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灌溉排水學報 Journal of Irrigation and Drainage ISSN 1672 3317 CN 41 1337 S 灌溉排水學報 網(wǎng)絡首發(fā)論文 題目 側通風窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響 作者 高振軍 司長青 丁小明 李葦 何芬 李文楊 張建波 DOI 10 13522 ki ggps 2022165 網(wǎng)絡首發(fā)日期 2022 09 17 引用格式 高振軍 司長青 丁小明 李葦 何芬 李文楊 張建波 側通風窗縱橫比 對連棟溫室流場均勻性的影響 J OL 灌溉排水學報 https doi org 10 13522 ki ggps 2022165 網(wǎng)絡首發(fā) 在編輯部工作流程中 稿件從錄用到出版要經(jīng)歷錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿等階 段 錄用定稿指內(nèi)容已經(jīng)確定 且通過同行評議 主編終審同意刊用的稿件 排版定稿指錄用定稿按照期 刊特定版式 包括網(wǎng)絡呈現(xiàn)版式 排版后的稿件 可暫不確定出版年 卷 期和頁碼 整期匯編定稿指出 版年 卷 期 頁碼均已確定的印刷或數(shù)字出版的整期匯編稿件 錄用定稿網(wǎng)絡首發(fā)稿件內(nèi)容必須符合 出 版管理條例 和 期刊出版管理規(guī)定 的有關規(guī)定 學術研究成果具有創(chuàng)新性 科學性和先進性 符合編 輯部對刊文的錄用要求 不存在學術不端行為及其他侵權行為 稿件內(nèi)容應基本符合國家有關書刊編輯 出版的技術標準 正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語言文字 符號 數(shù)字 外文字母 法定計量單位及地圖標注等 為確保錄用定稿網(wǎng)絡首發(fā)的嚴肅性 錄用定稿一經(jīng)發(fā)布 不得修改論文題目 作者 機構名稱和學術內(nèi)容 只可基于編輯規(guī)范進行少量文字的修改 出版確認 紙質(zhì)期刊編輯部通過與 中國學術期刊 光盤版 電子雜志社有限公司簽約 在 中國 學術期刊 網(wǎng)絡版 出版?zhèn)鞑テ脚_上創(chuàng)辦與紙質(zhì)期刊內(nèi)容一致的網(wǎng)絡版 以單篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊發(fā)論文的錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿 因為 中國學術期刊 網(wǎng)絡版 是國家新聞出 版廣電總局批準的網(wǎng)絡連續(xù)型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以簽約期刊的網(wǎng)絡版上網(wǎng)絡首 發(fā)論文視為正式出版 文章編號 1672 3317 2022 0X xxxx 05 側通風窗 縱橫比對連棟溫室 流場均勻性 的影響 高振軍 1 司長青 1 丁小明 2 李 葦 3 何 芬 2 李文楊 1 張建波 1 1 三峽大學機械與動力學院 湖北 宜昌 443002 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設施結構設計與智能建造重 點實驗室 北京 100125 3 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所 廣州 510630 摘 要 目的 探究側通風窗縱橫比對連棟溫室內(nèi)流場均勻性的影響 為溫室設計建造提供理論依據(jù) 方法 本 研究以廣州地區(qū)連棟蝶形開窗溫室為研究對象 采用數(shù)值模 擬和試驗結合的方法 設計了 4 種不同開窗縱橫比方案 并與試驗溫室 即開窗方案 C 進行對比 引入不均勻系數(shù)評價流場均勻性 研究不同開窗縱橫比下連棟溫室內(nèi)流 場的分布規(guī)律 