CFD在溫室室內(nèi)環(huán)境研究中的應(yīng)用-

1、CFD 在溫室室內(nèi)環(huán)境研究中的應(yīng)用金玲1,劉妍華2*(1華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,廣東廣州510642;2華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣東廣州510642摘要介紹了計算流體力學(xué)(CFD 仿真技術(shù)的基本理論和應(yīng)用方法,認為CFD 仿真主要包括前處理、求解和后處理3個步驟,且目前大多研究者采用將CFD 數(shù)值模擬結(jié)果與測試數(shù)據(jù)進行對比的方法,驗證應(yīng)用所建CFD 模型進行數(shù)值模擬的可行性。重點分析了CFD 在國內(nèi)外溫室(冬季溫室、夏季溫室和日光溫室熱環(huán)境研究中及溫室流場(溫室自然通風(fēng)流場、有防護網(wǎng)溫室流場和溫室機械通風(fēng)流場中的應(yīng)用現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上,提出了今后利用CFD 研究溫室室內(nèi)環(huán)境的方向:開展多種

2、類型溫室的研究,確定合適的邊界條件,并對模擬結(jié)果的準確性進行評價;對我國不同地區(qū)、不同氣候條件下的溫室熱環(huán)境開展CFD 數(shù)值分析,使研究更系統(tǒng)、更完善;引入不同作物CFD 模型,研究作物對溫室小氣候環(huán)境的影響,以實現(xiàn)更貼近實際精度的數(shù)值模擬。關(guān)鍵詞CFD ;溫室;數(shù)值模擬中圖分類號S127文獻標識碼A 文章編號05176611(2012070441603The Application of Computational Fluid Dynamics (CFD in the Study of Greenhouse Indoor EnvironmentJIN Ling et al (College

3、of Water Conservancy and Civil Engineering ,South China Agricultural University ,Guangzhou ,Guangdong 510642Abstract The basic theory and application methods of Computational Fluid Dynamics (CFD simulation technique were introduced ,it hold that CFD simulation mainly includes three steps of pretreat

4、ment ,solution and aftertreatment ,and at present ,most researchers compared CFD numerical simulation results with test data ,to test and verify the feasibility of established CFD model in numerical simulationWhat s more ,the application status of CFD in thermal environment study of greenhouse at ho

5、me and abroad (winter greenhouse ,summer greenhouse and sunlight greenhouse and greenhouse flow field (greenhouse natural ventilation flow field ,protective screening greenhouse flow field ,mechani-cal ventilation flow field were analyzed emphaticallyBased on this ,the direction of studying greenhou

6、se indoor environment using CFD in the future was proposed :developing all kinds of greenhouses ,determining suitable boundary conditions ,and the veracity of simulated results was evaluated ;furthermore ,developing CFD numerical analysis for greenhouse thermal environment under different areas and

7、different climatic conditions ,to make the study more systematic and more perfect ;moreover ,CFD models of different crops were introduced to study the effects of crops on greenhouse microclimate environment ,to realize numerical simulation with more actual accuracyKey words CFD ;Greenhouse ;Numeric

8、al simulation基金項目國家自然科學(xué)基金項目(51108194。作者簡介金玲(1980,女,甘肅天水人,講師,在讀博士,從事溫室熱環(huán)境方面的研究,E-mail :jinling_208126com 。*通訊作者,講師,在讀博士,從事溫室熱環(huán)境方面的研究,E-mail :cynthialyh126com 。收稿日期2011-11-29溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要形式之一,具有較高的經(jīng)濟效益。同時溫室又是一個復(fù)雜的系統(tǒng),它的室內(nèi)環(huán)境包括太陽輻射的透過和分布、溫室內(nèi)能量和物質(zhì)的傳遞、作物生長時的能量交換及土壤中的熱質(zhì)傳遞等。傳統(tǒng)的研究溫室的方法主要有溫室模型試驗和物理模型模擬2種方法。前者可以得到

