不同風(fēng)況和開窗配置對(duì)夏季單棟塑料溫室微氣候的影響

<p>農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào)不 同 風(fēng) 況 和 開 窗 配 置 對(duì) 夏 季 單 棟 塑 料 溫 室微 氣 候 的 影 響 *何科奭 1陳大躍2孫麗娟3劉正魯4(1.上 海 交 通 大 學(xué) 機(jī) 械 與 動(dòng) 力 工 程 學(xué) 院 ， 上 海 200240； 2.上 海 交 通 大 學(xué) 電 子 信 息 與 電 氣 工 程 學(xué) 院 ， 上 海 200240； 3.中國(guó) 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 研 究 院 作 物 科 學(xué) 研 究 所 ， 北 京 100081； 4.上 海 孫 橋 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 園 區(qū) ， 上 海 201210)摘 要 ： 以 華 東 地 區(qū) 種 植 著 空 心 菜 的 單 棟 塑 料 溫 室 為 研 究 對(duì) 象 構(gòu) 建 其 全 尺 度 計(jì) 算 流 體 力 學(xué) 模 型 (CFD 模 型 )。 該 模 型經(jīng) 現(xiàn) 場(chǎng) 實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證 ， 其 計(jì) 算 值 與 各 測(cè) 點(diǎn) 溫 度 實(shí) 驗(yàn) 值 變 化 趨 勢(shì) 吻 合 且 差 異 在 1.1°C 以 內(nèi) 。 隨 后 ， 通 過 該 模 型 研 究 不 同 開 窗配 置 下 溫 室 內(nèi) 氣 流 和 溫 度 場(chǎng) 特 征 ， 評(píng) 估 開 窗 配 置 對(duì) 通 風(fēng) 率 、 室 內(nèi) 外 溫 差 和 室 內(nèi) 氣 候 均 勻 性 的 影 響 ， 揭 示 不 同 風(fēng) 況 下 溫室 微 氣 候 形 成 機(jī) 理 。 仿 真 結(jié) 果 表 明 ， 不 同 開 窗 配 置 會(huì) 產(chǎn) 生 截 然 不 同 的 溫 室 微 氣 候 場(chǎng) 。 頂 側(cè) 窗 配 置 下 溫 室 通 風(fēng) 率 最 高 ，室 內(nèi) 外 溫 差 最 小 ， 能 產(chǎn) 生 較 均 勻 的 室 內(nèi) 氣 候 ， 因 此 最 適 合 于 溫 室 夏 季 通 風(fēng) 。 不 同 風(fēng) 況 會(huì) 對(duì) 溫 室 內(nèi) 氣 流 和 溫 度 場(chǎng) 產(chǎn) 生 顯著 的 影 響 ， 進(jìn) 而 影 響 溫 室 降 溫 效 果 和 氣 候 均 勻 性 ； 當(dāng) 外 界 高 溫 低 風(fēng) 速 氣 候 條 件 下 ， 熱 壓 通 風(fēng) 起 主 導(dǎo) 作 用 ； 頂 側(cè) 窗 通 風(fēng)能 顯 著 地 提 高 溫 室 降 溫 效 果 ， 有 效 地 降 低 作 物 冠 狀 層 氣 溫 。關(guān) 鍵 詞 ： 單 棟 塑 料 溫 室 ； 微 氣 候 ； 風(fēng) 況 ； 開 窗 配 置 ； 計(jì) 算 流 體 力 學(xué)中 圖 分 類 號(hào) ： S625 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 ： A文 章 編 號(hào) ： × × （ 編 輯 部 制 作 ）Effects of Wind Regime and Vent Configuration on theMicroclimate in Tunnel Greenhouses in SummerHEKeshi1 CHENDayue2 SUNLijuan3 LIUZhenglu4(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China2. School of Electronics, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China3. Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China4. Sunqiao Modern Agriculture Development Zone, Shanghai 201210, China)Abstract: the effects of vent configuration and wind regime on the microclimate in the tunnel greenhousewere numerically investigated. A full scale computational fluid dynamics model (CFD model) wasconstructed based on a tunnel greenhouse cultivated with a water spinach in eastern China. The model wasfirst validated by comparing CFD simulations with