安装 扰流风机 6 8 与管道送风系统 管道送风系统的相 关研究包括 在荷兰半封闭温室中 将经过调节的空 气通过风机和柔性材料制成的风管送入种植区 改 善作物冠层内部的环境 9 1 0 在我国大型玻璃连栋 温室建立正压管道通风降温系统 对风机 送风管道 进行设计 并进行生产试验 1 1 在植物工厂内对送 风管道的管孔直径 管孔数量及进风口风速等因素 对作物冠层气流分布的影响进行探究 1 2 1 4 在日光 温室内设计构建管道送风系统并分析其应用效 果 1 5 上述研究为管道送风系统在玻璃连栋温室 植物工厂 日光温室中的应用提供了理论依据 但在 设施园艺总规模中占比最大的塑料大棚 目前还缺 乏管道送风系统的设计以及环境影响的相关研究 本研究拟设计一套适用于塑料大棚作物行间主 动送风的管道送风系统 并构建塑料大棚作物行间 管道送风系统C F D模型 1 6 2 2 通过现场试验对模型 进行验证 研究管道送风系统对塑料大棚内气流分 布与温度分布的影响 以期为提高塑料大棚的针对 性调控能力 改善棚内气流环境和温度分布提供理 论依据 1 试验大棚及送风系统设计 1 1 试验大棚 本研究选取的试验大棚位于浙江省温州市鹿城 区藤桥镇温州种子种苗科技园区内 北纬2 8 0 8 东 经1 2 0 5 1 该地区属亚热带季风气候 夏季大棚内 高温高湿 对于气流调控的需求十分迫切 试验大 棚为东西走向 长3 0 m 宽9 6 m 屋脊高度4 5 m 肩高2 2 m 覆盖材料为单层聚乙烯薄膜 温室侧窗 卷膜开度为1 0 m 顶窗卷膜开度为1 0 m 大棚 内定植番茄 东西垄向种植 共5垄 试验期间番茄 处于结果期 番茄冠层高度约2 0 m 1 2 送风系统设计 管道送风系统由风机和送风管道构成 送风管 道表面开设出风口 为使系统在解决塑料大棚环境 调控存在问题的同时 能兼具节约空间 易于制作的 特点 本研究采用等截面送风管道设计方式 管道 送风系统的具体设计过程如下 首先根据射流断面 目标风速计算孔口出流速度 其次估算管道的摩擦 阻力与局部阻力 最后进行风机选型 1 2 1 设计理论 1 孔口出流速度与孔口偏转角度 根据孔口射 流理论 孔口出流速度由射流断面目标风速推算得 出 射流断面平均速度根据式 1 计算 2 3 v v0 0 0 9 5 ax d0 0 1 4 7 1 式中 v为圆形孔射流断面平均速度 m s v0为出 风口的速度 m s a为射流湍流系数 圆形孔口 取 0 0 8 x为距离出风口的距离 m d0为出风口半 径 m 孔口偏转角度根据射流角度确定 原则是射流 基本段中心线应处于作物冠层位置 2 管道内空气流动的阻力 p由摩擦阻力 pm 和局部阻力 pz组成 2 4 pm Rm l 2 Rm D v 2 2 3 式中 Rm为管道单位长度的摩擦阻力 也称比摩 阻 P a m l为管道长度 m 为沿程阻力系数 v 为管道内气体的平均流速 m s 为管道内空气的 密度 k g m 3 D为管道直径 m pz v 2 2 4 式中 为局部阻力系数 3 风机选型 送风系统中存在送风阻力计算不 准确的问题 需要对压力进行修正 2 4 修正公式为 pf pKp 5 式中 pf为风机的风压 P a Kp为风压附加系数 取 1 2 0 1 2 2 系统参数 本研究将0 1 0 5 m s作为有效扰流风速 为避免轴心速度过大对作物生长产生不利影响 以 植物冠层上部位置处的射流断面平均流速为0 3 m s 来进行设计 塑料大棚内作物行中心距为1 8 m 走道宽度0 6 m 管道截面有左右2个出风口 孔 口偏转角为1 5 由式 1 得孔口出流速度应为 1 6 9 m s 根据大棚内管道布置空间 确定主管直 372 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 径为3 0 0 m m 出风口直径确定为3 0 m m 相邻两排 出风口的间距设置为1 0 m 管道长度2 0 m 送风 管道的材料选择P E软质薄膜材料 有密度低 吸尘 少 易收放的优点 根据式 2 和式 4 得管内空气流动的阻力 p 约为1 8 0 P a 由式 5 得风机的风压pf 2 1 6 P a 为满足试验中所需的风压要求 选取S F G 3 2型轴 流风机作为供试风机 风机额定风量为3 0 0 0 m 3 h 全压为2 3 0 P a 风机直径3 0 c m 额定功率3 7 0 W 每台风机单独设置控制开关 进行手动控制 受试 验条件限制 仅布置3条送风管道 2 CFD模拟 2 1 模型构建及网格划分 本研究根据试验塑料大棚尺寸确定几何模型的 