灌溉排水學(xué)報(bào) Journal of Irrigation and Drainage ISSN 1672 3317 CN 41 1337 S 灌溉排水學(xué)報(bào) 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文 題目 側(cè)通風(fēng)窗縱橫比對(duì)連棟溫室流場(chǎng)均勻性的影響 作者 高振軍 司長(zhǎng)青 丁小明 李葦 何芬 李文楊 張建波 DOI 10 13522 ki ggps 2022165 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期 2022 09 17 引用格式 高振軍 司長(zhǎng)青 丁小明 李葦 何芬 李文楊 張建波 側(cè)通風(fēng)窗縱橫比 對(duì)連棟溫室流場(chǎng)均勻性的影響 J OL 灌溉排水學(xué)報(bào) https doi org 10 13522 ki ggps 2022165 網(wǎng)絡(luò)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(píng)議 主編終審?fù)饪玫母寮?排版定稿指錄用定稿按照期 刊特定版式 包括網(wǎng)絡(luò)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(luò)首發(fā)稿件內(nèi)容必須符合 出 版管理?xiàng)l例 和 期刊出版管理規(guī)定 的有關(guān)規(guī)定 學(xué)術(shù)研究成果具有創(chuàng)新性 科學(xué)性和先進(jìn)性 符合編 輯部對(duì)刊文的錄用要求 不存在學(xué)術(shù)不端行為及其他侵權(quán)行為 稿件內(nèi)容應(yīng)基本符合國家有關(guān)書刊編輯 出版的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語言文字 符號(hào) 數(shù)字 外文字母 法定計(jì)量單位及地圖標(biāo)注等 為確保錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)的嚴(yán)肅性 錄用定稿一經(jīng)發(fā)布 不得修改論文題目 作者 機(jī)構(gòu)名稱和學(xué)術(shù)內(nèi)容 只可基于編輯規(guī)范進(jìn)行少量文字的修改 出版確認(rèn) 紙質(zhì)期刊編輯部通過與 中國學(xué)術(shù)期刊 光盤版 電子雜志社有限公司簽約 在 中國 學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 出版?zhèn)鞑テ脚_(tái)上創(chuàng)辦與紙質(zhì)期刊內(nèi)容一致的網(wǎng)絡(luò)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?yàn)?中國學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 是國家新聞出 版廣電總局批準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連續(xù)型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以簽約期刊的網(wǎng)絡(luò)版上網(wǎng)絡(luò)首 發(fā)論文視為正式出版 文章編號(hào) 1672 3317 2022 0X xxxx 05 側(cè)通風(fēng)窗 縱橫比對(duì)連棟溫室 流場(chǎng)均勻性 的影響 高振軍 1 司長(zhǎng)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(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院 湖北 宜昌 443002 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能建造重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)通風(fēng)窗縱橫比對(duì)連棟溫室內(nèi)流場(chǎng)均勻性的影響 為溫室設(shè)計(jì)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(duì)象 采用數(shù)值模 擬和試驗(yàn)結(jié)合的方法 設(shè)計(jì)了 4 種不同開窗縱橫比方案 并與試驗(yàn)溫室 即開窗方案 C 進(jìn)行對(duì)比 引入不均勻系數(shù)評(píng)價(jià)流場(chǎng)均勻性 研究不同開窗縱橫比下連棟溫室內(nèi)流 場(chǎng)的分布規(guī)律 結(jié)果 通過實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比 溫度 風(fēng)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(yàn)證了模型的有效性 不同開窗縱橫比對(duì)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(fēng)速和風(fēng)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(fēng)速提高了 23 風(fēng)速 不均勻系數(shù)降低了 41 結(jié)論 從溫室內(nèi)流場(chǎng)分布角度來看 適當(dāng)降低側(cè)通風(fēng)窗縱橫比 能夠有效降低溫度 風(fēng) 速不均勻程度 關(guān) 鍵 詞 連棟溫室 縱橫比 自然通風(fēng) 數(shù)值模擬 中圖分類號(hào) S625 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2022165 高振軍 司長(zhǎng)青 丁小明 等 側(cè)通風(fēng)窗縱橫比對(duì)連棟溫室流場(chǎng)均勻性的影響 