experimental temperatures.The simulations have similartrendstothoseoftheexperimentswithlessthan1.1°Cdifference.Itwasthenemployedto:1)investigatethegreenhouseairflow andtemperature patternswith differentvent configurations; 2)evaluate theeffectofventconfiguration on the ventilation rate, the temperature difference between inside and outside, and the insideclimate homogeneity; and 3) reveal the greenhouse microclimate mechanism with different wind regimes.Simulations show that, different vent configurations induce different inside microclimate patterns andventilation performances. The roof plus side opening provides the highest ventilation rate, the minimumtemperature difference and a relatively uniform indoor climate, and thus can be recommended for summerventilation.Wind regime has a significant impact on the airflow and temperature patterns in the greenhouse,which considerably affects the cooling performance and the indoor climate homogeneity. With the weatherconditions of high temperature and low wind speed, thermal driven ventilation plays a remarkable effect onthe greenhouse microclimate. The roof and side opening can improve the greenhouse cooling performanceremarkablyandreducetheairtemperatureinthecropcanopyeffectively.K ey words ： tunnel greenhouse; microclimate; wind regime; vent configuration; computational fluiddynamics收 稿 日 期 ： 2017-3-9 修 回 日 期 ： 2017-4-12基 金 項(xiàng) 目 ： 上 海 市 科 技 興 農(nóng) 重 點(diǎn) 攻 關(guān) 項(xiàng) 目 （ 滬 農(nóng) 科 攻 字 （ 2009） 第 8-1 號(hào) ） 和 國(guó) 家 高 新 技 術(shù) 研 究 發(fā) 展 計(jì) 劃 （ 863 計(jì) 劃 ） 項(xiàng) 目 （ 2012AA10A505）作 者 簡(jiǎn) 介 ： 何 科 奭 (1981-)， 男 ， 博 士 ， 主 要 從 事 溫 室 環(huán) 境 控 制 、 溫 室 微 氣 候 數(shù) 值 模 擬 研 究 ， E-mail： lovejessiesjtu.edu.cn通 信 作 者 ： 陳 大 躍 (1958-)， 男 ， 教 授 ， 博 士 生 導(dǎo) 師 ， 主 要 從 事 農(nóng) 業(yè) 裝 備 、 溫 室 智 能 控 制 研 究 ， E-mail： dychensjtu.edu.cn網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-06-29 13:38:46網(wǎng)絡(luò)出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1964.s.20170629.1338.012.html農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào)引 言 單 棟 塑 料 溫 室 是 我 國(guó) 華 東 地 區(qū) 最 主 要 設(shè)施 類 型 。 這 類 溫 室 依 靠 自 然 通 風(fēng) 調(diào) 控 室 內(nèi) 氣候 。 華 東 地 區(qū) 屬 于 亞 熱 帶 氣 候 ， 夏 季 時(shí) 常 發(fā) 生浮 力 通 風(fēng) ， 且 常 遭 遇 高 溫 、 高 濕 、 強(qiáng) 輻 射 、 低風(fēng) 速 天 氣 。計(jì) 算 流 體 力 學(xué) （ CFD） 技 術(shù) 作 為 一 種 工 具用 于 研 究 溫 室 自 然 通 風(fēng) 始 于 L.OKUSHIMA等工 作1。 