9、所需要的各種數(shù)據(jù),但試驗周期長且試驗費用昂貴;后者是把溫室內(nèi)的空氣作為總體來建立質(zhì)量和能量守恒方程,忽略溫室內(nèi)區(qū)域間壓差和流動的關(guān)系來研究溫室內(nèi)的溫度分布以及流動情況,但模擬得到的結(jié)果只是溫室內(nèi)環(huán)境的集總結(jié)果。因此傳統(tǒng)的研究方法不能有效地模擬溫室內(nèi)環(huán)境的傳遞過程,也就不能很好地指導(dǎo)溫室的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計1。近年來,計算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics ,CFD 被廣泛應(yīng)用于溫室室內(nèi)環(huán)境的數(shù)值模擬中,能夠較準確地模擬溫室室內(nèi)速度場、溫度場和濕度等環(huán)境狀態(tài),為溫室的優(yōu)化和設(shè)計實現(xiàn)提供了很好途徑。1CFD 基本理論及應(yīng)用方法11基本理論計算流體力學(xué)是基于流體控制方程(

10、包括質(zhì)量、動量和能量守恒方程等對流體問題模型進行求解并把結(jié)果圖像化的仿真工具。CFD 仿真的過程主要分3個步驟:前處理、求解和后處理2。前處理是把物理模型轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格模型的過程;求解是把網(wǎng)格文件導(dǎo)入CFD 求解軟件進行求解;后處理是把求解完后的結(jié)果采用后處理軟件或者直接在已包含后處理功能的求解器中進行圖像化并分析3。在CFD 數(shù)值模擬中,通過正確的計算域的選擇、網(wǎng)格的劃分、邊界條件的設(shè)置以及選擇合適的計算模型,即可有效地得到溫室室內(nèi)環(huán)境的傳遞過程,揭示流場的性質(zhì),為溫室產(chǎn)業(yè)提供有效的室內(nèi)環(huán)境信息。12應(yīng)用方法目前,利用CFD 研究溫室室內(nèi)環(huán)境的問題大多采用模擬結(jié)果和測試數(shù)據(jù)對比的方法。即首先建立

11、應(yīng)用于溫室的CFD 模擬所需的模型,確定此溫室CFD 數(shù)值計算的控制方程、湍流運動方程、邊界條件處理以及控制方程求解的規(guī)律;其次對不同外部環(huán)境條件、不同工作狀況下的溫室內(nèi)熱環(huán)境進行試驗測試,并分析溫室的熱環(huán)境狀況;再次將CFD 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗測試結(jié)果進行對比和驗證,以證明應(yīng)用所建CFD 模型進行模擬的可行性;最后利用所建立的CFD 模型對溫室進行進一步的研究分析或預(yù)測,為溫室的優(yōu)化提供理論依據(jù)。2CFD 在溫室熱環(huán)境研究中的應(yīng)用21在冬季溫室溫度場中的應(yīng)用研究對于溫室熱環(huán)境的研究大多集中于研究冬季溫室室內(nèi)的溫度場分布情況,且大多采用k 湍流模型。1995年,Vollebergt 等為了

12、研究Venlo 型溫室側(cè)墻附近垂直熱管的傳熱問題,將墻體與空氣分別劃分為許多塊,并將墻體附近的熱傳導(dǎo)系數(shù)與輻射系數(shù)代入于熱平衡方程進行計算,通過CFD 計算得到了所研究溫室區(qū)域內(nèi)部的溫度與責(zé)任編輯姜麗責(zé)任校對盧瑤安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),Journal of Anhui AgriSci2012,40(7:44164418空氣流動的分布情況,并計算出了對外的熱損失4。朱文見利用軟件FLUENT,以北京地區(qū)冬季供暖條件下圓翼型連棟溫室夜間熱環(huán)境為研究對象,對不同天氣狀況下采用和不采用保溫幕情況下溫室內(nèi)熱環(huán)境進行了測試,建立了連棟溫室的CFD理論模型,利用該模型對連棟溫室流場和溫度場的分布情況進行數(shù)值模擬。結(jié)果

