cfd在農(nóng)業(yè)建筑工程中的應(yīng)用

cfd在農(nóng)業(yè)建筑工程中的應(yīng)用

0cfd的應(yīng)用fd（復(fù)合詞）是現(xiàn)代數(shù)學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)的產(chǎn)物。隨著近年來CFD物理模型和計算方法的不斷完善和改進(jìn),計算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提高,許多成熟的商業(yè)化CFD計算軟件得到了不斷地推廣。CFD研究方法在很多行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,如石油天然氣工業(yè)、動力工業(yè)、冶煉加工、汽車設(shè)計、化學(xué)處理、生物醫(yī)學(xué)、暖通空調(diào)、食品加工等。CFD研究以3大守恒定律(質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律)作為計算的控制方程,采用有限體積法(FiniteVolumeMethod)把連續(xù)的計算域離散成許多個子區(qū)域(體積單元),借助高性能計算機(jī)在每個體積單元上對控制方程組進(jìn)行數(shù)值求解,進(jìn)而在整個計算域上分析流體流動、傳熱和傳質(zhì)的規(guī)律。近年來,一種全新的CFD應(yīng)用于園藝領(lǐng)域,在該領(lǐng)域CFD被用來模擬溫室內(nèi)部氣候環(huán)境。然后,利用這些模型來研究溫室內(nèi)部環(huán)境對外部環(huán)境和控制的依賴性。1非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用采用統(tǒng)一式的方法計算網(wǎng)格,在這科學(xué)目前,有關(guān)溫室領(lǐng)域CFD模擬的研究論文都是采用商業(yè)CFD軟件包或為基于相同的理論和數(shù)學(xué)方法的程序在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行的。自從1981年英國CHAM公司首先推出求解流動與傳熱問題的商業(yè)軟件PHOENICS以來,迅速在國際軟件產(chǎn)業(yè)中形成了通稱為CFD軟件產(chǎn)業(yè)市場。到目前為止,全世界至少已有50余種這樣的流動與傳熱問題的商業(yè)軟件,在促進(jìn)CFD技術(shù)在工業(yè)實際中的應(yīng)用起著重要的作用。下面介紹國內(nèi)有關(guān)高等院校和研究院所引進(jìn)的5種軟件。1)CFX。該軟件采用有限容積法、拼片式塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,在非正交曲線坐標(biāo)(適體坐標(biāo))系上進(jìn)行離散,變量的布置采用同位網(wǎng)格方式。可計算的物理問題包括不可壓縮及可壓縮流動、耦合傳熱問題、多相流、粒子運(yùn)輸過程、化學(xué)反映、氣體燃燒、熱輻射等,同時還可以處理滑移網(wǎng)格,用來計算透平機(jī)械中葉片間的流場。2)FIDAP。該軟件是世界上第一個使用有限元法(FEM)的CFD軟件。其可以計算可壓縮及不可壓縮流、凝固與熔化、層流與湍流、單相與兩相流、牛頓流體及非牛頓流體的流動問題等。3)FLUENT。這一軟件是繼PHOENICS軟件后第二個投放市場的基于有限容積法的軟件,包含有結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩個版本。其可以計算的物理問題類型有:定常與非定常流動,不可壓縮與可壓縮流動,含有粒子/液滴的蒸發(fā)、燃燒的過程、多組份介質(zhì)的化學(xué)反映過程等。4)PHOENICS。這是世界上第一個投放市場的CFD商用軟件(1981),可以算是CFD/NHT商用軟件的鼻祖。這一軟件中所采用的一些基本算法,如SIMPLE方法、混合格式等,由該軟件的創(chuàng)始人DBSpalding及其合作者SVPatankar等所提出,對以后開發(fā)的商用軟件有著較大的影響。5)STAR-CD。這是基于有限容積法的一個通用軟件。在網(wǎng)格生成方面,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,還可以與目前通用的CAD/CAE軟件相連接,如ANSYS,I-DEAS,NASTRAN,PATRAN等,在適應(yīng)復(fù)雜計算區(qū)域的能力方面具有特別的優(yōu)勢。應(yīng)用這一軟件可以計算穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動,牛頓流體及非牛頓流體的流動,多孔介質(zhì)中的流動,亞音速及超音速流動,涉及導(dǎo)熱、對流與輻射換熱的流動問題,涉及化學(xué)反應(yīng)的流動與傳熱問題及多相流的數(shù)值分析等。2氣候變量和模型的確定從該領(lǐng)域第一篇論文(Okushima等1989)的出現(xiàn)到現(xiàn)在,能夠看到在溫室研究領(lǐng)域CFD模擬的復(fù)雜性和真實性的一個清晰的發(fā)展歷程。這主要是由于隨著時間的推進(jìn),新的、更快速和更高性能的硬件對更復(fù)雜的情況預(yù)測更具有準(zhǔn)確性;同時,CFD軟件包擁有越來越多的算法庫和計算方法而變得更強(qiáng)大和復(fù)雜,從而也增加了它的應(yīng)用范圍。大部分小型溫室和比例溫室模型的CFD初步研究都是用來研究溫室內(nèi)部環(huán)境的。后者的研究是為了通過風(fēng)洞實驗對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證,因為風(fēng)洞實驗無法對實際大小的溫室進(jìn)行測量。絕大多數(shù)溫室的研究都是在無植物條件下進(jìn)行的。