相关参数 将大棚内部空间作为计算域 采用 I C E M软件建立三维实体模型 以大棚的西北角为 模型原点O 0 0 0 正南方向为X轴正向 正东方 向为Z轴正向 垂直向上为Y轴正向 将计算域进 行非结构化网格划分 为提升网格质量 对管道出风 口与近壁面区域进行局部加密处理 划分的网格模 型节点数为2 5万 网格总单元数为1 4 7万 网格质 量按照E q u i A n g l e S k e w n e s s标准进行控制 符合计 算要求 可以进行后续模拟 2 2 CFD模型方程 C F D数值模拟基本控制方程包括连续性方程 动量方程 能量方程 连续性方程 t xi ui 0 式中 为空气密度 k g m 3 t为时间 s xi为在i 方向上的坐标 m ui为i方向的速度分量 m s 动量方程 t ui xj uiuj xj ij gi xj i j 式中 i为i方向上的波动速度分量 m s j为j 方向上的波动速度分量 m s ij为应力张量的分 量 k g m s 2 gi为重力加速度在i方向上的分 量 m s 2 能量方程 Cp T t x j ujT xi f tCp Pt T xi ST 式中 Cp为空气比热容 J k g K T为空气温 度 K f为空气的导热率 W m K t为空气 湍流粘度 k g m s Pt湍流普朗特数 ST为能 量源项 W 大棚内气流流动具有较高的湍流特性 本研究 采用收敛性好 计算精度高的标准k 湍流模型对 大棚内气流流动过程进行求解 2 5 大棚近壁面区 域湍流发展不充分 因此引入标准壁面函数对近壁 面区域的流动进行处理 太阳辐射是影响大棚内温度分布的重要因素 离散坐标 D i s c r e t e o r d i n a t e s D O 辐射模型可以对 半透明介质内的辐射求解 而且考虑了散射的影响 因此选用D O辐射模型对塑料大棚辐射换热进行 求解 2 3 边界条件及材料属性 大棚中存在对流 传导和辐射3种传热机制 太阳辐射到达覆盖层之后 一部分被反射 一部分被 薄膜吸收使其自身温度升高 另一部分则透过薄膜 进入室内 大棚内部的热交换以对流为主 而室内 外环境之间以辐射和对流传热为主 大棚围护结构与地面设置为壁面 w a l l 边界 其中围护结构设置为对流边界条件 地面设置为耦 合边界条件 围护结构设为半透明材质 s e m i t r a n s p a r e n t 在辐射模型中分别设定其对可见光和 近红外光的吸收率和透射率 以模拟覆盖层对不同 波长短波辐射的选择性 实现辐射的耦合计算 将 送风管道系统的风机入口设置为风机 f a n 边界 管 道出风口设置为内部 i n t e r i o r 边界 作物对周围气流存在一定的阻碍作用 会导致 气流动量的损失 进而对通风产生影响 本研究采 用等效各向同性多孔介质对作物冠层进行处理 当 稳态 低速 不可压缩的空气经过多孔介质时 其产 生的动量源项可以由D a r c y F o r c h e i m e r方程表 示 2 6 公式为 P Ku Cf K u2 6 式中 P为压降梯度 P a m 为气体黏性系数 取值1 4 8 1 0 6 m 2 s K为多孔介质渗透率 m 2 u 为气流速度 m s Cf为动量损失系数 量纲为1 C F D运算的边界条件粘滞阻力系数C1和惯性 阻力系数C2由式 7 和式 8 求得 C1 1K 7 472 第8期赵娜等 管道送风系统对塑料大棚气流场和温度场影响的C F D模拟 C2 2Cf K 8 Cf和K由式 9 和式 1 0 求得 2 6 LCD Cf K 9 K d 2 p 1 8 0 1 2 1 0 式中 CD为作物冠状层阻力系数 L为叶面积密度 m 2 m 3 dp为番茄叶片平均长度 m 为多孔介质 的孔隙度 本试验中番茄叶片平均长度dp 0 2 m 冠层 孔隙度 0 9 9 可得渗透率K 0 5 5 m 2 叶面积 密度L 2 5 m 2 m 3 作物冠状层阻力系数CD取 0 2 6 2 7 通过式 9 求得动量损失系数Cf 0 3 9 结合式 7 和式 8 得C1 1 8 C2 1 3 使用B o u s s i n e s q模型 考虑温度变化引起的浮 升力作用对空气运动的影响 2 8 温室内材料的物 理特性参数见表1 1 6 1 7 表1 温室内材料的热物性参数 T a b l e 1 T h e r m a l p h y s i c a l p a r a m e t e r s o f g r e e n h o u s e m a t e r