到 90年 代 中 后 期 ， 許 多 學(xué) 者 借 助 CFD技 術(shù) 研 究 溫 室 自 然 通 風(fēng) 微 氣 候 2-9。 對(duì) 于 華 東地 區(qū) 單 棟 塑 料 溫 室 ， 沈 明 衛(wèi) 等 10-11通 過 對(duì) 不 同風(fēng) 向 下 單 棟 塑 料 溫 室 內(nèi) 氣 流 場(chǎng) 的 仿 真 分 析 得出 了 風(fēng) 向 對(duì) 溫 室 內(nèi) 氣 流 分 布 具 有 主 導(dǎo) 作 用 。 王健 等 12比 較 了 不 同 開 窗 對(duì) 單 棟 塑 料 溫 室 內(nèi) 流場(chǎng) 的 影 響 ， 得 出 了 風(fēng) 壓 通 風(fēng) 下 天 窗 加 側(cè) 窗 是 最理 想 的 開 窗 方 案 。 陳 加 浪 等 13評(píng) 估 了 不 同 風(fēng) 速下 增 開 天 窗 對(duì) 單 棟 塑 料 溫 室 內(nèi) 流 場(chǎng) 的 影 響 。 郝飛 麟 等14-15揭 示 了 自 然 通 風(fēng) 下 單 棟 塑 料 溫 室內(nèi) 溫 濕 度 場(chǎng) 、 CO2濃 度 場(chǎng) 等 多 物 理 場(chǎng) 特 征 。 當(dāng)前 ， 依 舊 還 缺 乏 對(duì) 極 低 風(fēng) 速 下 (小 于 0.6m/s)溫室 微 氣 候 特 征 的 系 統(tǒng) 揭 示 。 本 文 擬 構(gòu) 建 單 棟 塑料 溫 室 CFD模 型 ， 探 索 開 窗 配 置 對(duì) 溫 室 內(nèi) 微 氣候 場(chǎng) 的 影 響 ， 通 過 溫 室 通 風(fēng) 效 果 的 評(píng) 估 來 優(yōu) 化開 窗 配 置 。 然 后 ， 研 究 極 低 風(fēng) 速 尤 其 是 浮 力 通風(fēng) 時(shí) 不 同 風(fēng) 速 和 開 窗 下 溫 室 內(nèi) 氣 流 和 溫 度 場(chǎng)分 布 特 征 和 規(guī) 律 。1 數(shù) 值 建 模1.1 本 構(gòu) 方 程計(jì) 算 流 體 力 學(xué) 的 發(fā) 展 能 夠 使 得 在 計(jì) 算 域的 網(wǎng) 格 上 用 有 限 體 積 法 求 解 輸 運(yùn) 方 程 以 獲 得流 場(chǎng) ， 描 述 三 維 空 間 內(nèi) 自 由 對(duì) 流 下 輸 運(yùn) 現(xiàn) 象 的守 恒 方 程 為 16 *MERGEFORMAT(1)式 中 通 用 變 量S 廣 義 源 項(xiàng) 廣 義 擴(kuò) 散 系 數(shù)2 拉 普 拉 斯 算 子u、 v、 w 流 體 速 度 矢 量 的 組 成 部 分x、 y、 z 笛 卡 爾 坐 標(biāo)式 (1)在 直 接 計(jì) 算 湍 流 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) 對(duì) 內(nèi) 存 空 間 和 計(jì)算 速 度 要 求 非 常 高 ， 通 常 引 入 湍 流 模 型 進(jìn) 行 簡(jiǎn)化 處 理 。 考 慮 到 單 棟 塑 料 溫 室 內(nèi) 空 氣 流 動(dòng) 通 常是 湍 流 17， 本 文 選 擇 RNG k 模 型 來 進(jìn) 行 湍流 模 擬 ， 采 用 標(biāo) 準(zhǔn) 壁 面 函 數(shù) 法 來 處 理 近 壁 區(qū) 湍流 。 激 活 Boussinesq模 型 ， 把 溫 差 引 起 的 浮 力升 項(xiàng) 加 入 到 動(dòng) 量 守 恒 方 程 的 源 項(xiàng) 。 激 活 組 分 模型 ， 模 型 中 空 氣 假 設(shè) 為 水 蒸 氣 和 干 空 氣 的 混 合物 ， 彼 此 之 間 沒 有 發(fā) 生 化 學(xué) 反 應(yīng) ， 通 風(fēng) 過 程 中各 組 分 傳 輸 滿 足 組 分 守 恒 定 律 。 激 活 DO輻 射 模型 來 描 述 溫 室 內(nèi) 外 輻 射 轉(zhuǎn) 移 對(duì) 室 內(nèi) 氣 候 的 影響 。 在 參 數(shù) 設(shè) 置 中 ， 角 度 離 散 選 項(xiàng) 設(shè) 為 默 認(rèn) 值 。Fluent只 求 解 4個(gè) 象 限 ， 共 4NN個(gè) 方 向 。 每 次輻 射 迭 代 過 程 中 ， 流 體 迭 代 次 數(shù) 設(shè) 為 10。1.2 數(shù) 值 建 模 和 網(wǎng) 格 生 成選 擇 Gambit 2.3.16 作 為 CFD 前 處 理 器 進(jìn)行 數(shù) 值 建 模 和 網(wǎng) 格 生 成 。 數(shù) 值 建 模 時(shí) ， 考 慮 到自 然 通 風(fēng) 下 單 棟 塑 料 溫 室 微 氣 候 受 大 氣 邊 界層 氣 候 的 影 響 ， 故 計(jì) 算 域 將 溫 室 外 區(qū) 域 包 括 在內(nèi) ， 其 范 圍 應(yīng) 以 不 影 響 室 內(nèi) 流 場(chǎng) 特 性 為 準(zhǔn) 。 三維 CFD 模 型 計(jì) 算 域 長(zhǎng) 為 100m（ 迎 風(fēng) 向 長(zhǎng) 為 20m， 背 風(fēng) 向 長(zhǎng) 為 50m） ， 寬 為 40m， 高 為 20m。