結果 通過實測值和模擬值對比 溫度 風速的平均誤差分別為 2 48 和 8 76 均方根誤差分 別為 1 10 和 2 1 10 3 m s 驗證了模型的有效性 不同開窗縱橫比對連棟溫室室內(nèi)平均溫度無顯著影響 但溫度 不均勻系數(shù)存在明顯差異 其中開窗方案 A較開窗方案 C總體溫度不均勻系數(shù)減少了 41 5種開窗方案中 開窗 方案 A 的總體平均風速和風速不均勻系數(shù) 均優(yōu)于其他開窗方式 與開窗方案 C 相比 平均風速提高了 23 風速 不均勻系數(shù)降低了 41 結論 從溫室內(nèi)流場分布角度來看 適當降低側通風窗縱橫比 能夠有效降低溫度 風 速不均勻程度 關 鍵 詞 連棟溫室 縱橫比 自然通風 數(shù)值模擬 中圖分類號 S625 1 文獻標志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2022165 高振軍 司長青 丁小明 等 側通風窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響 J 灌溉排水學報 2022 41 GAO Zhenjun SI Changqing DING Xiaoming et al Influence of Aspect Ratio of Side Ventilation Window on Uniformity of Flow Field in Multi span Greenhouse J Journal of Irrigation and Drainage 2022 41 0 引 言 研究意義 連棟溫室作為設施農(nóng)業(yè)的重要代 表 能夠?qū)崿F(xiàn)作物高效生產(chǎn) 已成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā) 展的重要 方向 1 2 自然通風作為溫室環(huán)境調(diào)控常用 的方式 具有經(jīng)濟節(jié)約能耗的特點 因此在日常運 行管理中優(yōu)先使用 已有研究表明通風窗的大小 位置及開窗配置是影響溫室微氣候的主要因素 3 5 但開窗縱橫比對室內(nèi)環(huán)境的影響尚未了解 研究進展 計算流體力學 CFD computational fluid dynamic 作為一種新興 高效的計算手段 廣 泛應用于溫室通風等相關領域的研究 采用數(shù)值模 擬方法提高溫室性能以及研究溫室流場分布具有重 要作用 柏宗春等 6 研究了自然通風條件下大棚通 風窗的開設位置 借助 Fluent 軟件研究不同側窗和 天窗尺寸下大棚內(nèi)部的流場規(guī)律 趙融盛等 7 以陜 西 地區(qū)塑料溫室為研究對象 分析并比較 4 種側通 基金項目 十三五 國家重點研發(fā)計劃 2017YFD0701500 農(nóng)業(yè)農(nóng)村 部農(nóng)業(yè)設施結構工程重點實驗室開放課題 201903 作者簡介 高振軍 1986 男 副教授 主要從事 溫室環(huán)境模擬 及流 體 機械 E mail 570186276 通 信 作者 丁小明 1976 男 研究員 主要從事 溫室設施裝備研究和 標準化 E mail dingxiaoming 風口高度下 40 60 80 100 cm 下室內(nèi)流場 氣溫 相對濕度均勻性 何科奭 8 等人研究開窗配 置對溫室微氣候的影響 揭示極低風速下 小于 0 6 m s 單棟塑料溫室內(nèi)氣流和溫度場的分布特征 Rasheed等 9 利用 CFD技術 比較 7種不同屋頂和通 風口條件下塑料大棚內(nèi)溫度和通風率大小 以上研 究大多關注 CFD 方法在單棟塑料溫室 單跨溫室的 應用 多數(shù)只考慮溫室流場分布特征 缺乏對流場 均勻性 的研究 切入點 目前 鮮有 研究 自然通風情況下側 通風窗縱橫比對溫室內(nèi)流場 的影響 擬解決關鍵問 題 本研究 以 廣州地區(qū)連棟蝶形開窗溫室 為研究對 象 建立連棟溫室三維數(shù)值模型 設計了 4 種不同 開窗縱橫比并與試驗溫室模型進行對比 引入溫 度 風速不均勻性系數(shù) 對 溫室流場分布特性 進行 