i a l s 材料 M a t e r i a l s 密度 k g m 3 D e n s i t y 导热系数 W m K C o e f f i c i e n t o f t h e r m a l c o n d u c t i v i t y 比热容 J k g K S p e c i f i c h e a t c a p a c i t y 吸收系数 A b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t 散射系数 S c a t t e r i n g c o e f f i c i e n t 发射率 E m i s s i v i t y 空气A i r 0 0 2 4 2 1 0 0 6 0 0 2 0 0 8 5 薄膜P l a s t i c f i l m 9 7 0 0 1 9 2 3 0 0 0 0 0 4 0 8 5 土壤S o i l 1 9 0 0 0 8 5 1 6 0 0 1 0 0 2 0 0 0 9 0 管道P i p e 1 2 4 0 0 1 4 2 3 0 0 0 0 0 4 作物P l a n t 5 6 0 0 1 9 2 1 0 0 0 4 6 0 0 6 5 2 4 数据计算 试验过程中外界温度稳定 风机运行状态稳定 可认为环境处于稳态 采用三维稳态方法求解控制 方程 求解过程选择基于压力求解器设置 将空气 重力考虑在内 控制方程采用基于有限体积的离散 方法 能量 动量方程离散格式为二阶迎风格式 各 欠松弛因子按默认值设置 使用S I M P L E C算法求 解压力耦合方程 求解时 能量残差收敛标准设为 1 0 6 辐射残差收敛标准设为1 0 5 其他变量残差 收敛标准设为1 0 3 3 试验方案 为验证C F D模型及边界条件的可靠性 采用2 个试验进行现场测定 试验1 塑料大棚内温度分布验证 选取不同 的天气状况 分别为2 0 2 1 0 6 0 8 阴天 与2 0 2 1 0 6 1 0 晴天 测试期间室外气温分别为2 7 8和3 2 0 与温州地区夏季白天平均温度接近 棚内温度均 3 4 以上 相对湿度在7 0 以上 属于高温高湿状 态 温州地区塑料大棚的现场试验表明 侧窗开启 时 对作物行间的气流影响十分微弱 2 封闭条件 下室内气流环境处于最不利状态 为了测试此条件 下管道送风系统的运行效果 试验期间关闭大棚通 风口 棚外气象条件由气象站采集 主要包括棚外 气温 太阳辐照值 以及风速和风向等 塑料大棚温 度测点位置见图1 选取Z 6 0 m截面 在Y 1 2 m高度布置4个温度测点 Y 1 8 m高度布置 2个温度测点 共6个温度测点 T 1 T 6 在Z 1 5 0 m截面 Z 2 1 0 m截面按照相同的方式布置 1 2个温度测点 T 7 T 1 8 在地下1 0 c m处布置 1个温度测点 T 1 9 用来测试土壤温度 空气温度 及土壤温度使用P t 1 0 0铂电阻测量 测试范围为 5 0 2 0 0 精度为 0 1 室内温度测点进行 遮光处理 防止太阳辐射对测量结果的影响 以上 传感器均连接到环境智能控制系统 由Y C 1 0 0 3型 数据采集仪转化为信号 R S 4 8 5通讯传输并储存 试验2 管道出风口风速验证 管道长度为 2 0 m 相邻两排出风口的间距设置为1 0 m 选取管 道一侧共1 9个出风口进行风速测量 按照到风机的 距离将出风口依次编号为 风机开启 3 0 m i n 运行状态达到稳定时 测量出风口中心点风 速 风速测量采用K a n o m a x热式风速风量仪 测试 572 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 图1 塑料大棚温度测点布置 F i g 1 M e a s u r e m e n t p o i n t l a y o u t o f p l a s t i c g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r 范围为0 0 1 3 0 0 m s 精度为读取数值的 3 4 结果与讨论 4 1 CFD模型验证 4 1 1 大棚温度模拟验证 2 0 2 1 0 6 0 8 阴天 与2 0 2 1 0 6 1 0 晴天 温度模 拟值与实测值见图2 绝对偏差为0 0 7 1 6 4 最大相对误差为4 7 平均相对误差为1 6 温度模拟值与实测值吻合良好 出现误差的原因 主要在于 模拟中忽略了周围大棚对于试验大棚 