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 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(shè)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(fēng)作為溫室環(huán)境調(diào)控常用 的方式 具有經(jīng)濟(jì)節(jié)約能耗的特點(diǎn) 因此在日常運(yùn) 行管理中優(yōu)先使用 已有研究表明通風(fēng)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(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響尚未了解 研究進(jìn)展 計(jì)算流體力學(xué) CFD computational fluid dynamic 作為一種新興 高效的計(jì)算手段 廣 泛應(yīng)用于溫室通風(fēng)等相關(guān)領(lǐng)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(chǎng)分布具有重 要作用 柏宗春等 6 研究了自然通風(fēng)條件下大棚通 風(fēng)窗的開設(shè)位置 借助 Fluent 軟件研究不同側(cè)窗和 天窗尺寸下大棚內(nèi)部的流場(chǎng)規(guī)律 趙融盛等 7 以陜 西 地區(qū)塑料溫室為研究對(duì)象 分析并比較 4 種側(cè)通 基金項(xiàng)目 十三五 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 2017YFD0701500 農(nóng)業(yè)農(nóng)村 部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題 201903 作者簡(jiǎn)介 高振軍 1986 男 副教授 主要從事 溫室環(huán)境模擬 及流 體 機(jī)械 E mail 570186276 通 信 作者 丁小明 1976 男 研究員 主要從事 溫室設(shè)施裝備研究和 標(biāo)準(zhǔn)化 E mail dingxiaoming 風(fēng)口高度下 40 60 80 100 cm 下室內(nèi)流場(chǎng) 氣溫 相對(duì)濕度均勻性 何科奭 8 等人研究開窗配 置對(duì)溫室微氣候的影響 揭示極低風(fēng)速下 小于 0 6 m s 單棟塑料溫室內(nèi)氣流和溫度場(chǎng)的分布特征 Rasheed等 9 利用 CFD技術(shù) 比較 7種不同屋頂和通 風(fēng)口條件下塑料大棚內(nèi)溫度和通風(fēng)率大小 以上研 究大多關(guān)注 CFD 方法在單棟塑料溫室 單跨溫室的 應(yīng)用 多數(shù)只考慮溫室流場(chǎng)分布特征 缺乏對(duì)流場(chǎng) 均勻性 的研究 切入點(diǎn) 目前 鮮有 研究 自然通風(fēng)情況下側(cè) 通風(fēng)窗縱橫比對(duì)溫室內(nèi)流場(chǎng) 的影響 擬解決關(guān)鍵問 題 本研究 以 廣州地區(qū)連棟蝶形開窗溫室 為研究對(duì) 象 建立連棟溫室三維數(shù)值模型 設(shè)計(jì)了 4 種不同 開窗縱橫比并與試驗(yàn)溫室模型進(jìn)行對(duì)比 引入溫 度 風(fēng)速不均勻性系數(shù) 對(duì) 溫室流場(chǎng)分布特性 進(jìn)行 評(píng)價(jià) 探索不同開窗縱橫比對(duì) 室內(nèi)溫度及風(fēng)速的 分 布規(guī)律 1 材料與方法 1 1試驗(yàn)溫室 試驗(yàn)溫室位于廣州市天河區(qū)柯木塱農(nóng)業(yè)技術(shù)推 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間 2022 09 17 08 01 51 網(wǎng)絡(luò)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(zhǎng) 36 m 寬 28 8 m 肩高 6 5 m 脊高 7 5 m 溫室東西兩側(cè)設(shè)有濕簾風(fēng)機(jī)降溫裝 置以及側(cè)通風(fēng)窗 頂窗采用電動(dòng)扭矩分配開窗機(jī) 構(gòu) 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(yàn)條件 選取廣州地區(qū)夏季典型天氣進(jìn)行試驗(yàn) 試驗(yàn)時(shí) 間為 2020年 8月 9日 晴天高溫天氣 風(fēng)向與屋脊 方向平行 即與溫室迎風(fēng)面垂直 室外風(fēng)速為 0 3 m s 室內(nèi)無作物 試驗(yàn)期間環(huán)境穩(wěn)定 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從 9 00 開始 18 00 結(jié)束 期間溫室頂窗 側(cè)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(shí)自 動(dòng)采集室內(nèi)外溫度 風(fēng)速 室內(nèi)共設(shè)置 27 個(gè)監(jiān)測(cè) 點(diǎn) 在 0 6 2 5 3 0 m 高度 處 各布置 9 個(gè)采集器 圖 1 室外數(shù)據(jù)采集器距地 2 5 m 進(jìn)行安裝 周 圍無遮擋 a 連棟溫室實(shí)際檢測(cè)點(diǎn)平面圖 b 連棟溫室實(shí)際檢測(cè)點(diǎn)立面圖 圖 1 連棟溫室室內(nèi)測(cè)溫點(diǎn)示意圖 Fig 1 Schematic diagram of indoor temperature measurement points in multi span greenhouse 1 3 評(píng)價(jià)方法 1 3 1 