哈爾濱冬季溫室的氣流組織情況分析

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1、哈爾濱冬季溫室的氣流組織情況分析 　　引言 　　隨著農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，設施農(nóng)業(yè)在我國得到了廣泛的應用。目前，我國設施農(nóng)業(yè)面積達到了 140 萬hm2，已成為世界第一大設施栽培大國。其中，溫室已經(jīng)達到了 500hm2多，而且每年大型溫室的增長量都達上百公頃，日光溫室在寒冷的北方廣受青睞。冬季為了保持室溫，溫室密閉且不進行通風，室內(nèi)空氣處于停滯狀態(tài)。停滯的空氣會導致植物表面形成境界層，影響作物的生理作用，并且為病害繁殖創(chuàng)造了良好的環(huán)境; 在極寒冷的地區(qū)，冬季溫室還會引入加熱設備，停滯的空氣使熱量不能有效地擴散，也會造成溫度分布不均勻和溫度偏低等現(xiàn)象，影

2、響植物的正常生長。優(yōu)化溫室的氣流組織，使溫室內(nèi)氣體流動，可以在一定程度上解決上述問題，改善溫室環(huán)境，提高溫室產(chǎn)量。 　　1 模型及計算條件 　　1． 1 溫室?guī)缀文Ｐ? 　　實驗采用哈爾濱地區(qū)某日光溫室，溫室冬季采用熱水供熱系統(tǒng)。溫室全長 60m，中部被 pc 板隔開，形成兩個溫室環(huán)境，實驗選取其中一個。實驗溫室長27． 5m，跨度 7m，脊高 3． 5m，后墻高 2． 5m，后坡水平投影 1． 5m。日光溫室?guī)缀文Ｐ腿鐖D 1 所示。【圖1】　　　　1． 2 溫室 CFD 模型 　　1． 2． 1 湍流模型 　　參考相關(guān)文獻，加熱條件下溫室內(nèi)氣流可看成湍流流動。三維湍流數(shù)值模擬方法可以

3、分為直接數(shù)值模擬方法和非直接數(shù)值模擬方法兩種。其中，非直接數(shù)值模擬方法又分為大渦模擬、統(tǒng)計平均法和Reynolds 平均法 3 種。Reynolds 平均法對工程實際應用可以取得很好的效果，而且避免了大計算量的問題，因此是目前使用最為廣泛的湍流數(shù)值模擬方法。 　　根據(jù)溫室的情況及各數(shù)值模擬方法的適用范圍，選取Reynolds 平均法中的標準 k － ε 模型進行數(shù)值模擬計算。標準 k － ε 模型的輸運方程為【1】　　　　其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能 k 的產(chǎn)生項; Gb是由于浮力引起的湍動能 k 的產(chǎn)生項; YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻; C

4、1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù); σk、σε分別是與湍動能 k 和耗散率 ε 對應的Prandtl 數(shù); Sk、Sε是用戶定義的源項。 　　高 Re 數(shù)的湍流模型針對充分發(fā)展的湍流才有效; 對近壁區(qū)內(nèi)的流動，湍流發(fā)展并不充分，必須采用特殊處理方式，可以采用低 Re 數(shù) k － ε 模型或壁面函數(shù)法。低 Re 數(shù) k － ε 模型要求在近壁面區(qū)域劃分比較細密的網(wǎng)格，而壁面函數(shù)法不需要在壁面區(qū)加密，因此實驗采用壁面函數(shù)法處理近壁面區(qū)域。 　　1． 2． 2 基本控制方

5、程 　　實驗模型選擇的溫室冬季室外氣溫很低，因此并不會開窗通風，室內(nèi)氣體壓強變化不大。根據(jù)溫室內(nèi)氣流特點，為了便于處理溫差帶來的浮升力項，采用Boussinesq 來簡化加熱空氣產(chǎn)生的自然對流。 　　流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。如果流動處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程?？刂品匠痰耐ㄓ眯问綖椤?】　　　　其中，Φ為通用變量，可以代表 u 、v 、w 、T 等求解變量; Γ 為廣義擴散系數(shù); S 為廣義源項。 　　1． 2． 3 輻射模型 　　溫室受加熱設備的熱輻射影響，同時熱輻射也是溫室夜間熱

6、量損失的重要原因之一，溫室內(nèi)環(huán)境通過輻射相互及與外界進行能量交換。實驗溫室采用熱水供熱系統(tǒng)，傳熱方式主要有輻射和對流，大部分熱量是通過輻射傳遞到周圍環(huán)境中的。CFD 可以提供 5種輻射模型，其中離散坐標輻射模型( DO 模型) 使用范圍最廣，計算范圍涵蓋了從表面輻射、半透明介質(zhì)輻射到燃燒問題中出現(xiàn)的介入輻射在內(nèi)的各種輻射問題?？紤]到半透明介質(zhì)、空氣對輻射的吸收率較低并且需要進行耦合傳熱計算等問題，選取 DO 模型計算輻射的影響。輻射方程為【3】　　　　其中，r→為位置向量; s→為方向向量;→s 為散射方向; a 為吸收系數(shù); n 為折射系數(shù); σs為散射