評價 探索不同開窗縱橫比對 室內(nèi)溫度及風速的 分 布規(guī)律 1 材料與方法 1 1試驗溫室 試驗溫室位于廣州市天河區(qū)柯木塱農(nóng)業(yè)技術推 網(wǎng)絡首發(fā)時間 2022 09 17 08 01 51 網(wǎng)絡首發(fā)地址 廣總站示范基地 東經(jīng) 113 40 北緯 23 18 屋 脊為東西朝向 溫室長 36 m 寬 28 8 m 肩高 6 5 m 脊高 7 5 m 溫室東西兩側設有濕簾風機降溫裝 置以及側通風窗 頂窗采用電動扭矩分配開窗機 構 最大開啟角度為 45 屋面覆蓋材料為 4 mm厚 漫反射玻璃 四周覆蓋 5 mm厚度單層鋼化玻璃 1 2試驗條件 選取廣州地區(qū)夏季典型天氣進行試驗 試驗時 間為 2020年 8月 9日 晴天高溫天氣 風向與屋脊 方向平行 即與溫室迎風面垂直 室外風速為 0 3 m s 室內(nèi)無作物 試驗期間環(huán)境穩(wěn)定 現(xiàn)場試驗從 9 00 開始 18 00 結束 期間溫室頂窗 側窗均處于 完全打開狀態(tài) 采用 Auto 100 環(huán)境數(shù)據(jù)采集器 北 京奧托 溫度傳 感器精度為 0 5 每隔 1小時自 動采集室內(nèi)外溫度 風速 室內(nèi)共設置 27 個監(jiān)測 點 在 0 6 2 5 3 0 m 高度 處 各布置 9 個采集器 圖 1 室外數(shù)據(jù)采集器距地 2 5 m 進行安裝 周 圍無遮擋 a 連棟溫室實際檢測點平面圖 b 連棟溫室實際檢測點立面圖 圖 1 連棟溫室室內(nèi)測溫點示意圖 Fig 1 Schematic diagram of indoor temperature measurement points in multi span greenhouse 1 3 評價方法 1 3 1 溫室流場評價指標 以平均溫度 平均風速 作為室內(nèi)流場評價指 標 可以反映溫室內(nèi)流場的基本情況 對于連棟溫 室而言 室內(nèi)溫度 風速分布不均是制約連棟溫室 快速發(fā)展的主要原因 因此引入溫度不均勻系數(shù) 和風速不均勻系數(shù) 作為連棟溫室流場均勻性評價 指標 10 計算公式如下 1 2 3 4 式中 為溫度平均值 為溫度均方根差 為溫度不均勻系數(shù) 為速度平均值 m s 為速度均方根差 m s 為速度不均 勻系數(shù) 為了使流場均勻性評價指標計算的更加準 確 11 本研究在溫室長寬高 3 個方向分別以 4 6 4 1 m均勻取點 共選取 350個取樣點 1 3 2 模型精度評價指標 為了評價數(shù)值模型的準確性 引入 相對 誤差 平均 絕對 誤差和均方根誤差 root mean square error RMSE 評價模型的精度 12 評價指標越小 意味著 模型精度越高 均方根誤差計算公式如下 5 式中 為參數(shù)模擬值 即溫度 或風速 m s x 為參數(shù)實際值 即溫度 或風速 m s n為監(jiān)測點數(shù)量 本研究為 27 1 4 模擬方案 通過文獻調(diào)研 當室外風速小于 0 5 m s 時 由 室內(nèi)外溫差 所 引起的熱壓通風 對室內(nèi)環(huán)境的 影響 不 可忽略 13 15 鑒于此 考慮連棟溫室在風壓和熱壓 共同作用下 采用數(shù)值計算的方法 探索不同開窗 縱橫比對溫室內(nèi)流場均勻性的影響 在保證開窗面 積以及通風窗底邊高度 一致的前提下 只改變側通 風窗縱橫尺寸之間的比例 設計了 4 種不同開窗方 案與試驗溫室進行比較 采用瞬態(tài)模擬 實際模擬 時間 10分鐘 不同開窗方案見表 1 表 1 不同開窗縱橫比側通風窗結構參數(shù) Table1 Structural parameters of side ventilation windows with different window aspect ratios 開窗方案 開窗尺寸 比例 縱橫比 A 0 85 m 1 70 m 1 2 0 5 B 0 98 m 1 47 m 2 3 0 67 C 1 20 m 1 20 m 1 1 1 D 1 47 m 0 98 m 3 2 1 5 