迎 風(fēng) 向 長(zhǎng) 、 背 風(fēng) 向 長(zhǎng) 、 高 度 分 別 是 溫 室 脊 高 的6 倍 、 15 倍 、 6 倍 ， 能 滿 足 文 獻(xiàn) 18所 規(guī) 定 的 外圍 計(jì) 算 域 迎 風(fēng) 向 長(zhǎng) 度 、 背 風(fēng) 向 長(zhǎng) 度 和 高 度 至 少是 溫 室 脊 高 的 3 倍 、 7 倍 和 5 倍 的 要 求 。 網(wǎng) 格劃 分 時(shí) ， 溫 室 外 區(qū) 域 采 用 Cooper 法 以 網(wǎng) 格 密 度較 疏 的 六 面 體 單 元 劃 分 以 減 少 不 必 要 計(jì) 算 時(shí)間 ； 溫 室 內(nèi) 區(qū) 域 采 用 TGrid 法 以 網(wǎng) 格 密 度 較 密的 四 面 體 單 元 劃 分 以 捕 捉 溫 室 內(nèi) 流 場(chǎng) 分 布 ； 作物 冠 狀 層 采 用 Map 法 以 網(wǎng) 格 密 度 更 密 的 六 面體 單 元 劃 分 ； 考 慮 到 近 壁 面 流 場(chǎng) 變 化 梯 度 大 ，故 生 成 四 層 邊 界 層 ； 網(wǎng) 格 走 勢(shì) 呈 現(xiàn) 從 內(nèi) 向 外 輻射 狀 。 最 終 ， 總 網(wǎng) 格 數(shù) 約 180 萬 左 右 ， 其 中 溫室 內(nèi) 網(wǎng) 格 數(shù) 為 50 萬 ， 作 物 冠 狀 層 網(wǎng) 格 數(shù) 為 5萬 。 當(dāng) 實(shí) 際 風(fēng) 向 和 溫 室 朝 向 垂 直 時(shí) ， 三 維 CFD模 型 通 常 簡(jiǎn) 化 為 二 維 來 處 理 以 減 小 不 必 要 的計(jì) 算 量 。 二 維 CFD模 型 外 圍 計(jì) 算 域 尺 寸 為 40m×20m。 其 中 ， 迎 風(fēng) 向 長(zhǎng) 、 背 風(fēng) 向 長(zhǎng) 、 高 度 分別 是 溫 室 脊 高 的 10 倍 、 10 倍 、 6 倍 ， 能 滿 足文 獻(xiàn) 18要 求 。 在 網(wǎng) 格 劃 分 上 ， 整 個(gè) 計(jì) 算 域 中溫 室 外 區(qū) 域 以 尺 寸 為 0.33 m 的 四 邊 形 網(wǎng) 格 來劃 分 ， 共 生 成 7300 個(gè) 網(wǎng) 格 ， 網(wǎng) 格 走 勢(shì) 呈 現(xiàn) 從內(nèi) 向 外 輻 射 狀 。 溫 室 內(nèi) 區(qū) 域 以 尺 寸 為 0.04m 的三 角 形 網(wǎng) 格 來 劃 分 ， 共 生 成 36106 個(gè) 網(wǎng) 格 。 作物 冠 狀 層 內(nèi) 網(wǎng) 格 做 進(jìn) 一 步 加 密 ， 以 尺 寸 為 0.02m的 四 邊 形 網(wǎng) 格 來 劃 分 ， 該 區(qū) 域 內(nèi) 共 生 成 6,500個(gè) 網(wǎng) 格 。 溫 室 壁 面 加 上 四 層 邊 界 層 網(wǎng) 格 。 最 終 ， 2u v w Sx y z 整 個(gè) 計(jì) 算 域 內(nèi) 共 生 成 約 50016 個(gè) 網(wǎng) 格 。1.3 邊 界 條 件進(jìn) 口 空 氣 假 設(shè) 為 不 可 壓 縮 的 ； 計(jì) 算 域 （ 迎風(fēng) 向 ） 入 口 為 速 度 進(jìn) 口 邊 界 ， 大 氣 邊 界 層 的 風(fēng)剖 面 符 合 對(duì) 數(shù) 規(guī) 律 ， 即 19*MERGEFORMAT(2)其 中 * MERGEFORMAT (3)式 中 Uw 外 界 風(fēng) 速u* 摩 擦 速 率uh 參 考 風(fēng) 速 (參 考 高 度 2.0m處 的 測(cè)量 風(fēng) 速 )h 參 考 高 度 ， 取 2.0mK 馮 卡 門 系 數(shù) ， 取 0.42z 離 地 高 度zo 地 面 粗 糙 度 ， 根 據(jù) 有 關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn) 19，取 0.015計(jì) 算 域 出 口 （ 背 風(fēng) 向 ） 流 體 假 設(shè) 已 充 分 發(fā)展 , 即 壓 力 出 口 ； 計(jì) 算 域 頂 部 （ 天 空 ） 設(shè) 為 非滑 移 半 透 明 壁 面 以 加 載 太 陽 輻 射 。 室 內(nèi) 外 地 面設(shè) 為 不 透 明 的 散 射 壁 面 。 溫 室 薄 膜 覆 蓋 物 設(shè) 為有 一 定 厚 度 的 半 透 明 壁 面 ， 其 漫 反 射 分 數(shù) 設(shè) 為20%。 所 有 壁 面 溫 度 設(shè) 為 固 定 且 均 勻 分 布 。 在固 體 壁 面 上 對(duì) 所 有 組 分 均 使 用 零 擴(kuò) 散 通 量 。 考慮 太 陽 輻 射 的 熱 效 應(yīng) ， 材 料 光 學(xué) 屬 性 對(duì) 所 有 波長(zhǎng) 的 輻 射 假 設(shè) 都 為 常 數(shù) ， 即 漫 灰 輻 射 。 數(shù) 值 模型 邊 界 條 件 來 自 于 現(xiàn) 場(chǎng) 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) ， 如 表 1所 示 。