7、系數(shù); σ 為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù); I 為輻射強度，依賴于 r→、s→; T為當?shù)販囟? F 為相位函數(shù); O 為空間立體角。 　　2 網(wǎng)格的劃分及邊界條件選擇　　　　2． 1 計算域網(wǎng)格劃分 　　網(wǎng)格是 CFD 模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對 CFD 的計算精度和計算效率具有重要的影響。網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類。其中，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有極好的適應性，對于具有復雜邊界的流場問題尤其有效。根據(jù)溫室的情況，采用了非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進行了劃分，并對熱水管道進行了網(wǎng)格的加密。 　　2． 2 邊界條件 　　冬季溫室不與外界進行通風，而且內(nèi)部只存在

8、流固耦合傳熱，邊界條件全部設置為 Wall，地面給定實際測量的固定溫度，墻體及覆蓋材料為對流與外部輻射相結(jié)合的邊界類型。實驗溫室模型中沒有考慮植物的影響。 　　3 CFD 模擬分析 　　實驗模擬了白天供暖情況下溫室的狀態(tài)。通過對比模型所得溫室溫度與實測溫室溫度，來驗證模型的準確性。取室外溫度為－14． 85 ℃ 進行了模擬，選取了 72 個點測量溫度，并與實驗所得各點的溫度值進行了比較，最大誤差為 1． 5℃，可以認為模型建立基本準確。 　　首先對不通風情況下的溫室模型的速度場進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在不通風的情況下，溫室內(nèi)各處速度為零，也就是溫室內(nèi)只靠熱力的浮升與擴散并不能產(chǎn)生有效的氣

9、流組織，基本沒有氣體流動，選取了 z =16m 斷面的速度場分布圖，如圖 2 所示。【圖2】　　　　通過對溫室模型的初步分析可以看出: 冬季溫室的速度場分布狀況很不理想，溫室內(nèi)的氧氣與二氧化碳不能很好地流通，容易造成二氧化碳濃度過高或過低等問題，影響植物的光合作用及呼吸作用，不能為植物的生長提供良好的環(huán)境。因此，提出溫室內(nèi)氣流組織的優(yōu)化?！　　　? 模型初步優(yōu)化 　　冬季溫室并不進行通風換氣，因此在溫室中加入內(nèi)循環(huán)風扇對于形成理想的氣流組織、充分混合室內(nèi)空氣有很大的幫助。根據(jù)實驗溫室的實際情況，結(jié)合相關(guān)資料，按照每分鐘溫室體積喚起率不低于0． 3 次的要求，在溫室中添加 2 臺內(nèi)循環(huán)風扇，放

10、置于溫室的對角線上。同時，選取截面 z=16m 進行分析，圖 3 為該截面的速度矢量分布圖。從圖 3 可以看出: 　　由于內(nèi)循環(huán)風扇的作用，在靠近中部下方和傾斜面處的速度最大，速度矢量密集; 在靠近地面附近的速度矢量向上，在傾斜面附近的速度矢量向下，形成了一個循環(huán)圈，室內(nèi)產(chǎn)生了一個較好的速度場?！緢D3】　　　　取 y=0． 25m 的截面進行分析，圖 4 為該截面的速度等值線圖。由圖 4 可以看出: 溫室大部分區(qū)域都已經(jīng)有了速度分布，靠近兩側(cè)的等值線密集，速度變化較大，中間部分速度變化平緩?！緢D4略】　　　　對溫室整體的速度場也進行了分析，圖 5 為溫室整體的速度矢量圖。從圖 5 可以看出:

11、 在內(nèi)循環(huán)風扇附近，矢量圖密集，風速較大; 在圖中標注跡線，表明室內(nèi)的氣體由于內(nèi)循環(huán)風扇的作用，在室內(nèi)流動形成了循環(huán)圈，出現(xiàn)了較好的氣流組織。【圖5略】　　　　5 結(jié)論 　　從溫室模型模擬結(jié)果可以看出: 在不進行通風的情況下，冬季溫室內(nèi)氣體不流通，沒有形成有效的氣流組織，溫室環(huán)境不理想。在溫室中增加內(nèi)循環(huán)風扇進行初步優(yōu)化后，根據(jù)相應的模擬結(jié)果可以看出: 溫室內(nèi)出現(xiàn)較好的氣流組織，不僅改善了氣體停滯狀態(tài)，而且有助于改善溫度場的均勻性，使溫室整體環(huán)境有了很大的提高，優(yōu)化了植物的生長環(huán)境。選擇最佳的位置安置內(nèi)循環(huán)風扇，使溫室內(nèi)達到最佳的氣流組織，這是以后研究的主要方向。 　　參考文獻: 　?。?］ 齊飛． 我國溫室及配套設備產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］． 上海農(nóng)業(yè)學報，2005，21( 1) : 53－57．　?。?］ 佚名． 溫室內(nèi)循環(huán)風扇之作用與安裝［DB/OL］． ( 2012－03－01) ．　?。?］ 趙雯倩． 計算流體力學在溫室通風中的應用研究［J］． 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011( 8) : 23－27 ．