溫室流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo) 以平均溫度 平均風(fēng)速 作為室內(nèi)流場(chǎng)評(píng)價(jià)指 標(biāo) 可以反映溫室內(nèi)流場(chǎng)的基本情況 對(duì)于連棟溫 室而言 室內(nèi)溫度 風(fēng)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(fēng)速不均勻系數(shù) 作為連棟溫室流場(chǎng)均勻性評(píng)價(jià) 指標(biāo) 10 計(jì)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(chǎng)均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算的更加準(zhǔn) 確 11 本研究在溫室長(zhǎng)寬高 3 個(gè)方向分別以 4 6 4 1 m均勻取點(diǎn) 共選取 350個(gè)取樣點(diǎn) 1 3 2 模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo) 為了評(píng)價(jià)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性 引入 相對(duì) 誤差 平均 絕對(duì) 誤差和均方根誤差 root mean square error RMSE 評(píng)價(jià)模型的精度 12 評(píng)價(jià)指標(biāo)越小 意味著 模型精度越高 均方根誤差計(jì)算公式如下 5 式中 為參數(shù)模擬值 即溫度 或風(fēng)速 m s x 為參數(shù)實(shí)際值 即溫度 或風(fēng)速 m s n為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量 本研究為 27 1 4 模擬方案 通過文獻(xiàn)調(diào)研 當(dāng)室外風(fēng)速小于 0 5 m s 時(shí) 由 室內(nèi)外溫差 所 引起的熱壓通風(fēng) 對(duì)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(fēng)壓和熱壓 共同作用下 采用數(shù)值計(jì)算的方法 探索不同開窗 縱橫比對(duì)溫室內(nèi)流場(chǎng)均勻性的影響 在保證開窗面 積以及通風(fēng)窗底邊高度 一致的前提下 只改變側(cè)通 風(fēng)窗縱橫尺寸之間的比例 設(shè)計(jì)了 4 種不同開窗方 案與試驗(yàn)溫室進(jìn)行比較 采用瞬態(tài)模擬 實(shí)際模擬 時(shí)間 10分鐘 不同開窗方案見表 1 表 1 不同開窗縱橫比側(cè)通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)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(fēng)窗長(zhǎng)度方向與高度方向的比值 2 CFD模型 2 1控制方程 假設(shè)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(dòng)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(shí)間 s 為 流體風(fēng)速矢量 m s 表示廣義擴(kuò)散系數(shù) m2 s 表示廣義 源相 W m2 2 2物理 模型 對(duì)連棟溫室 物理模型 進(jìn)行簡(jiǎn)化 忽略作物栽培 架對(duì)自然通風(fēng)的影響 試驗(yàn)時(shí)濕簾風(fēng)機(jī)裝置 并 未運(yùn) 行 模型對(duì)其進(jìn)行刪除 將溫室高度 7 5 m作為距離 單位 H 計(jì)算域入口與溫室迎風(fēng)面的距離為 5 H 計(jì) 算域出口與溫室背風(fēng)面的距離為 15 H 計(jì)算域側(cè)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(zhǎng)度 方向?yàn)?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(cè)各設(shè) 9 個(gè)側(cè)通風(fēng)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(jì)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(guān)性檢驗(yàn) 對(duì)于數(shù)值模擬 需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn) 以 保證網(wǎng)格數(shù)量不影響最終計(jì)算結(jié)果 本研究設(shè)置 3 種不同網(wǎng)格劃分方案 并將模擬溫度值和實(shí)際測(cè)量 值比較得到平均誤差 結(jié)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(jì)算要求 考慮到計(jì)算精度及耗費(fèi)時(shí)間 選擇細(xì)網(wǎng)格劃分方 式 表 2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn) 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(xì)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(fēng) 室內(nèi)環(huán)境對(duì)作物生長(zhǎng) 具有較大影響 因此 本研究選取中午 13 00作為模 型初始時(shí)刻 對(duì)模型進(jìn)行初始化設(shè)置 室外初始溫 度為 32 6 室內(nèi)溫度為 42 2 西面 進(jìn)風(fēng)口設(shè)為 速度進(jìn)口 大小為 0 3 m s 弱風(fēng)條件 方向與屋脊 方向平行 入口溫度為 