表 1CFD模 型 的 邊 界 條 件Tab.1 Boundary condition used in the CFD model參 數(shù) 邊 界 條 件 值2010.8.4 2010.8.29進(jìn) 口 空 氣 空 氣 溫 度 /°C 36.0 30.0重 力 加 速 度 /g 9.81 9.81密 度 /(kgm-3) 1.246 1.165比 熱 C/(J(kgK)-1) 1006.7 1006.7導(dǎo) 熱 系 數(shù) /(W(mK)-1) 0.025 0.0263熱 擴(kuò) 散 系 數(shù) /K-1 3.235×10-3 3.299×10-3粘 度 動(dòng) 力 /(kgm-1s-1) 1.896×10-5 1.868×10-5湍 流 強(qiáng) 度 /% 5 5湍 流 尺 度 /m 3 3溫 室 外 部 土 壤 溫 度 /°C 38.5 28.4溫 室 內(nèi) 部 土 壤 溫 度 /°C 45.9 29.6薄 膜 溫 度 /°C 40.7 28.2太 陽 輻 射 /(Wm-2) 792 110凈 輻 射 /(Wm-2) 102 36風(fēng) 風(fēng) 速 u/(ms-1) 0.6 1.6風(fēng) 向 /(°) 176 87輻 射 模 型 求 解 中 ， 所 需 要 材 料 光 學(xué) 和 熱 學(xué)屬 性 見 表 2。 表 2 材 料 的 光 學(xué) 和 熱 學(xué) 屬 性Tab.2 Material optical and thermal parameters防 蟲 網(wǎng) 在 CFD模 型 中 以 多 孔 介 質(zhì) 來 處 理 ，其 產(chǎn) 生 的 阻 力 可 由 Darcy-Forcheimer方 程 來 表示 ， 防 蟲 網(wǎng) 的 惰 性 因 子 和 滲 透 率 可 以 分 別 按 照以 下 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 來 計(jì) 算 21 9 1.63.44 10pK * MERGEFORMAT (4)2 2.134.3 10FC * MERGEFORMAT (5)式 中 Kp 惰 性 因 子CF 滲 透 率 孔 隙 率 ， 0.67溫 室 空 心 菜 對(duì) 室 內(nèi) 微 氣 候 的 影 響 主 要 是 通過 CFD模 型 邊 界 條 件 的 設(shè) 置 來 體 現(xiàn) 。 溫 室 作 物 冠狀 層 在 CFD模 型 中 以 多 孔 介 質(zhì) 來 處 理 ， 其 產(chǎn) 生 的動(dòng) 量 源 項(xiàng) 可 以 由 Darcy-Forcheimer方 程 來 表 示 。 作物 對(duì) 周 圍 空 氣 的 阻 力 是 由 粘 滯 阻 力 和 慣 性 阻 力組 成 22。 考 慮 到 作 物 冠 狀 層 內(nèi) 空 氣 速 率 很 小 ， 因此 粘 滯 阻 力 通 常 可 以 忽 略 ， 所 以 只 需 要 計(jì) 算 慣 性阻 力 。 慣 性 阻 力 是 由 空 氣 速 度 U、 葉 面 積 密 度 ILA和 作 物 冠 狀 層 阻 力 系 數(shù) Cd決 定 。 葉 面 積 密 度 ILA可以 根 據(jù) 實(shí) 驗(yàn) 測(cè) 量 得 到 。 作 物 冠 狀 層 阻 力 系 數(shù) Cd可以 通 過 風(fēng) 洞 測(cè) 試 得 到 。 對(duì) 于 不 同 形 狀 和 大 小 的 作物 差 別 很 小 23-24， 這 里 取 Cd =0.26。作 物 冠 狀 層 與 室 內(nèi) 空 氣 的 能 量 交 換 是 通過 作 物 蒸 騰 作 用 來 實(shí) 現(xiàn) 。 從 能 量 平 衡 角 度 看 ，參 數(shù) 覆 蓋 物 土 壤 作 物密 度 /(kgm-3) 923 1,600 700熱 導(dǎo) 率 /(W(mK)-1) 0.33 0.30 0.17比 熱 /(J(kgK)-1) 2,300 890 2,310吸 收 率 0.37 0.85 0.46散 射 系 數(shù) 0.3 1.0 0折 射 率 1.52 1.92 2.77發(fā) 射 系 數(shù) 0.70 0.95 0.65* ln ow oz zuU K z * ln ( )/ho oKuu h z z 溫 室 作 物 吸 收 太 陽 輻 射 能 后 ， 一 部 分 通 過 蒸 騰作 用 擴(kuò) 散 到 空 氣 中 去 ， 另 外 一 部 分 通 過 對(duì) 流 作用 與 周 邊 空 氣 進(jìn) 行 熱 量 交 換 。 因 此 ， 室 內(nèi) 作 物吸 收 的 輻 射 量 等 于 作 物 與 溫 室 內(nèi) 空 氣 的 潛 熱和 顯 熱 交 換 量 ， 可 表 示 為 25abs sen latR Q Q (6)其 中 2 c isen LA p aT TQ I C r (7)c alat LA a sw wQ I r r (8)式 中 Rabs 輻 射 量 蒸 發(fā) 潛 熱Qsen、 Qlat 顯 熱 和 潛 熱 交 換 量ra、 rs 葉 片 空 氣 動(dòng) 力 學(xué) 阻 力 和 氣 孔 阻力 Tc、 Ti 作 物 葉 片 表 溫 和 作 物 附 近 氣 溫wc、 wa 作 物 和 附 近 空 氣 的 絕 對(duì) 濕 度ILA 葉 面 積 密 度 空 氣 密 度Cp 固 定 大 氣 壓 下 空 氣 比 熱對(duì) 于 葉 片 空 氣 動(dòng) 力 學(xué) 阻 力 和 氣 孔 阻 力 而 言 ，其 值 依 賴 于 作 物 冠 狀 層 內(nèi) 空 氣 速 度 和 氣 候 環(huán) 境 。