中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2 0 2 3 2 8 8 2 7 2 2 8 1 J o u r n a l o f C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y h t t p z g n y d x x b i j o u r n a l s c n 趙娜 李明 趙淑梅 宋衛(wèi)堂 石謂 管道送風(fēng)系統(tǒng)對塑料大棚氣流場和溫度場影響的C F D模擬 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2 0 2 3 2 8 0 8 2 7 2 2 8 1 Z H A O N a L I M i n g Z H A O S h u m e i S O N G W e i t a n g S H I W e i C F D s i m u l a t i o n o n t h e i n f l u e n c e s o f p i p e a i r s u p p l y s y s t e m o n a i r f l o w f i e l d a n d t e m p e r a t u r e f i e l d i n p l a s t i c t u n n e l J JournalofChinaAgriculturalUniversity 2 0 2 3 2 8 0 8 2 7 2 2 8 1 D O I 1 0 1 1 8 4 1 j i s s n 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 8 2 2 管道送風(fēng)系統(tǒng)對塑料大棚氣流場和溫度場影響的CFD模擬 趙娜1 李明1 2 趙淑梅1 2 宋衛(wèi)堂1 2 石謂1 1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 北京1 0 0 0 8 3 2 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京1 0 0 0 8 3 摘 要 針對塑料大棚自然通風(fēng)能力有限 作物冠層氣流速度過小 溫度分布不均勻等問題 設(shè)計(jì)一種適用于塑料 大棚的作物行間管道送風(fēng)系統(tǒng) 構(gòu)建C F D模型對該系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行模擬分析 通過實(shí)測數(shù)據(jù)對理論模型進(jìn)行 驗(yàn)證 溫度和風(fēng)速的模擬值與實(shí)測值的最大相對誤差分別為4 7 和8 1 平均相對誤差分別為1 6 和 3 0 模擬值與實(shí)測值吻合良好 模型具有較好的可靠性 結(jié)果表明 管道送風(fēng)系統(tǒng)開啟后 室內(nèi)平均風(fēng)速為 0 2 m s 不同高度平面內(nèi)適宜區(qū) 風(fēng)速范圍0 1 0 5 m s 面積占總面積的比例在6 9 以上 管道送風(fēng)系統(tǒng)促使 冷空氣向上流動 塑料大棚頂部溫度下降了1 0 0 5與2 0 m高度平面的平均溫差減小了0 4 在作物行間 開展主動送風(fēng) 可有效改善塑料大棚內(nèi)的氣流環(huán)境和溫度分布 關(guān)鍵詞 塑料大棚 管道送風(fēng) 溫度 流場 計(jì)算流體力學(xué) 中圖分類號 S 6 2 5 2 S 6 2 5 3 文章編號 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 8 0 2 7 2 1 0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 收稿日期 2 0 2 2 1 0 0 6 基金項(xiàng)目 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2 0 2 0 Y F D 1 0 0 0 3 0 3 北京市設(shè)施蔬菜創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目 B A I C 0 1 2 0 2 2 第一作者 趙娜 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 1 8 6 9 4 3 1 7 0 碩士研究生 E m a i l 1 5 8 1 0 2 9 3 0 8 0 1 6 3 c o m 通訊作者 趙淑梅 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 2 6 2 8 9 1 0 2 7 教授 博士生導(dǎo)師 主要從事農(nóng)業(yè)建筑環(huán)境工程研究 E m a i l z h a o s h u m c a u e d u c n C F D s i m u l a t i o n o n t h e i n f l u e n c e s o f p i p e a i r s u p p l y s y s t e m o n a i r f l o w f i e l d a n d t e m p e r a t u r e f i e l d i n p l a s t i c t u n n e l Z H A O N a 1 L I M i n g 1 2 Z H A O S h u m e i 1 2 S O N G W e i t a n g 1 2 S H I W e i 1 1 CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering ChinaAgriculturalUniversity Beijing100083 China 2 KeyLaboratoryofAgriculturalEngineeringinStructureandEnvironmentofMinistryof AgricultureandRuralAffairs Beijing100083 China A b s t r a c t Aimingattheproblemsoflimitednaturalventilationcapacityinplastictunnel toolowairflowvelocityincrop canopy uneventemperaturedistribution etc apipeairsupplysystembetweencropsinplastictunnelwas designed CFDmodelwasbuilttosimulateandanalyzetheapplicationeffectofthesystem Thetheoreticalmodelwas verifiedbythemeasureddata Themaximumrelativeerrorsofthesimulatedandmeasuredvaluesoftemperatureand windspeedarerespectively4 7 and7 1 andtheaveragerelativeerrorsarerespectively1 6 