E 1 70 m 0 85 m 2 1 2 注 縱橫比 即通風窗長度方向與高度方向的比值 2 CFD模型 2 1控制方程 假設連棟溫室室內(nèi)空氣為定常不可壓縮介質(zhì) 傳質(zhì)傳熱過程滿足質(zhì)量 動量和能量守恒方程 并 可由通用方程 6 表示 16 6 式中 為 通用傳輸量 為 流體密度 kg m3 t 為 時間 s 為 流體風速矢量 m s 表示廣義擴散系數(shù) m2 s 表示廣義 源相 W m2 2 2物理 模型 對連棟溫室 物理模型 進行簡化 忽略作物栽培 架對自然通風的影響 試驗時濕簾風機裝置 并 未運 行 模型對其進行刪除 將溫室高度 7 5 m作為距離 單位 H 計算域入口與溫室迎風面的距離為 5 H 計 算域出口與溫室背風面的距離為 15 H 計算域側面 距離以及頂部距離均為 5 H 17 利用 Workbench 中 SpaceClaim 模塊建立等比例大小三維模型 具體見 圖 2 以 溫室 寬度方向 為 X 方向 取值范圍為 0 28 8 m 長度 方向為 Y 方向 取值范圍為 36 m 0 高度 方向 為 Z方向 取值范圍為 0 7 5 m 溫 室東西兩側各設 9 個側通風窗 尺寸大小 為 1 2 m 1 2 m 底邊距地高度為 2 m a 連棟溫室三維模型 5H 入口 Z Y X 北 東 出口 b 連棟溫室計算域及三維模型 圖 2 連棟溫室 物理 模型 Fig 2 Physical model of multi span greenhouse 2 3 網(wǎng)格無關性檢驗 對于數(shù)值模擬 需要進行網(wǎng)格無關性檢驗 以 保證網(wǎng)格數(shù)量不影響最終計算結果 本研究設置 3 種不同網(wǎng)格劃分方案 并將模擬溫度值和實際測量 值比較得到平均誤差 結果見表 2 可以看出 3 種 方案溫度平均誤差在 2 5 左右 均 滿足計算要求 考慮到計算精度及耗費時間 選擇細網(wǎng)格劃分方 式 表 2 網(wǎng)格無關性檢驗 Table 2 Grid independence test 網(wǎng)格劃分方案 網(wǎng)格數(shù)量 平均誤差 粗網(wǎng)格 1 700 000 2 56 細網(wǎng)格 2 000 000 2 48 密網(wǎng)格 2 500 000 2 35 2 4邊界條件及模型求解 廣州 地區(qū) 夏季高溫弱風 室內(nèi)環(huán)境對作物生長 具有較大影響 因此 本研究選取中午 13 00作為模 型初始時刻 對模型進行初始化設置 室外初始溫 度為 32 6 室內(nèi)溫度為 42 2 西面 進風口設為 速度進口 大小為 0 3 m s 弱風條件 方向與屋脊 方向平行 入口溫度為 32 6 東面 出風口為壓力 出口 壓力為標準大氣壓 溫室地面及圍護結構設 置為壁面邊界條件 通風窗設置為內(nèi)部邊界條件 模型考慮浮升力影響 添加 Boussinesq 模型模擬自 然對流 激活 DO 輻射模型 并通過太陽追蹤法 Solar Ray Tracing 將太陽輻射加載到計算域中 選 擇 RNG 湍流 模型進行模擬 求解器采用瞬態(tài) 基于壓力求解 選擇 SIMPLEC算法 動量和湍流動 能選用二階迎風格式 18 20 表 3 為連棟 溫室材料物 性參數(shù) 表 3 連棟溫室材料物性參數(shù) Table 3 Physical parameters of greenhouse materials 參數(shù) 玻璃 土壤 空氣 密度 kg m 3 2 500 2 000 1 18 比熱容 J kg 1 K 1 700 2 000 1 006 43 導熱系數(shù) W m 1 k 1 0 71 2 0 024 2 吸收率 0 1 0 5 0 散射系數(shù) 0 1 0 折射率 1 7 1 1 3 結果分析 3 1模型驗證 為了驗證連棟溫室模型 的準確性 以 13 00實際 測得環(huán)境參數(shù)作為模擬的初始條件 模擬連棟溫室 自然通風 1 小時 后室內(nèi)流場的變化 將溫室各監(jiān)測 點參數(shù)實測值和模擬結果相對比 得到各監(jiān)測點溫 度相對誤差范圍為 0 09 5 31 平均 相對 誤差為 