葉 片 空 氣 動(dòng) 力 學(xué) 阻 力 和 空 氣 速 率 有 關(guān) ， 其 表 達(dá) 式可 以 參 照 文 獻(xiàn) 26。 氣 孔 阻 力 表 達(dá) 式 可 以 參 照 文獻(xiàn) 27。作 物 冠 狀 層 動(dòng) 量 、 質(zhì) 量 和 能 量 轉(zhuǎn) 移 過 程 可 以通 過 源 項(xiàng) 加 載 到 基 本 控 制 方 程 中 來 體 現(xiàn) 。 這 些 源項(xiàng) 通 過 用 戶 自 定 義 函 數(shù) （ userdefinefunction） 耦合 到 CFD模 型 中 。1.4 求 解 步 驟求 解 過 程 是 利 用 分 離 求 解 器 以 求 解 壓 力 耦合 方 程 組 的 半 隱 式 方 法 進(jìn) 行 迭 代 計(jì) 算 求 解 。 選擇 體 積 力 加 權(quán) 法 進(jìn) 行 壓 力 離 散 。 求 解 時(shí) ， 首 先以 一 階 迎 風(fēng) 格 式 計(jì) 算 ， 到 收 斂 后 再 以 二 階 迎 風(fēng)格 式 計(jì) 算 直 到 再 次 收 斂 為 止 。 在 純 浮 力 通 風(fēng)（ 外 界 風(fēng) 速 為 0.0m/s） 下 ， 為 了 快 速 收 斂 ， 求解 首 先 是 以 低 瑞 利 數(shù) 開 始 ， 為 此 將 重 力 加 速 度減 小 3 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ， 即 設(shè) 為 0.0098m/s2， 方 程 離散 格 式 設(shè) 為 一 階 離 散 計(jì) 算 至 收 斂 。 在 第 一 步 基礎(chǔ) 上 重 力 加 速 度 設(shè) 為 9.8m/s2， 離 散 格 式 依 舊不 變 ， 求 解 器 設(shè) 為 非 穩(wěn) 態(tài) 分 析 ， 計(jì) 算 至 收 斂 。最 后 ， 求 解 器 設(shè) 為 穩(wěn) 態(tài) 分 析 ， 離 散 格 式 設(shè) 為 二階 離 散 ， 計(jì) 算 至 收 斂 。 求 解 時(shí) ， 能 量 殘 差 收 斂標(biāo) 準(zhǔn) 設(shè) 為 10-6， 其 他 變 量 殘 差 收 斂 標(biāo) 準(zhǔn) 設(shè) 為10-3。 數(shù) 值 仿 真 時(shí) ， 選 擇 ANSYSWorkbench12.0的 ANSYSFluent 作 為 通 用 CFD 解 算 器 。 所 有仿 真 在 AMDphenomIIX4965,4GB內(nèi) 存 的 計(jì)算 機(jī) 上 進(jìn) 行 。 每 個(gè) 仿 真 算 例 計(jì) 算 需 要 10h 才 能至 完 全 收 斂 。2 實(shí) 驗(yàn)2.1 實(shí) 驗(yàn) 溫 室實(shí) 驗(yàn) 溫 室 位 于 上 海 市 浦 東 新 區(qū) 孫 橋 現(xiàn) 代農(nóng) 業(yè) 園 區(qū) （ 東 經(jīng) 121.63°， 北 緯 31.18°） ， 屋 脊為 南 北 朝 向 ； 溫 室 長(zhǎng) 30.0m， 寬 7.9m， 脊 高3.3m； 側(cè) 窗 長(zhǎng) 28.0m， 寬 1.2m， 配 有 防 蟲 網(wǎng) ；南 北 門 寬 1.9m， 高 2.0m； 覆 蓋 材 料 為 低 聚 乙烯 薄 膜 ， 溫 室 內(nèi) 種 植 著 3 排 空 心 菜 ， 高 度 略 有差 異 。 現(xiàn) 場(chǎng) 實(shí) 驗(yàn) 溫 室 見 圖 1。圖 1 華 東 地 區(qū) 單 棟 塑 料 溫 室Fig.1Tunnel greenhouse in eastern China2.2 實(shí) 驗(yàn) 方 法 、 步 驟 和 過 程整 個(gè) 實(shí) 驗(yàn) 總 共 分 2 組 進(jìn) 行 ， 第 1 組 實(shí) 驗(yàn) 的測(cè) 試 日 期 為 2010 年 8 月 4 日 ， 華 東 夏 季 晴 天高 溫 天 氣 。 當(dāng) 前 風(fēng) 向 為 南 風(fēng) （ 即 與 溫 室 朝 向 垂直 ） ， 風(fēng) 速 為 0.6m/s。 期 間 ， 單 棟 塑 料 溫 室 內(nèi)種 植 著 南 北 朝 向 、 高 度 略 有 差 異 的 3排 空 心 菜 。這 些 空 心 菜 的 葉 面 積 指 數(shù) 由 作 物 冠 層 分 析 儀測(cè) 量 得 6.0m2/m2。 現(xiàn) 場(chǎng) 實(shí) 驗(yàn) 從 上 午 11： 00 開始 ， 期 間 溫 室 所 有 門 窗 都 處 于 完 全 打 開 狀 態(tài) 。外 界 氣 象 參 數(shù) 由 室 外 溫 濕 度 、 風(fēng) 向 風(fēng) 速 、 輻 射等 傳 感 器 自 動(dòng) 采 集 ， 這 些 傳 感 器 放 在 自 制 的 支架 上 。 