13、表明,地板供暖效果較好,同時應(yīng)設(shè)置多層保溫幕以起到保溫節(jié)能的效果,這為散熱器與保溫幕的設(shè)計使用提供了理論依據(jù)5。陳教料等以浙江地區(qū)Venlo型玻璃溫室為研究對象,在夜間加熱條件下采集溫室室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)據(jù),并建立CFD模型,采用標準k湍流模型和PSIO算法的有限體積法對流場微分方程進行離散,利用Fluent軟件對熱風(fēng)供熱的玻璃溫室三維溫度場進行了模擬,結(jié)果驗證了CFD模型的正確性,及采用Huent軟件進行溫室熱環(huán)境數(shù)值模擬的可行性6。吳飛青等研究了有作物的條件下Venlo型玻璃溫室冬季夜間加熱時的溫度場分布規(guī)律,并用多孔介質(zhì)替代作物,采用三維CFD技術(shù)對其規(guī)律進行了數(shù)值模擬和分析7。吳飛青研究了V

14、enlo型智能玻璃溫室在有作物條件下的傳熱機理及室內(nèi)流場和溫室邊界的特征,建立了三維動力學(xué)模型并對玻璃溫室流場和溫度場進行數(shù)值模擬,同時利用三維CFD技術(shù)對不同溫室結(jié)構(gòu)和加溫參數(shù)的流場、溫度場進行數(shù)值模擬并建立了優(yōu)化的三維CFD模型,為溫室加溫節(jié)能降耗提供了指導(dǎo)8。朱惠斌等研究了冬季昆明地區(qū)燃油熱風(fēng)加溫條件下Venlo型3屋脊PC 板溫室溫度場的數(shù)值模擬問題;對溫室室內(nèi)溫度進行現(xiàn)場實測,并建立了數(shù)學(xué)模型,利用CFD技術(shù)對溫室進行全尺度數(shù)值模擬,研究分析了單點熱風(fēng)加溫的分布特點,為該地區(qū)加溫溫室的設(shè)計和優(yōu)化提供了依據(jù)9。22在夏季溫室溫度場中的應(yīng)用研究李永欣等用CFD方法對Venlo型溫室夏季結(jié)

15、合室外遮陽和屋頂噴淋措施的自然通風(fēng)降溫過程進行了研究,結(jié)果表明,室外遮陽和屋頂噴淋措施可以明顯降低溫室室內(nèi)溫度,CFD模擬的溫室室內(nèi)溫度分布趨勢也和試驗測試結(jié)果一致10。程秀花等以未種植作物的Venlo型2連棟空玻璃溫室為研究對象,基于CFD 數(shù)值方法分析了室內(nèi)溫度時空分布規(guī)律,結(jié)果模擬得到的室內(nèi)溫度空間呈梯度分布,溫室縱向溫度分布南北兩側(cè)較高,橫向則東側(cè)溫度高于西側(cè),在作物區(qū)溫度分布比較均勻一致11。吳飛青等以浙江地區(qū)大型Venlo型玻璃溫室為研究對象,采集夏季機械通風(fēng)條件下的溫室溫度和速度,并在考慮了作物、太陽輻射和熱輻射因素下建立CFD數(shù)學(xué)模型,采用標準k湍流模型和SIMPLE算法的有限