2 48 均方根誤差為 1 10 風速相對誤差范圍 為 0 18 92 平均 相對 誤差為 8 76 均方根誤差 3 2不同開窗縱橫比對連棟溫室 為 2 1 10 3 m s 表明 該模型能夠準確模擬室內(nèi)流場分布 可用于后續(xù)溫 室流場模擬 溫度的影響 3 2 1不同開窗縱橫比連棟溫室縱截面溫度分布 取溫室寬度 方向 的 中心截面作為典型截面 不 同開窗縱橫比下溫度分布見圖 3 可以看出 高度方 向上溫室中層及下層的溫度較低 高溫區(qū)域集中在 溫室頂層附近 溫度分布呈現(xiàn)自下到上的梯度變 化 這是由于熱壓作用 熱空氣向上冷空氣向下運 動 形成上層高溫下層低溫的分布規(guī)律 長度方向 上室內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)出 迎風側溫度低 背風側溫度 高 的 現(xiàn)象 一方面是由于室外冷空氣首先和迎風窗 附近熱空氣進行交換 帶走了大部分熱量 使得迎 風側溫度低 另一方面 背風側窗口附近空氣因受 太陽輻射和地面輻射加熱的影響 溫度升高 由于 室內(nèi)壓力小于室外壓力 熱空氣進入溫室導致背風 側溫度高 此外 隨著開窗縱橫比的增加 低溫區(qū) 域不斷減小 高溫區(qū)域不斷增加 表明開窗縱橫比 影響氣流的縱向進深能力 即 氣流 沿溫室長度方向 的深入能力 這 是由于隨著縱橫比不斷增加 通風 窗高度方向尺寸逐漸減小 氣流在發(fā)展過程中上下 層氣流流通能力減弱 a 開窗方案 A b 開窗方案 B c 開窗方案 C d 開窗方案 D e 開窗方案 E 圖 3 X 14 4 m時不同開窗縱橫比連棟溫室溫度分布 Fig 3 Temperature distribution of muti span greenhouses with different window aspect ratios at X 14 4 m 3 2 2不同開窗縱橫比連棟溫室橫截面溫度變化 由圖 4 a 可見 開窗方案 B 開窗方案 C 開窗 方案 E 沿溫室長度方向截面平均溫度呈現(xiàn)出上升的 趨勢 這是由 于縱向進深距離增加氣流換熱能力減 弱 以及 背風側風壓熱壓共同作用 導致的 詳細分 析可見 3 2 1 開窗方案 A 沿溫室長度方向 截面平均 溫度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢 原因是該縱橫比 下迎風側冷氣流 和背風側熱氣流在溫室中部氣流上 下流通能力較強 導 致該區(qū)域的平均溫度較低 開 窗方案 D 與開窗方案 A 的變化趨勢相同 只是 平均 溫度最低區(qū)域位置靠近背風側 此外 通過對比開 窗方案 C 與其余開窗方案平均溫度 發(fā)現(xiàn)降溫幅度 最大為 0 9 并無顯著差異 表明在相同開窗條件 下 只改變開窗縱橫比對室內(nèi)平均溫度影響較小 由圖 4 b 可見 開窗方案 A 開窗方案 B 開 窗方案 D 開窗方案 E 沿溫室長度方向上的不均勻 系數(shù) 呈現(xiàn)出 先上升后下降 的趨勢 這是 由于迎風側 氣流發(fā)展時受到相向而來的背風側氣流 導致 室內(nèi) 出現(xiàn)氣流停滯區(qū)溫度不均系數(shù)上升 隨著縱向進深 距離增加 迎風側氣流逐漸減弱 背風側氣流 增 強 溫度分布逐漸穩(wěn)定 溫度不均勻系數(shù)隨之下 降 開窗方案 C 沿溫室長度方向上不均 勻 系數(shù) 呈現(xiàn) 出 緩慢 上升的趨勢 沒有出現(xiàn)明顯 上下 波動 的情 況 a 平均溫度變化曲線 b 溫度不均勻系數(shù)變化曲線 圖 4 連棟溫室長度方向平均溫度及不均勻系數(shù)變化 Fig 4 Variation of average temperature and uneven coefficient along the length of multi span greenhouse 3 2 3 不同開窗縱橫比對連棟溫室豎直截面溫度變化 由圖 5 a 可見 開窗方案 B 開窗方案 C 開窗 方案 E 沿溫室豎直方向截面平均溫度呈現(xiàn)出先下降 后上升的趨勢 這是由于空氣在垂直高度方向存在 密度差 迎風側冷空氣由上到下運動 