大多數(shù)的研究人員認(rèn)為應(yīng)將植物和結(jié)構(gòu)的因素考慮進(jìn)來。如果要對溫室內(nèi)部氣候環(huán)境進(jìn)行真實的模擬,則植物和氣候環(huán)境間的交互作用是不可以被疏忽的。然而,一些模擬將植物當(dāng)作內(nèi)部環(huán)境的一部分,植物被視為多孔介質(zhì),植物模型中包括二氧化碳的吸收。需要更詳細(xì)和具體的植物模型,其中可能包括太陽輻射、濕度和溫度的影響。模型的細(xì)化必須注意研究下面幾方面的平衡,包括模型復(fù)雜性,對模擬技術(shù)、計算能力以及模擬輸出結(jié)果必要的準(zhǔn)確性。大部分的研究是采用二維模擬。與三維模擬相比,它減少了模擬過程的復(fù)雜性,也大大地減少了計算量。從某種程度來說,三維模擬是必需的,因為二維模擬達(dá)不到需要的準(zhǔn)確性;而三維模擬的主要缺點(diǎn)對硬件的計算能力要求高。模擬一個標(biāo)準(zhǔn)尺寸的商業(yè)連棟溫室需要一個超級計算機(jī)才能完成。對CFD研究的探討中發(fā)現(xiàn),在這個工作中適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)參數(shù)的選擇和充分正確的邊界條件的設(shè)定對結(jié)果的正確性是至關(guān)重要的。其中,一個例子就是湍流模型的選擇。對于自然通風(fēng)的溫室,雙尺度湍流模型的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型有著較好的結(jié)果;而對于機(jī)械通風(fēng)的溫室,二者的效果相差不多。除了湍流、對流、傳導(dǎo)和輻射外,傳熱傳質(zhì)過程也是一些模擬研究的主題。在不同的模擬中,變量一般有氣流速度和方向、溫度、二氧化碳濃度和空氣濕度。在自然通風(fēng)下不同類型和大小的溫室中,對受熱壓作用的通風(fēng)如零風(fēng)速和低風(fēng)速情況以及受風(fēng)壓作用的通風(fēng)的模擬都較為成功。得到結(jié)論是側(cè)窗的存在增加了空氣交換率,從而也降低了室內(nèi)溫度。對于地中海型溫室、其他一些拱型和鋸齒型溫室,一般的結(jié)論是如果溫室的跨數(shù)較多則意味著通風(fēng)效率的減少和作物水平的溫度較高,并且觀察得到增加通風(fēng)口開放面積確實增加了空氣交換,同樣增加了風(fēng)速,在所有的通風(fēng)情形中情況都是如此。如果沒有側(cè)窗,在下風(fēng)通風(fēng)的情況下,在開著天窗的Venlo型溫室當(dāng)中的作物水平高度存在逆流。一種嘗試對大型商業(yè)Venlo型溫室的一個代表性區(qū)段進(jìn)行的模擬不能達(dá)到期望的準(zhǔn)確性。因此,對完全的和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的溫室進(jìn)行模擬成為必要。3cfd的應(yīng)用由于國外連棟溫室較少應(yīng)用機(jī)械通風(fēng)降溫系統(tǒng),到目前僅Baileyetal(1994)對機(jī)械通風(fēng)下的Venlo型連棟溫室的內(nèi)部流場進(jìn)行了CFD模擬。模擬采用三維模型和穩(wěn)態(tài),CFD研究的對象是一個封閉的4連跨溫室和一個9連跨溫室,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-e湍流模型。首先,對4連跨溫室(12.8m×33.3m)的預(yù)測結(jié)果和有限的實驗結(jié)果進(jìn)行比較,證明了CFD方法的可行性。隨后,利用CFD進(jìn)行研究相同溫室中風(fēng)機(jī)位置對溫室內(nèi)部流場的影響。然而,對于帶有雙風(fēng)機(jī)的9連跨的商業(yè)溫室(56.7m×47.5m)的模擬并不成功,無法進(jìn)行滿意地運(yùn)行,而且風(fēng)機(jī)的最適宜的位置也無法確定。由于國外的豬舍和雞舍多采用機(jī)械通風(fēng),所以這方面類似的研究也相對多些。2001年,HuaweiSun等利用CFD研究機(jī)械通風(fēng)豬在不同風(fēng)速下舍內(nèi)的流場分布,探討豬舍內(nèi)部布置方式,改善氨在舍內(nèi)的分布。2002年,Lee等利用CFD對強(qiáng)制通風(fēng)豬舍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,給出不同通風(fēng)率下,小豬所在位置的風(fēng)速。我國氣候有3大特點(diǎn):顯著的季風(fēng)特色、明顯的大陸性氣候和多樣的氣候類型。所以,大部分地區(qū)冬冷夏熱,我國的連棟溫室在夏季高溫季節(jié)大多數(shù)采用機(jī)械通風(fēng)降溫系統(tǒng),溫室制造商對商業(yè)溫室內(nèi)部環(huán)境信息的需求也越來越多,但國內(nèi)這方面的研究卻剛剛起步。2002年,童莉?qū)C(jī)械通風(fēng)的華北型連棟溫室內(nèi)部溫度和流場進(jìn)行了二維的CFD模擬。目前,筆者正致力于用對機(jī)械通風(fēng)的華北型連棟溫室的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行三維CFD模擬和優(yōu)化設(shè)計。4利用實驗技術(shù)進(jìn)行的氣候測量利用CFD模擬溫室內(nèi)部氣候環(huán)境才剛剛起步,這需要更多的時間來關(guān)注。未來新的硬件和軟件將會使利用更加復(fù)雜,需進(jìn)行大模型的模擬。然而,此時對模擬結(jié)果的驗證卻相應(yīng)地變少了,尤其是對大型的商業(yè)溫室來說,不能夠被按比例縮小來進(jìn)行風(fēng)洞實驗再和CFD的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。研究人員利用實驗技術(shù)來獲得溫室內(nèi)部的氣候信息,包括P