16、體積法,對室內(nèi)流場和溫度場進行了數(shù)值模擬12。23在日光溫室溫度場中的應(yīng)用研究日光溫室是我國一種特有的溫室形式,國內(nèi)有一些研究是利用CFD的方法研究日光溫室的熱環(huán)境。邢蘭以均勻供熱系統(tǒng)條件下,高溫度嚴寒地區(qū)傾斜式加熱日光溫室為研究對象,建立溫室CFD 理論模型,對不同夯實黏土厚度墻體、不同材料墻體和不同材料采光面對溫室熱環(huán)境的影響進行了深入的研究,利用FLUENT軟件對溫室進行三維數(shù)值模擬,結(jié)果表明,利用CFD方法可以對溫室內(nèi)部溫度場進行準確的預(yù)測與分析13。佟國紅等以沈陽地區(qū)日光溫室為研究對象,采用CFD技術(shù)模擬日光溫室溫度場動態(tài)變化規(guī)律,在模擬過程中以天空輻射溫度、室外空氣溫度、空氣相對濕

17、度、太陽輻照度和風(fēng)速等室外氣象因子以及溫室圍護結(jié)構(gòu)外表面的對流輻射換熱系數(shù)、溫室內(nèi)1m深土壤溫度等作為邊界條件,研究結(jié)果為日光溫室的設(shè)計和熱環(huán)境預(yù)測提供了依據(jù)14。隨后,他們又以溫室夜間各表面的溫度為邊界條件,采用CFD 軟件對溫室溫度環(huán)境進行二維及三維空間的穩(wěn)態(tài)模擬求解并與測試結(jié)果進行對比,結(jié)果表明,用二維模型模擬溫室中間橫剖面溫度是可行15。之后,他們又補充了邊界條件冷風(fēng)滲透產(chǎn)生的潛熱損失及溫室表面因冷凝產(chǎn)生的潛熱,對復(fù)合墻、全磚墻及全苯板墻的12m跨度日光溫室的溫度環(huán)境進行了模擬,結(jié)果表明,采用動態(tài)模擬模型可以優(yōu)選溫室墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究以達到節(jié)能的目的,同時還可預(yù)測不同墻體溫室的室內(nèi)溫度1

18、6。常麗娜以濟南地區(qū)土質(zhì)墻體被動式日光溫室為例,對頂部自然通風(fēng)的被動式日光溫室的熱濕環(huán)境進行了研究;建立了溫室熱濕環(huán)境的三維非穩(wěn)態(tài)CFD模型,對溫室內(nèi)溫濕度分布進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明,溫室通風(fēng)時,室外風(fēng)速和風(fēng)向?qū)κ覂?nèi)溫濕度場有明顯的影響,且風(fēng)速對溫度的影響更顯著17。3CFD在溫室流場研究中的應(yīng)用研究31在溫室自然通風(fēng)流場中的應(yīng)用研究1989年開始,國內(nèi)外許多研究者采用CFD技術(shù)對溫室流場進行了研究。荷蘭研究者Mistriotis等對典型地中海溫室的自然通風(fēng)過程進行研究,采用標準k湍流模型、雙尺度RNG模型和CK模型分別對溫室環(huán)境進行模擬,結(jié)果表明,雙尺度RNG湍流模型的模擬結(jié)果比標準的k模

19、型吻合性更好,但CK模型的模擬結(jié)果能很好地再現(xiàn)溫室的總體流動;長度小于50m的溫室有更好的通風(fēng)率;溫室的通風(fēng)率不僅取決于他的設(shè)計特性還取決于當?shù)氐臍夂驐l件18。Lee等研究了室外風(fēng)速、風(fēng)向、窗口尺寸和作物對45個跨度的雙層聚乙烯溫室的影響,結(jié)果表明,當所有窗口全部打開時,東風(fēng)引起的空氣流動性比西風(fēng)好;側(cè)窗開口尺寸影響空氣交換率;側(cè)窗關(guān)閉、天窗打開時比天窗關(guān)閉和側(cè)窗打開的通風(fēng)性能更好19。土耳其研究者Kacira等利用CFD技術(shù)對哥特式連棟溫室的通風(fēng)問題進行了研究,結(jié)果表明,當側(cè)窗和頂窗都打開通風(fēng)時,通風(fēng)率達到最大。如果忽略熱壓的作用,通風(fēng)率將會隨著室外風(fēng)速增加呈線性增加;通風(fēng)率隨著溫室跨度的增