32 6 東面 出風(fēng)口為壓力 出口 壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 溫室地面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè) 置為壁面邊界條件 通風(fēng)窗設(shè)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(duì)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(jì)算域中 選 擇 RNG 湍流 模型進(jìn)行模擬 求解器采用瞬態(tài) 基于壓力求解 選擇 SIMPLEC算法 動(dòng)量和湍流動(dòng) 能選用二階迎風(fēng)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(dǎo)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(jié)果分析 3 1模型驗(yàn)證 為了驗(yàn)證連棟溫室模型 的準(zhǔn)確性 以 13 00實(shí)際 測(cè)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(fēng) 1 小時(shí) 后室內(nèi)流場(chǎng)的變化 將溫室各監(jiān)測(cè) 點(diǎn)參數(shù)實(shí)測(cè)值和模擬結(jié)果相對(duì)比 得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫 度相對(duì)誤差范圍為 0 09 5 31 平均 相對(duì) 誤差為 2 48 均方根誤差為 1 10 風(fēng)速相對(duì)誤差范圍 為 0 18 92 平均 相對(duì) 誤差為 8 76 均方根誤差 3 2不同開窗縱橫比對(duì)連棟溫室 為 2 1 10 3 m s 表明 該模型能夠準(zhǔn)確模擬室內(nèi)流場(chǎng)分布 可用于后續(xù)溫 室流場(chǎng)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(yùn) 動(dòng) 形成上層高溫下層低溫的分布規(guī)律 長(zhǎng)度方向 上室內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)出 迎風(fēng)側(cè)溫度低 背風(fēng)側(cè)溫度 高 的 現(xiàn)象 一方面是由于室外冷空氣首先和迎風(fēng)窗 附近熱空氣進(jìn)行交換 帶走了大部分熱量 使得迎 風(fēng)側(cè)溫度低 另一方面 背風(fēng)側(cè)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(jìn)入溫室導(dǎo)致背風(fēng) 側(cè)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(jìn)深能力 即 氣流 沿溫室長(zhǎng)度方向 的深入能力 這 是由于隨著縱橫比不斷增加 通風(fēng) 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(shí)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(zhǎng)度方向截面平均溫度呈現(xiàn)出上升的 趨勢(shì) 這是由 于縱向進(jìn)深距離增加氣流換熱能力減 弱 以及 背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓熱壓共同作用 導(dǎo)致的 詳細(xì)分 析可見 3 2 1 開窗方案 A 沿溫室長(zhǎng)度方向 截面平均 溫度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì) 原因是該縱橫比 下迎風(fēng)側(cè)冷氣流 和背風(fēng)側(cè)熱氣流在溫室中部氣流上 下流通能力較強(qiáng) 導(dǎo) 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(shì)相同 只是 平均 溫度最低區(qū)域位置靠近背風(fēng)側(cè) 此外 通過對(duì)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(duì)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(zhǎng)度方向上的不均勻 系數(shù) 呈現(xiàn)出 先上升后下降 的趨勢(shì) 這是 由于迎風(fēng)側(cè) 氣流發(fā)展時(shí)受到相向而來的背風(fēng)側(cè)氣流 導(dǎo)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(jìn)深 距離增加 迎風(fēng)側(cè)氣流逐漸減弱 背風(fēng)側(cè)氣流 增 強(qiáng) 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(zhǎng)度方向上不均 勻 系數(shù) 呈現(xiàn) 出 緩慢 上升的趨勢(shì) 沒有出現(xiàn)明顯 上下 波動(dòng) 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(zhǎng)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(duì)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(shì) 這是由于空氣在垂直高度方向存在 密度差 迎風(fēng)側(cè)冷空氣由上到下運(yùn)動(dòng) 通風(fēng)窗底部 以下區(qū)域溫度較低 通風(fēng)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(shì) 