的影响以及室内热空气通过围护结构的缝隙向外 渗透 测点T 1 T 1 8位置具体见图1 T h e m e a s u r i n g p o i n t p o s i t i o n i s s h o w n i n F i g 1 图2 典型天气条件下塑料大棚内部温度实测值与模拟值 F i g 2 M e a s u r e d a n d s i m u l a t e d t e m p e r a t u r e v a l u e s i n p l a s t i c t u n n e l u n d e r t y p i c a l w e a t h e r c o n d i t i o n s 4 1 2 管道风速模拟验证 为验证模型的准确性 将送风管道出风口中心点 的风速模拟值与实测值进行比较 结果见图3 风速 模拟值与实测值的绝对偏差为0 0 2 1 0 4 m s 最 大相对误差为8 1 平均相对误差为3 0 吻合 良好 模拟结果较好反映了实际情况 表明本研究 所构建的C F D模型是有效的 可以用于数据分析和 后续的模拟研究 672 第8期赵娜等 管道送风系统对塑料大棚气流场和温度场影响的C F D模拟 出风口编号 选取管道一侧按出风口到风机的距离由小到大依次编号 相邻出风口间距1 m O u t l e t n u m b e r s e l e c t o n e s i d e o f t h e p i p e a n d n u m b e r i t f r o m s m a l l t o l a r g e a c c o r d i n g t o t h e d i s t a n c e f r o m t h e o u t l e t t o t h e f a n a n d t h e d i s t a n c e b e t w e e n a d j a c e n t a i r o u t l e t s i s 1 m 图3 管道出风口风速模拟值与实测值 F i g 3 M e a s u r e d a n d s i m u l a t e d v e l o c i t y a t t h e o u t l e t o f t h e p i p e 4 2 CFD仿真结果与分析 4 2 1 大棚空气流场分布特性 在大棚内形成合适的空气流场 是管道送风系 统设计的重要目标之一 图4为管道送风系统开启 与关闭情况下塑料大棚内部Z 1 0 0 m截面的气 流分布云图 可以看出 在管道送风系统开启情况 下 送风管道上方整体气流速度较大 随着气流的扩 散 气流速度逐渐衰减 气流束到达作物冠层区域 时 气流速度已经衰减至0 7 m s以下 不会由于风 速过大而对作物生长产生影响 而在管道送风系统 关闭情况下 大棚内部平均风速在0 0 2 m s 空气 几乎处于停滞状态 图4 管道送风系统开启或关闭时塑料大棚内部Z 10 0m截面气流分布云图 F i g 4 C l o u d c h a r t o f a i r f l o w d i s t r i b u t i o n o fZ 1 0 0 m i n p l a s t i c t u n n e l w h e n a i r s u p p l y s y s t e m i s t u r n e d o n o r o f f 为探究管道送风系统开启时大棚内的气流分布 情况 选取不同高度平面即Y 0 5 1 0 1 5和 2 0 m平面进行分析 结果见图5 不同高度平面的 气流分布略有差异 但整体分布模式类似 风速较大 位置都集中在出风口上方气流束所在位置 并在该 平面形成一系列射流风速较高的圆形区域 除气流 束所在位置外 平面内其他区域风速较小 气流在气 孔与气孔之间存在一定面积的停滞区 为使气流分 布更加均匀 可以减小孔口间距 或者增大进风口的 风速 减小停滞区面积 将0 1 0 0 5 0 m s风速作为有效风速范围 利用C F D软件计算平面内气流速度在适宜区的面 积占总面积的比例 随着高度增加 风速逐渐衰 减 气流速度小于0 1 m s的区域所占的比例逐 772 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 渐增大 有效风速范围所占的比例略有减小 0 5 1 0 1 5和2 0 m高度达到目标风速的面积分别 占总面积的7 9 7 4 6 9 和6 9 随着高度 的增加 射流束区域逐渐向外延展扩大 在高度分 别为0 5 