通風窗底部 以下區(qū)域溫度較低 通風窗底部以上區(qū)域溫度較 高 開窗方案 A 和 D 沿溫室豎直方向截面 平均溫度 呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢 此外 垂直高度在 2 6 m 之間溫度梯度由大到小排序依次為開窗方案 C 開 窗方案 E 開窗方案 D 開窗方案 B 開窗方案 A 即開窗縱橫比為 1 豎直方向溫度變化率最大 為 8 25 10 2 m 開窗縱橫比為 0 5 豎直方向溫度變 化率最小 為 1 75 10 2 m 由圖 5 b 可見 開窗方案 B 開窗方案 E 沿溫 室豎直方向截面不均勻系數(shù) 呈現(xiàn)出 先下降后上升 的 趨勢 這是由于迎風側溫度較低 背風側溫度較 高 而通風窗所在高度范圍空氣流通能力強 溫度 分布較為均勻 因此隨著高度的增加迎風側和背風 側溫度差異先減小后增加 而 開窗方案 A 沿溫室豎 直方向截面不均勻系數(shù)呈現(xiàn)出 逐漸 上升的趨勢 此 外 垂直高度在 2 6 m 之間溫度不均勻系數(shù)梯度 由大到小排序依次為開窗方案 E 開窗方案 D 開 窗方案 A 開窗方案 B 開窗方案 C 即開窗縱橫 比為 2 豎直方向溫度不均勻系數(shù)變化率最大 為 1 97 10 3 m 開窗縱橫比為 1豎直方向溫度不均 勻系數(shù)變化率最小 為 0 96 10 3 m a 平均溫度變化曲線 b 溫度不均勻系數(shù)變化曲線 圖 5 連棟溫室豎直方向平均溫度及不均勻系數(shù)變化 Fig 5 Variation of average temperature and uneven coefficient in vertical direction of multi span greenhouse 3 3 不同開窗縱橫比對連棟溫室風速的影響 3 3 1 不同開窗縱橫比連棟溫 室縱截面風速分布 取溫室寬度方向的中心截面作為典型截面 不 同開窗縱橫比下風速分布見圖 6 室外空氣從溫室 兩側通風窗進入從頂窗排出 兩側通風窗口處風速 較高 并且背風側風速高于迎風側 隨著開窗縱橫 比的增加 迎風側氣流縱深能力不斷減弱 背風側 氣流縱深能力不斷增強 同時迎風側 背風側區(qū)域 均出現(xiàn)低速區(qū)域 這是背風側以熱壓為主的上升氣 流和迎風側風壓為主的上升氣流相遇 形成氣流漩 渦 導致該區(qū)域流通能力較差 造成風速分布不 均 因此在弱風條件下 室內(nèi)氣流組織均勻性須同 時考慮風壓和熱壓的綜合影響 a 開窗方案 A b 開窗方案 B c 開窗方案 C d 開窗方案 D e 開窗方案 E 圖 6 X 14 4 m時不同開窗縱橫比連棟溫室風速分布與流線 Fig 6 Wind speed distribution and streamlines of muti span greenhouses with different window aspect ratios at X 14 4 m 3 3 2不同開窗縱橫比下橫截面風速變化 由圖 7 a 可見 不同開窗縱橫比下 沿溫室長度 方向截面平均風速 均 呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢 這是由于溫室迎風側和背風側均為高速區(qū)域 在氣 流發(fā)展過程中 兩側氣流 相遇 容易形成氣流渦 旋 導致平均風速下降 并且 開窗方案 A 平均風 速 的均值 優(yōu)于其他開窗方案 較開窗方案 C 提高了 50 由圖 7 b 可見 沿溫室長度方向截面風速不均 勻系數(shù)沒有明顯規(guī)律變化 所以僅分析不同開窗方 案最小不均勻系數(shù)位置 開窗方案 A 和 開窗方案 E 在 Y 24 m 時 風速不均勻系數(shù)取得最小值分別為 0 32和 0 33 開窗方案 B在 Y 16 m時 風速不均勻 系數(shù)取得最小值為 0 34 開窗方案 C在 Y 28 m時 風速不均勻系數(shù)取得最小值為 0 43 開窗方案 D 在 Y 12m 時 風速不均勻系數(shù)取得最小值 0 42 由此 可 知 風速均勻的區(qū)域大多分布在靠近溫室背風側 區(qū)域 這是由于背風側區(qū)域以熱壓通風為主 