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(shì) 這是由于迎風(fēng)側(cè)溫度較低 背風(fēng)側(cè)溫度較 高 而通風(fēng)窗所在高度范圍空氣流通能力強(qiáng) 溫度 分布較為均勻 因此隨著高度的增加迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng) 側(cè)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(shì) 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(duì)連棟溫室風(fēng)速的影響 3 3 1 不同開窗縱橫比連棟溫 室縱截面風(fēng)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(fēng)速分布見圖 6 室外空氣從溫室 兩側(cè)通風(fēng)窗進(jìn)入從頂窗排出 兩側(cè)通風(fēng)窗口處風(fēng)速 較高 并且背風(fēng)側(cè)風(fēng)速高于迎風(fēng)側(cè) 隨著開窗縱橫 比的增加 迎風(fēng)側(cè)氣流縱深能力不斷減弱 背風(fēng)側(cè) 氣流縱深能力不斷增強(qiáng) 同時(shí)迎風(fēng)側(cè) 背風(fēng)側(cè)區(qū)域 均出現(xiàn)低速區(qū)域 這是背風(fēng)側(cè)以熱壓為主的上升氣 流和迎風(fēng)側(cè)風(fēng)壓為主的上升氣流相遇 形成氣流漩 渦 導(dǎo)致該區(qū)域流通能力較差 造成風(fēng)速分布不 均 因此在弱風(fēng)條件下 室內(nèi)氣流組織均勻性須同 時(shí)考慮風(fēng)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(shí)不同開窗縱橫比連棟溫室風(fēng)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(fēng)速變化 由圖 7 a 可見 不同開窗縱橫比下 沿溫室長(zhǎng)度 方向截面平均風(fēng)速 均 呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì) 這是由于溫室迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均為高速區(qū)域 在氣 流發(fā)展過程中 兩側(cè)氣流 相遇 容易形成氣流渦 旋 導(dǎo)致平均風(fēng)速下降 并且 開窗方案 A 平均風(fēng) 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(zhǎng)度方向截面風(fēng)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(shí) 風(fēng)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(shí) 風(fēng)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(shí) 風(fēng)速不均勻系數(shù)取得最小值為 0 43 開窗方案 D 在 Y 12m 時(shí) 風(fēng)速不均勻系數(shù)取得最小值 0 42 由此 可 知 風(fēng)速均勻的區(qū)域大多分布在靠近溫室背風(fēng)側(cè) 區(qū)域 這是由于背風(fēng)側(cè)區(qū)域以熱壓通風(fēng)為主 氣流 受到干擾因素較少 風(fēng)速分布較為均勻 a 平均風(fēng)速變化曲線 b 風(fēng)速不均勻系數(shù)變化曲線 圖 7 連棟溫室長(zhǎng)度方向平均風(fēng)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(fēng)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(fēng)速 均 呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢(shì) 這是由于通風(fēng)窗底部以下區(qū)域空氣向上運(yùn)動(dòng)時(shí) 受 到來自迎風(fēng)側(cè)水平方向上的氣流干擾 容易形成氣 流渦旋 平均風(fēng)速下降 隨著高度的增加 氣流發(fā) 展充分 平均風(fēng)速 增大 并且 開窗方案 A 平均風(fēng) 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(fēng)速不 均勻系數(shù)變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì) 主要是 由于溫室兩側(cè)氣流相遇 造成風(fēng)速在同一截面上分 布不均 導(dǎo)致風(fēng)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(fēng)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(shì) 由圖 6 d 可知 這是由于背 風(fēng)側(cè)與迎風(fēng)側(cè)溫室底部風(fēng)速具有較大差異 導(dǎo)致同 一截面風(fēng)速不均勻系數(shù)較大 但隨著高度的增加 流通能力增強(qiáng)使得同一截面風(fēng)速差異減小 a 平均風(fēng)速變化曲線 b 風(fēng)速不均勻系數(shù)變化曲線 圖 8 連棟溫室豎直方向平均風(fēng)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(chǎng)均勻性評(píng)價(jià) 為了全面評(píng)價(jià)不同開窗方案對(duì)溫室通風(fēng)效果的 影響 依據(jù)公式 1 公式 4 計(jì)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(fēng)速 