1 0 1 5和2 0 m时 风速的平均值分 别为0 1 9 0 2 2 0 2 3和0 2 4 m s 平均风速逐渐 升高 但是整体差异较小 从低到高气流分布均匀 性逐渐增强 图5 塑料大棚内不同高度 Y 平面气流分布云图 F i g 5 C l o u d c h a r t o f a i r f l o w d i s t r i b u t i o n a t d i f f e r e n t h e i g h t Y i n p l a s t i c t u n n e l 为了解出风口空气出流方向 对塑料大棚内 管道剖面气流分布进行分析 剖切方向与管道出 风口偏转方向一致 如图6所示 管道出风口的 气流分布与出风口到风机的距离有一定关联 管 道前端离风机最近的出风口风速偏转角较大 离 风机越远的位置出风口风速越趋于垂直 送风均 匀性越好 图6 塑料大棚内管道剖面气流分布云图 F i g 6 C l o u d c h a r t o f a i r f l o w d i s t r i b u t i o n a t p i p e p r o f i l e i n p l a s t i c t u n n e l 整体看 使用管道送风系统在一定范围内获得 了较好的空气扰动效果 在管道送风系统关闭条件 下 空气几乎处于停滞状态 通过管道送风系统的主 动调节 平均风速可以达到0 2 m s 对棚内气流速 度产生了积极影响 4 2 2 大棚空气温度分布特性 管道送风系统开启或关闭情况下 塑料大棚横 截面温度均为由上至下递减 随高度呈梯度分布 图7 塑料大棚顶部的覆盖层吸收太阳辐射的热 量 并通过对流换热向室内释放热量 大棚内高温区 域集中在大棚顶部 近地面吸收热量 故温度较低 大棚四周近壁面的温度相对较高 温差较大 主要是 因为壁面热辐射的影响 由于风机进风口靠近地面较冷区域 在作物冠 层形成了循环气流 增强了棚内空气的混合度 促使 大棚下部的冷空气向上流动 对顶部区域起到了一 定的降温效果 从温度分布上看 管道送风系统关 闭的情况下 0 5与2 0 m高度平面温差可以达到 0 7 在管道送风系统开启的情况下 大棚顶部区 域温度下降 低温区域 3 3 3 4 范围增大 0 5 与2 0 m高度平面温差减少约0 4 872 第8期赵娜等 管道送风系统对塑料大棚气流场和温度场影响的C F D模拟 图7 管道送风系统开启或关闭时塑料大棚内部Z 10 0m截面温度分布云图 F i g 7 C l o u d c h a r t o f t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o fZ 1 0 0 m i n p l a s t i c t u n n e l w h e n a i r s u p p l y s y s t e m i s t u r n e d o n o r o f f 4 3 系统成本分析 管道送风系统的费用主要是风机 P E塑料管 道以及系统运行所耗电费 投资成本方面 试验设 计的管道送风系统包含3条送风管道 每条管道长 度为2 0 m 每条管道的投资成本为6 0元 风机价 格5 2 0元 台 系统总投资1 7 4 0元 如果按所服务 的种植区域进行核算 约为1元 m 2 运行成本方 面 系统安装的风机功率为0 3 7 k W 现场平均每天 试验时间为2 5 h 则每台风机每天耗电量为 0 9 2 5 k W h 根据温州地区居民用电0 5 3 8元 k W h 计算 单根送风管道运行所耗电费约为0 5元 d 按 所服务的种植区域进行核算 每天电费约为 0 0 1元 m 2 5 结 论 本研究设计了一种适用于塑料大棚的作物行间 管道送风系统 并构建C F D模型 在通过实测数据 验证C F D模型可靠的基础上 对该系统的应用效果 进行模拟分析 结论如下 1 利用C F D模拟管道送风系统对大棚内气流 场与温度场分布情况的影响 将模拟值与实测值进 行对比 管道出风口风速最大相对误差为8 1 平 均相对误差为3 0 温度测点的最大相对误差为 4 7 平均相对误差为1 6 模拟值与实测值吻 合 模拟效果良好 2 管道送风系统对空气流场的分布产生了积极 影响 改善了气流环境 管道送风系统送风范围内 平均风速为0 2 m s 平面内适宜区 风速范围为 0 1 0 5 m s 面积占总面积的比例在6 9 以上 送风系统管道孔口出流方向与管道侧壁近似垂直 在设计长度范围内 送风均匀性较好 3 管道送风系统促进冷空气向上流动 塑料大 