該 支 架 放 于 迎 風(fēng) 向 距 離 溫 室 20m 遠(yuǎn) 處 ，離 地 高 2.0m。 現(xiàn) 場(chǎng) 實(shí) 驗(yàn) 是 在 溫 室 南 北 中 間 截面 內(nèi) 。 溫 室 內(nèi) 實(shí) 驗(yàn) 測(cè) 點(diǎn) 位 置 見 圖 2。1.2 m 1.2 m1.2 m T1T2T4T5 T31.0 m T6T7 T8 T9T10 &nbsp; &nbsp;空 氣 溫 濕 度 測(cè) 點(diǎn) 表 溫 測(cè) 點(diǎn)T1 T111.2 m 1.2 m1.3 m0.6 m0.6 m T2T3 T4T5T6T7 T102.5 m 2.5 m &nbsp; &nbsp;空 氣 溫 濕 度 測(cè) 點(diǎn) 表 溫 測(cè) 點(diǎn)T8 T9圖 2 單 棟 塑 料 溫 室 實(shí) 驗(yàn) 測(cè) 點(diǎn) 位 置 圖(2010年 8 月 4 日 )Fig.2 Measured position in the tunnel greenhouse(4,August,2010)從 圖 2 中 看 出 ， 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 （ T1 T3， T4 T6） 分 別 放 置 在 溫 室 內(nèi) 距 離 左 右 兩 側(cè)窗 2.5m 遠(yuǎn) 處 ， 離 地 高 為 0.6、 1.2、 2.5m， 用來 監(jiān) 測(cè) 溫 室 內(nèi) 空 氣 溫 濕 度 的 垂 直 梯 度 變 化 。 鉑電 阻 T7T9粘 貼 在 薄 膜 背 面 ， 用 來 測(cè) 量 溫 室 薄膜 覆 蓋 物 溫 度 ； 鉑 電 阻 T10被 粘 貼 在 地 面 ， 用來 測(cè) 試 溫 室 內(nèi) 地 面 溫 度 ； 鉑 電 阻 T11粘 貼 在 葉片 的 背 面 ， 用 來 測(cè) 量 作 物 葉 片 的 溫 度 。 所 有 傳感 器 均 連 接 到 自 制 的 端 子 板 ， 通 過 并 口 線 連 接到 PCI9112/9118 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 采 集 。 現(xiàn)場(chǎng) 工 作 是 Norco 工 控 機(jī) ， 運(yùn) 行 在 工 控 機(jī) 上 的 是基 于 LabVIEW 平 臺(tái) 的 采 樣 程 序 。 其 采 樣 頻 率為 10Hz， 采 樣 時(shí) 間 為 0.5h。 實(shí) 驗(yàn) 期 間 ， 外 界氣 候 變 化 穩(wěn) 定 。 采 樣 結(jié) 束 后 ， 所 有 氣 象 數(shù) 據(jù) 均取 均 值 處 理 。第 2 組 實(shí) 驗(yàn) 的 測(cè) 試 日 期 為 2010 年 8 月 29日 ， 華 東 多 云 天 氣 ， 當(dāng) 前 風(fēng) 向 與 溫 室 朝 向 幾 乎垂 直 ， 太 陽 處 于 最 大 高 度 角 。 現(xiàn) 場(chǎng) 實(shí) 驗(yàn) 是 在 溫室 南 北 中 間 截 面 內(nèi) 。 溫 室 內(nèi) 測(cè) 點(diǎn) 位 置 見 圖 3。圖 3 單 棟 塑 料 溫 室 實(shí) 驗(yàn) 測(cè) 點(diǎn) 位 置 圖（ 2010年 8 月 29 日 ）Fig.3 Measured position in the tunnel greenhouse(29,August,2010)由 圖 3 可 得 ， 溫 室 中 間 截 面 內(nèi) 沿 水 平 方 向依 次 放 置 了 1 排 5 個(gè) 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器(T1T5)， 其 高 度 位 置 距 離 地 面 高 度 1.2m 方 向以 上 ， 每 個(gè) 傳 感 器 相 互 間 隔 為 1.0m。 溫 室 內(nèi)共 有 5 個(gè) 表 溫 測(cè) 點(diǎn) ， 其 中 薄 膜 上 有 3 個(gè) 測(cè) 點(diǎn)(T6T8)、 地 面 有 1 個(gè) 測(cè) 點(diǎn) (T9)、 葉 片 有 1 個(gè) 測(cè)點(diǎn) (T10)。 每 個(gè) 測(cè) 點(diǎn) 的 溫 度 都 是 由 手 持 式 的 近 紅外 測(cè) 溫 儀 直 接 測(cè) 量 ， 平 均 每 10min 測(cè) 量 一 次并 做 好 手 工 記 錄 。 測(cè) 試 期 間 ， 單 棟 塑 料 溫 室 內(nèi)種 植 著 3 排 成 熟 的 空 心 菜 ， 其 葉 面 積 指 數(shù) 由 作物 冠 狀 層 分 析 儀 實(shí) 驗(yàn) 測(cè) 量 得 5.1m2/m2?，F(xiàn) 場(chǎng) 實(shí) 驗(yàn) 從 上 午 11： 30 開 始 ， 期 間 溫 室門 窗 一 直 處 于 完 全 打 開 狀 態(tài) ， 外 界 氣 候 穩(wěn) 定 。室 外 氣 象 參 數(shù) 由 風(fēng) 速 、 風(fēng) 向 、 溫 濕 度 、 輻 射 等傳 感 器 自 動(dòng) 采 集 ， 這 些 傳 感 器 均 放 在 自 制 的 支架 。 