氣流 受到干擾因素較少 風速分布較為均勻 a 平均風速變化曲線 b 風速不均勻系數(shù)變化曲線 圖 7 連棟溫室長度方向平均風速及不均勻系數(shù)變化 Fig 7 Variation of average wind speed and uneven coefficient in the length direction of multi span greenhouse 3 3 3不同開窗縱橫比下豎直截面風速變化 由圖 8 a 可見 不同開窗縱橫比下 沿溫室豎直 方向截面平均風速 均 呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢 這是由于通風窗底部以下區(qū)域空氣向上運動時 受 到來自迎風側水平方向上的氣流干擾 容易形成氣 流渦旋 平均風速下降 隨著高度的增加 氣流發(fā) 展充分 平均風速 增大 并且 開窗方案 A 平均風 速 的均值 優(yōu)于其他開窗方案 較開窗方案 C 提高了 36 由圖 8 b 可見 開窗方案 A 開窗方案 B 開 窗方案 C 開窗方案 E 沿溫室豎直方向截面風速不 均勻系數(shù)變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢 主要是 由于溫室兩側氣流相遇 造成風速在同一截面上分 布不均 導致風速不均勻系數(shù)上 升 隨著氣流的不 斷發(fā)展 氣流渦旋區(qū)域逐漸減小不均勻系數(shù)隨之下 降 開窗方案 D 風速不均勻系數(shù)曲線在豎直高度 1 3 m呈現(xiàn)出下降趨勢 由圖 6 d 可知 這是由于背 風側與迎風側溫室底部風速具有較大差異 導致同 一截面風速不均勻系數(shù)較大 但隨著高度的增加 流通能力增強使得同一截面風速差異減小 a 平均風速變化曲線 b 風速不均勻系數(shù)變化曲線 圖 8 連棟溫室豎直方向平均風速及不均勻系數(shù)變化 Fig 8 Variation of average wind speed and uneven coefficient in vertical direction of multi span greenhouse 3 4流場均勻性評價 為了全面評價不同開窗方案對溫室通風效果的 影響 依據(jù)公式 1 公式 4 計算 5種開窗方案總體 平均溫度 總體溫度不均勻系數(shù) 總體平均風速 總體風速不均勻系數(shù) 計算結果如表 4所示 表 4 不同開窗縱橫比下溫室流場均勻性評價指標 Table 4 Evaluation indicators of the uniformity of the greenhouse flow field under different windowing aspect ratios 開窗 方案 總體平均 溫度 總體溫度不 均勻系數(shù) 總體平均風速 m s 1 總體風速不 均勻系數(shù) A 35 17 2 46 10 3 0 32 0 13 B 35 54 3 82 10 3 0 23 0 23 C 35 35 4 19 10 3 0 26 0 22 D 35 40 4 80 10 3 0 24 0 27 E 35 35 8 23 10 3 0 24 0 22 從表 4 可見 開窗方案 C 與 其余開窗方案室內(nèi) 平均溫度 相比 最大溫差為 1 表明改變開窗縱橫比 對溫室內(nèi)平均溫度影響不顯著 不同開窗縱橫比下 室內(nèi)溫度 風速不均勻性系數(shù)存在明顯差異 具體 表現(xiàn)為 開窗方案 A 的平均風速和風速不均勻系數(shù) 明顯要優(yōu)于其余開窗方案 與開窗方案 C 相比 開 窗方案 A 的平均風速提高了 23 風速不均勻系數(shù) 降低了 41 表明開窗縱橫比為 0 5 時 能夠增加 空氣上下流通能力 降低風速不均勻系數(shù) 隨著開 窗縱橫比的增大 溫度不均勻系數(shù)逐漸增加 表明 開窗縱橫比對連棟溫室溫度分布均勻性具有重要影 響 其中開窗方案 A 較開窗方案 C 的溫度不均勻系 數(shù)降低了 41 4 討 論 自然通風作為連棟溫室常用的通風方式之一 通常采用通風窗的合理配置以提高室內(nèi)溫度 風速 分布 均勻性 王新忠 