棚顶部温度下降了1 0 0 5与2 0 m高度平面 的平均温差减小了0 4 对高温部位有一定的降 温效果 棚内温度分布更加均匀 综上 管道送风系统在温州地区塑料大棚内可 以有效改善气流环境 提高温度分布均匀性 对其他 地区的推广应用具有很好的指导意义 本试验只研究了管道长度为2 0 m时大棚内的 气流分布情况 实际使用中如果采用更长的管道 可 能会存在随管道长度增加出风口风速分布不均匀等 问题 管道的结构和工艺尚需进行进一步优化 下 一步将在系统优化的基础上 进一步扩大试验范围 更全面地研究并优化系统的应用效果 参考文献 References 1 周长吉 周博士考察拾零 七十五 大跨度保温塑料大棚的实践与创新 上 J 农业工程技术 2 0 1 7 3 7 3 4 2 0 2 7 Z h o u C J N o t e s o n D r Z h o u s i n v e s t i g a t i o n 7 5 P r a c t i c e a n d i n n o v a t i o n o f l a r g e s p a n i n s u l a t e d p l a s t i c g r e e n h o u s e s P a r t J AgriculturalEngineeringTechnology 2 0 1 7 3 7 3 4 2 0 2 7 i n C h i n e s e 2 石谓 温州地区单体塑料大棚行间管道送风系统研究 D 北京 中国 农业大学 2 0 2 0 S h i W S t u d y o n i n t e r r o w a i r s u p p l y s y s t e m f o r s i n g l e p l a s t i c g r e e n h o u s e i n W e n z h o u a r e D B e i j i n g C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 0 i n C h i n e s e 3 T h o n g b a i P K o z a i T O h y a m a K C O 2 a n d a i r c i r c u l a t i o n e f f e c t s o n 972 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 p h o t o s y n t h e s i s a n d t r a n s p i r a t i o n o f t o m a t o s e e d l i n g s J Scientia Horticulturae 2 0 1 0 1 2 6 3 3 3 8 3 4 4 4 杨振超 邹志荣 王军 陈双臣 李建明 温室内气流运动速率对厚皮 甜瓜生长发育的影响 J 农业工程学报 2 0 0 7 2 4 3 1 9 8 2 0 1 Y a n g Z C Z o u Z R W a n g J C h e n S C L i J M E f f e c t s o f a i r s p e e d i n g r e e n h o u s e o n t h e g r o w t h o f m u s k m e l o n p l a n t s J Transactionsofthe ChineseSocietyofAgriculturalEngineering 2 0 0 7 2 3 3 1 9 8 2 0 1 i n C h i n e s e 5 S h i b u y a T T s u r u y a m a J K i t a y a Y K i y o t a M E n h a n c e m e n t o f p h o t o s y n t h e s i s a n d g r o w t h o f t o m a t o s e e d l i n g s b y f o r c e d v e n t i l a t i o n w i t h i n t h e c a n o p y J ScientiaHorticulturae 2 0 0 6 1 0 9 3 2 1 8 2 2 2 6 K u r o y a n a g i T C u r r e n t u s a g e o f a i r c i r c u l a t o r s i n g r e e n h o u s