20、加而減少且呈指數(shù)衰減20。他們還研究了窗口配置、作物和外界風(fēng)速對溫室氣流模式和作物葉冠層通風(fēng)情況的影響,結(jié)果表明,溫室和葉冠層的通風(fēng)率與外界風(fēng)速呈正比;當側(cè)窗和天窗完全打開時,溫室達到最大的通風(fēng)率21。沈明衛(wèi)等分別研究了單棟和連棟溫室流場的分布情況,結(jié)果表明,平行屋脊單棟溫室氣流在溫室內(nèi)對稱性較好;頂窗配置形式對3連棟塑料溫室的自然通風(fēng)有較大影響,其中配置小屋脊溫室流場分布情況最好,半拱頂窗次之,谷間頂窗最差2223。樊琦等建立了華東型連棟塑料溫714440卷7期金玲等CFD在溫室室內(nèi)環(huán)境研究中的應(yīng)用室的二維、穩(wěn)態(tài)的湍流模型,分別對開普通齒條頂窗溫室和開法國式大窗頂窗溫室流場進行模擬比較,結(jié)果

21、表明,普通齒條開窗的可控的跨數(shù)較大,法國式大開窗溫室通風(fēng)較均勻24。程秀花等以栽有番茄的Venlo型2連棟玻璃溫室為研究對象,分析溫室內(nèi)氣流分布情況,結(jié)果表明,室外氣流由南側(cè)天窗和側(cè)窗南部以較高流速進入室內(nèi)時,溫室南部氣流紊流程度高,存在流渦區(qū);北側(cè)流速均勻;溫室中部作物區(qū)及冠層上方氣流流動平緩,流速較低;靠近側(cè)窗的溫室空間以風(fēng)壓通風(fēng)為主,作物冠層及側(cè)窗上部空間熱壓作用明顯25。32在有防護網(wǎng)溫室流場中的應(yīng)用研究摩洛哥研究者Fatnassi等先后以摩洛哥型番茄溫室和玫瑰溫室為研究對象,使用CFD對不同的防護網(wǎng)進行分析,結(jié)果表明,防護網(wǎng)能使溫室的溫濕度增加2627。沈明衛(wèi)等以連棟塑料溫室自然通風(fēng)

22、的流場作為研究對象,通過CFD方法分析了防蟲網(wǎng)對溫室流場的影響,結(jié)果表明,防蟲網(wǎng)減弱了溫室的整體自然通風(fēng)效果,設(shè)置防蟲網(wǎng)后通風(fēng)主要動力由風(fēng)壓通風(fēng)占主導(dǎo)地位變?yōu)橛蔁釅和L(fēng)占主導(dǎo)地位28。33在溫室機械通風(fēng)流場中的應(yīng)用研究童莉等采用CFD軟件對機械通風(fēng)和太陽輻射同時作用下華北型聯(lián)棟溫室的三維氣流場和溫度場進行了數(shù)值模擬研究,研究中不考慮植物存在的影響,結(jié)果得到了合理的速度場分布和溫度場分布,同時發(fā)現(xiàn),通過改變?nèi)肟陲L(fēng)速和濕簾高度可以調(diào)控溫室內(nèi)氣溫;提高入口風(fēng)速和濕簾高度,可以增大溫室的可控距離29。4CFD在溫室室內(nèi)環(huán)境研究上的應(yīng)用展望近年來的研究中,CFD的預(yù)測結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)有著很好的吻合性,說明