總體風(fēng)速不均勻系數(shù) 計(jì)算結(jié)果如表 4所示 表 4 不同開窗縱橫比下溫室流場(chǎng)均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo) 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(fēng)速 m s 1 總體風(fēng)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(duì)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(fēng)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(fēng)速和風(fēng)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(fēng)速提高了 23 風(fēng)速不均勻系數(shù) 降低了 41 表明開窗縱橫比為 0 5 時(shí) 能夠增加 空氣上下流通能力 降低風(fēng)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(duì)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(fēng)作為連棟溫室常用的通風(fēng)方式之一 通常采用通風(fēng)窗的合理配置以提高室內(nèi)溫度 風(fēng)速 分布 均勻性 王新忠 等人 21 認(rèn)為 側(cè)窗和頂窗 聯(lián)合通 風(fēng)作用下 室內(nèi)降溫效果最好 Akrami 等 22 在 研究 側(cè)通風(fēng)與頂通風(fēng)對(duì)室內(nèi)微氣候的影響 發(fā)現(xiàn)側(cè)通風(fēng) 口對(duì)通風(fēng)的貢獻(xiàn)最大 現(xiàn)有研究表明側(cè)窗對(duì)室內(nèi)氣 流流動(dòng)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(chǎng)均勻 分布 為 作物 生長(zhǎng)提供適宜的 生長(zhǎng)環(huán)境 有 必要 開展 側(cè)通風(fēng)窗對(duì)室內(nèi) 流場(chǎng)分布均 勻性 的 研究 本研究 設(shè)計(jì) 了 5 種不同開窗縱橫比方案 發(fā)現(xiàn) 在不同側(cè)通風(fēng)窗縱橫比下 室內(nèi)溫度 風(fēng)速不均勻 系數(shù) 具有較大差異 主要是由于自然通風(fēng)條件下室 內(nèi)環(huán)境受到風(fēng)壓和熱壓的共同作用 表明開窗縱橫 比對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)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(jìn)深能力不斷增 強(qiáng) 主要是 由于 在開窗面積一定的情況下 側(cè) 通風(fēng) 窗豎向尺寸越大 氣流上下流通能力越強(qiáng) 使得室 內(nèi)溫度 風(fēng)速分布更加均勻 這與程征 23 得出的結(jié) 論一致 開窗縱橫比對(duì)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(duì)室內(nèi) 溫度 大小 影響有限 此外 本研究并未考慮作物對(duì)連棟溫室通風(fēng)的 影響 實(shí)際生產(chǎn)中作物會(huì)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(dǎo)溫室設(shè)計(jì) 建造 5 結(jié) 論 1 將 27 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行對(duì) 比 溫度平均誤差為 2 48 均方根誤差為 1 10 風(fēng)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(yàn)證了模型的 有效性 2 不同開窗縱橫比對(duì)連棟溫室室內(nèi)平均溫度無 顯著變化 但對(duì)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(fēng)側(cè)冷空氣 在溫室長(zhǎng)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(fēng)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(fēng)速和風(fēng)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(fēng)速提高了 23 風(fēng)速不均勻系數(shù)降低了 41 參考文獻(xiàn) 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(fēng)降溫 系統(tǒng)的試驗(yàn)研究 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 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(jì)算方法比 較研究 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 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 analysis of flow and dispersion in cross ventilated isolated buildings Impact of opening positions J Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 2016 155 74 88 4 LEE J ALSHAYEB M CHANG J D A study of shading device