等人 21 認為 側窗和頂窗 聯(lián)合通 風作用下 室內(nèi)降溫效果最好 Akrami 等 22 在 研究 側通風與頂通風對室內(nèi)微氣候的影響 發(fā)現(xiàn)側通風 口對通風的貢獻最大 現(xiàn)有研究表明側窗對室內(nèi)氣 流流動以及合理分布發(fā)揮著重要的作用 因此 為 了 保證 室內(nèi)流場均勻 分布 為 作物 生長提供適宜的 生長環(huán)境 有 必要 開展 側通風窗對室內(nèi) 流場分布均 勻性 的 研究 本研究 設計 了 5 種不同開窗縱橫比方案 發(fā)現(xiàn) 在不同側通風窗縱橫比下 室內(nèi)溫度 風速不均勻 系數(shù) 具有較大差異 主要是由于自然通風條件下室 內(nèi)環(huán)境受到風壓和熱壓的共同作用 表明開窗縱橫 比對室內(nèi)流場分布均勻性具有較大影響 隨著開窗 縱橫比的不斷減小 氣流的縱向進深能力不斷增 強 主要是 由于 在開窗面積一定的情況下 側 通風 窗豎向尺寸越大 氣流上下流通能力越強 使得室 內(nèi)溫度 風速分布更加均勻 這與程征 23 得出的結 論一致 開窗縱橫比對室內(nèi)平均溫度影響不顯著 表明開窗縱橫比主要影響氣流分布 均勻性 對室內(nèi) 溫度 大小 影響有限 此外 本研究并未考慮作物對連棟溫室通風的 影響 實際生產(chǎn)中作物會阻礙氣流流通 造成溫 度 速度分布不 均 另外 濕度作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須 考慮的環(huán)境因子 了解室內(nèi)濕度分布均勻性具有重 要的意義 因此 日后考慮將作物以及濕度等因素 納入到 CFD 仿真模型 以期能夠更好指導溫室設計 建造 5 結 論 1 將 27 個監(jiān)測點參數(shù)實測值和模擬值進行對 比 溫度平均誤差為 2 48 均方根誤差為 1 10 風速平均誤差為 8 76 均方根誤差為 2 1 10 3 m s 誤差在可接受范圍內(nèi) 驗證了模型的 有效性 2 不同開窗縱橫比對連棟溫室室內(nèi)平均溫度無 顯著變化 但對室內(nèi)溫度分布均勻性具有顯著影 響 開窗縱橫比越大 迎風側冷空氣 在溫室長度方 向縱深能力越弱 室內(nèi)溫度分布越不均勻 溫度不 均勻系數(shù)越高 其中開窗方案 A 較開窗方案 C 總體 溫度不均勻系數(shù)減少了 41 3 不同開窗縱橫比下連棟溫室室內(nèi)溫度 風速 不均勻性系數(shù)存在明顯差異 5種開窗方案中 開窗 方案 A 的總體平均風速和風速不均勻系數(shù)均優(yōu)于其 他開窗方式 與開窗方案 C 相比 平均風速提高了 23 風速不均勻系數(shù)降低了 41 參考文獻 1 李永欣 王朝元 李保明 等 荷蘭 Venlo型連棟溫室夏季自然通風降溫 系統(tǒng)的試驗研究 J 中國農(nóng)業(yè)大學學報 2002 7 6 44 48 LI Yongxin WANG Chaoyuan LI Baoming et al Experimental research on cooling effect of natural ventilation in a venlo type multi span greenhouse J Journal of China Agricultural University 2002 7 6 44 48 2 趙寶山 閆浩芳 張川 等 Venlo型溫室內(nèi)參考作物蒸散量計算方法比 較研究 J 灌溉排水學報 2018 37 7 61 66 ZHAO Baoshan YAN Haofang ZHANG Chuan et al Comparison of different methods for calculating the evapotranspiration in Venlo type greenhouse Journal of Irrigation and Drainage 2018 37 7 61 66 3 TOMINAGA Y BLOCKEN B Wind tunnel 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