23、應(yīng)用CFD研究溫室內(nèi)的氣流場及溫度場的變化時具有較高的準確性?？偨Y(jié)前人的研究成果,認為還可以利用CFD進行更加全面細致的溫室室內(nèi)環(huán)境研究:前人的研究涉及了Venlo型溫室、連棟溫室和日光溫室等,對于其他類型的溫室還需要加以研究,確定合適的邊界條件,并對模擬結(jié)果的準確性進行評估。應(yīng)對我國不同地區(qū)、不同氣候條件下的溫室熱環(huán)境進行CFD數(shù)值分析,使研究更系統(tǒng)、更完善。引入不同作物CFD模型,考慮作物對溫室小氣候環(huán)境的影響,以實現(xiàn)更貼近實際精度的數(shù)值模擬。5結(jié)語CFD技術(shù)具有方便、省時、成本低和運用范圍廣等優(yōu)點,應(yīng)用于溫室環(huán)境領(lǐng)域可以對溫室內(nèi)部溫度場、流場、濕度等參數(shù)進行準確地預(yù)測與分析,必將成為溫室

24、研發(fā)的有力武器。參考文獻1陳曉機械通風(fēng)條件下Veulo型溫室內(nèi)溫度場與流場的數(shù)值模擬研究D杭州:浙江工業(yè)大學(xué),20082SMALE N J,MOUREH J,CORTELLA GA review of numerical models ofairflow in refrigerated food applicationsJInternational Journal of Refrig-eration,2006,29:9119303陶文銓數(shù)值傳熱學(xué)M2版西安:西安交通大學(xué)出版社,20024VOLLEBERGT H J M,Van de BRAAK N JAnalysis of radiative

25、 and con-vective heat exchange at greenhouse wallsJAgrie Eng Res,1995,60(2:991065朱文見冬季供暖條件下連棟溫室夜間熱環(huán)境的CFD模擬D北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),20056陳教料,胥芳,張立彬,等基于CFD技術(shù)的玻璃溫室加熱環(huán)境數(shù)值模擬J農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008,39(8:1141187吳飛青,胥芳,張立彬,等基于多孔介質(zhì)的玻璃溫室加熱環(huán)境數(shù)值模擬J農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(2:1801858吳飛青溫室冬季熱環(huán)境數(shù)值分析與實驗研究D杭州:浙江工業(yè)大學(xué),20109朱惠斌,楊薇,白麗珍熱風(fēng)加溫下Venlo型溫室溫度場的CFD

26、數(shù)值模擬J農(nóng)機化研究,2010,4(4:11411810李永欣,李保明,李真,等Venlo型溫室夏季自然通風(fēng)降溫的CFD數(shù)值模擬J中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,9(6:444811程秀花,毛罕平,伍德林,等玻璃溫室自然通風(fēng)熱環(huán)境時空分布數(shù)值模擬J農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(6:17918312吳飛青,張立彬,胥芳,等機械通風(fēng)條件下玻璃溫室熱環(huán)境數(shù)值模擬J農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2010,41(1:15315813邢蘭傾斜式日光溫室冬季熱環(huán)境的模擬研究D哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),200614佟國紅,李保明,CHRISTOPHER D M,等用CFD方法模擬日光溫室溫度環(huán)境初探J農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(

27、7:17818515佟國紅,CHRISTOPHER D M,李天來,等日光溫室二維及三維模擬對溫度模擬結(jié)果的影響J上海交通大學(xué)學(xué)報:農(nóng)業(yè)科學(xué)版,2008,26(10:42042316佟國紅,CHRISTOPHER D M墻體材料對日光溫室溫度環(huán)境影響的CFD模擬J農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(3:15315717常麗娜被動式日光溫室熱濕環(huán)境實驗與數(shù)值模擬研究D濟南:山東建筑大學(xué),201118MISTRIOTIS A,BOT G P A,PICUNO P,et alAnalysis of the efficiencyof greenhouse ventilation using computat

28、ional fluid dynamicsJAgricul-tural and Froest Meteorology,1997,85:21722819LEE I B,SHORT T HVerification of computational fluid dynamic tem-perature simulations in a full-scale naturally ventilated greenhouseJASAE Paper,2001,44(1:11912720KACIRA M,SASE S,OKUSHIMA LEffects of side vents and span num-bers on windinduced natural ventilation of a Gothic Multi