configuration on the natural ventilation efficiency and energy performance of a double skin fa ade J Procedia Engineering 2015 118 310 317 5 SHETABIVASH H Investigation of opening position and shape on the natural cross ventilation J Energy and Buildings 2015 93 1 15 6 趙融盛 蔡澤林 楊志 等 側(cè)通風(fēng)口高度對(duì)塑料溫室氣流及溫濕度的 影響 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2021 26 3 105 114 ZHAO Rongsheng CAI Zelin YANG Zhi et al Effect of side vent height on airflow temperature and humidity in plastic greenhouse J Journal of China Agricultural University 2021 26 3 105 114 7 柏宗春 夏禮如 呂曉蘭 等 基于 CFD 仿真自然通風(fēng)大棚窗口的設(shè)置 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016 44 12 379 382 BAI Zongchun XIA Liru L Xiaolan et al Setting of natural ventilation greenhouse windows based on CFD simulation J Jiangsu Agricultural S ciences 2016 44 12 379 382 8 何科奭 陳大躍 孫麗娟 等 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 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2017 48 12 311 318 339 HE Keshi CHEN Dayue SUN Lijuan et al Effects of wind regime and vent configuration on microclimate in tunnel greenhouses in summer J Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery 2017 48 12 311 318 339 9 RASHEED A LEE J W KIM H T et al Efficiency of different roof vent designs on natural ventilation of single span plastic greenhouse J Protected Horticulture and Plant Factory 2019 28 3 225 233 10 LIN Y J P TSAI T Y An experimental study on a full scale indoor thermal environment using an Under Floor Air Distribution system J Energy and Buildings 2014 80 321 330 11 劉曉菲 南曉紅 裝設(shè)均勻送風(fēng)管道對(duì)冷藏庫氣流流場(chǎng)特性的改善 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2016 32 1 91 96 LIU Xiaofei NAN Xiaohong Improvement on characteristics of air flow field in cold storage with uniform air supply duct J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2016 32 1 91 96 12 陳玲 王浩云 肖海鴻 等 利用 FL DGCNN模型估測(cè)綠蘿葉片外部表 型參數(shù) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2021 37 13 172 179 CHEN Ling WANG Haoyun XIAO Haihong et al Estimation of external phenotypic parameters of Bunting leaves using FL DGCNN model J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2021 37 13 172 179 13 丁露雨 鄂雷 李奇峰 等 畜舍自然通風(fēng)理論分析與通風(fēng)量估算 J 農(nóng) 業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 15 189 201 DING Luyu E Lei LI Qifeng et al Mechanism analysis and airflow rate estimation of natural ventilation in livestock buildings J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2020 36 15 189 201 14 KITTAS C PAPADAKIS G BOULARD T Greenhouse ventilation rates through combined roof and side openings An experimental study J Acta Horticulturae 1997 443 31 38 15 PAPADAKIS G MERMIER M MENESES J F et al Measurement and analysis of air exchang