該 支 架 放 于 迎 風(fēng) 向 距 離 溫 室 20m 遠(yuǎn) 處 ，離 地 高 為 2m。 采 樣 頻 率 為 10Hz， 采 樣 數(shù) 據(jù) 每1min 取 一 次 平 均 值 ， 采 樣 時(shí) 間 為 60min。3 結(jié) 果 與 討 論3.1 CFD 模 型 的 驗(yàn) 證3.1.1 二 維 CFD 模 型 的 驗(yàn) 證表 3 給 出 了 當(dāng) 風(fēng) 向 垂 直 于 溫 室 朝 向 時(shí) 室 內(nèi)各 個(gè) 測(cè) 點(diǎn) 的 氣 溫 實(shí) 驗(yàn) 值 和 模 擬 值 。表 3 溫 室 內(nèi) 各 測(cè) 點(diǎn) 的 氣 溫 實(shí) 驗(yàn) 值 和 模 擬 值 的 比 較Tab.3 Comparisons of the experimental and numericalair temperature in the greenhouse測(cè) 點(diǎn) 模 擬 值 /°C 實(shí) 測(cè) 值 /°C 偏 差 /°CT1 31.2 31.8 0.6T2 29.8 29.6 0.2T3 29.3 29.1 0.2T4 28.5 28.8 0.3T5 28.2 28.4 0.2由 表 3 可 得 ， 溫 室 內(nèi) 氣 溫 實(shí) 驗(yàn) 值 和 模 擬 值兩 者 誤 差 在 1.0°C 內(nèi) 。 其 誤 差 來 源 在 于 數(shù) 值 模型 中 忽 略 了 溫 室 地 面 蒸 發(fā) 作 用 和 室 內(nèi) 熱 空 氣通 過 薄 膜 縫 隙 向 外 滲 透 。 因 此 ， 所 構(gòu) 建 的 二 維CFD 模 型 是 有 效 的 ， 它 能 準(zhǔn) 確 預(yù) 測(cè) 單 棟 塑 料 溫室 內(nèi) 氣 候 分 布 。3.1.2 三 維 CFD 模 型 的 驗(yàn) 證表 4 給 出 了 當(dāng) 風(fēng) 向 平 行 于 溫 室 朝 向 時(shí) 溫 室內(nèi) 所 有 測(cè) 點(diǎn) 氣 溫 的 實(shí) 驗(yàn) 值 和 模 擬 值 。表 4 溫 室 內(nèi) 各 測(cè) 點(diǎn) 的 氣 溫 實(shí) 驗(yàn) 值 和 模 擬 值 的 比 較Tab 4. Comparisons of the experimental and numericalair temperature in the greenhouse離 地 高 度/m 測(cè) 點(diǎn) 模 擬 值/°C 實(shí) 測(cè) 值/°C 偏 差/°C0.6 T1 37.4 38.2 0.8T4 37.4 38.4 1.01.2 T2 37.5 38.3 0.8T5 37.4 38.5 1.12.5 T3 38.5 37.8 0.7T6 38.8 37.7 1.1從 表 4 中 看 出 ， 當(dāng) 外 界 風(fēng) 速 為 0.6m/s 且氣 溫 為 36.0°C 時(shí) ， 溫 室 內(nèi) 各 測(cè) 點(diǎn) 氣 溫 的 實(shí) 驗(yàn) 值和 模 擬 值 的 偏 差 在 0.71.1°C 之 間 ， 相 對(duì) 誤 差在 5%之 內(nèi) 。 室 內(nèi) 氣 溫 模 擬 值 都 小 于 實(shí) 測(cè) 值 ，其 原 因 在 于 數(shù) 值 模 型 中 忽 略 了 溫 室 地 面 蒸 發(fā)作 用 和 室 內(nèi) 熱 空 氣 通 過 薄 膜 縫 隙 向 外 滲 透 。 從整 體 上 看 ， 溫 室 內(nèi) 各 點(diǎn) （ T1 T6） 的 氣 溫 模 擬值 和 實(shí) 驗(yàn) 值 均 吻 合 得 較 好 ， 誤 差 都 在 可 接 受 的范 圍 內(nèi) 。 因 此 ， 所 構(gòu) 建 的 三 維 CFD 模 型 是 有 效的 ， 它 能 準(zhǔn) 確 預(yù) 測(cè) 夏 季 浮 力 通 風(fēng) 下 單 棟 塑 料 溫室 內(nèi) 氣 候 分 布 。3.2 實(shí) 驗(yàn) 與 仿 真 結(jié) 果 分 析由 表 1 可 知 ， 2010年 8 月 4 日 邊 界 值 能 反應(yīng) 華 東 地 區(qū) 夏 季 典 型 高 溫 氣 候 ， 實(shí) 驗(yàn) 期 間 氣 候參 數(shù) 值 變 化 幅 度 小 ， 幾 乎 為 固 定 。 因 此 CFD 模型 中 使 用 該 邊 界 值 作 為 輸 入 進(jìn) 行 穩(wěn) 態(tài) 仿 真 分析 。 分 析 側(cè) 窗 通 風(fēng) 下 溫 室 內(nèi) 微 氣 候 特 征 ， 同 時(shí)人 為 假 設(shè) 頂 窗 開 啟 ， 研 究 頂 窗 通 風(fēng) 和 頂 側(cè) 窗 通風(fēng) 下 溫 室 內(nèi) 微 氣 候 特 征 。3.2.1 開 窗 配 置 對(duì) 單 棟 塑 料 溫 室 內(nèi) 微 氣 候 場(chǎng) 的影 響 圖 4 給 出 了 當(dāng) 風(fēng) 向 與 溫 室 朝 向 垂 直 時(shí) 不 同開 窗 配 置 下 單 棟 塑 料 溫 室 內(nèi) 氣 流 和 溫 度 場(chǎng) 。 在每 組 開 窗 配 置 下 ， 通 風(fēng) 窗 打 開 至 最 大 位 置</p>