and3 0 The simulatedandmeasuredvaluesareingoodagreement whichindicatesthatthemodelhasgoodreliability Theresults showthat Afterthepipeairsupplysystemisturnedon theaveragewindspeedreaches0 2m s theareaof suitablearea windspeedrange0 1 0 5m s accountsformorethan69 Thepipeairsupplysystempromotes theupwardflowofcoldair thetemperatureatthetopoftheplasticgreenhousedroppedby1 0 andtheaverage temperaturedifferencebetween0 5mand2 0mheightplanesdecreasedby0 4 Inconclusion thatactiveair supplybetweencroprowscaneffectivelyimprovetheairflowenvironmentandtemperaturedistributioninplastictunnel K e y w o r d s plastictunnel pipeairsupplysystem temperature flowfield computationalfluiddynamics 第8期趙娜等 管道送風(fēng)系統(tǒng)對塑料大棚氣流場和溫度場影響的C F D模擬 塑料大棚是我國主要的園藝設(shè)施 具有結(jié)構(gòu)簡 單 投資較少 使用方便等特點(diǎn) 1 但塑料大棚大多 缺乏環(huán)境調(diào)控裝備 主要依靠自然通風(fēng)調(diào)控室內(nèi)溫 度 濕度 氣流及C O 2濃度 已有研究 2 表明 在僅 有自然通風(fēng)的條件下 大棚內(nèi)作物行間氣流速度幾 乎為零 即作物冠層內(nèi)部空氣基本處于停滯狀態(tài) 這不僅會導(dǎo)致室內(nèi)空氣溫濕度分布不均 也會進(jìn)一 步影響作物的光合作用 蒸騰作用 3 5 在園藝設(shè)施中使用較多的氣流擾動方式是安裝 擾流風(fēng)機(jī) 6 8 與管道送風(fēng)系統(tǒng) 管道送風(fēng)系統(tǒng)的相 關(guān)研究包括 在荷蘭半封閉溫室中 將經(jīng)過調(diào)節(jié)的空 氣通過風(fēng)機(jī)和柔性材料制成的風(fēng)管送入種植區(qū) 改 善作物冠層內(nèi)部的環(huán)境 9 1 0 在我國大型玻璃連棟 溫室建立正壓管道通風(fēng)降溫系統(tǒng) 對風(fēng)機(jī) 送風(fēng)管道 進(jìn)行設(shè)計(jì) 并進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn) 1 1 在植物工廠內(nèi)對送 風(fēng)管道的管孔直徑 管孔數(shù)量及進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速等因素 對作物冠層氣流分布的影響進(jìn)行探究 1 2 1 4 在日光 溫室內(nèi)設(shè)計(jì)構(gòu)建管道送風(fēng)系統(tǒng)并分析其應(yīng)用效 果 1 5 上述研究為管道送風(fēng)系統(tǒng)在玻璃連棟溫室 植物工廠 日光溫室中的應(yīng)用提供了理論依據(jù) 但在 設(shè)施園藝總規(guī)模中占比最大的塑料大棚 目前還缺 乏管道送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及環(huán)境影響的相關(guān)研究 本研究擬設(shè)計(jì)一套適用于塑料大棚作物行間主 動送風(fēng)的管道送風(fēng)系統(tǒng) 并構(gòu)建塑料大棚作物行間 管道送風(fēng)系統(tǒng)C F D模型 1 6 2 2 通過現(xiàn)場試驗(yàn)對模型 進(jìn)行驗(yàn)證 研究管道送風(fēng)系統(tǒng)對塑料大棚內(nèi)氣流分 布與溫度分布的影響 以期為提高塑料大棚的針對 性調(diào)控能力 改善棚內(nèi)氣流環(huán)境和溫度分布提供理 論依據(jù) 1 試驗(yàn)大棚及送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 試驗(yàn)大棚 本研究選取的試驗(yàn)大棚位于浙江省溫州市鹿城 區(qū)藤橋鎮(zhèn)溫州種子種苗科技園區(qū)內(nèi) 北緯2 8 0 8 東 經(jīng)1 2 0 5 1 該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候 夏季大棚內(nèi) 高溫高濕 對于氣流調(diào)控的需求十分迫切 試驗(yàn)大 棚為東西走向 長3 0 m 寬9 6 m 屋脊高度4 5 m 肩高2 2 m 覆蓋材料為單層聚乙烯薄膜 溫室側(cè)窗 卷膜開度為1 0 m 頂窗卷膜開度為1 0 m 大棚 內(nèi)定植番茄 東西壟向種植 共5壟 試驗(yàn)期間番茄 處于結(jié)果期 番茄冠層高度約2 0 m 1 2 送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 管道送風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)和送風(fēng)管道構(gòu)成 送風(fēng)管 道表面開設(shè)出風(fēng)口 為使系統(tǒng)在解決塑料大棚環(huán)境 調(diào)控存在問題的同時(shí) 能兼具節(jié)約空間 易于制作的 特點(diǎn) 本研究采用等截面送風(fēng)管道設(shè)計(jì)方式 管道 送風(fēng)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過程如下 首先根據(jù)射流斷面 目標(biāo)風(fēng)速計(jì)算孔口出流速度 其次估算管道的摩擦 阻力與局部阻力 最后進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型 1 2 1 設(shè)計(jì)理論 1 孔口出流速度與孔口偏轉(zhuǎn)角度 根據(jù)孔口射 流理論 孔口出流速度由射流斷面目標(biāo)風(fēng)速推算得 出 射流斷面平均速度根據(jù)式 1 計(jì)算 2 3 v v0 0 0 9 5 ax d0 0 1 4 7 1 式中 v為圓形孔射流斷面平均速度 m s v0為出 風(fēng)口的速度 m s a為射流湍流系數(shù) 圓形孔口 取 0 0 8 x為距離出風(fēng)口的距離 m d0為出風(fēng)口半 徑 m 孔口偏轉(zhuǎn)角度根據(jù)射流角度確定 原則是射流 基本段中心線應(yīng)處于作物冠層位置 2 管道內(nèi)空氣流動的阻力 p由摩擦阻力 pm 和局部阻力 pz組成 2 4 pm Rm l 2 Rm D v 2 2 3 式中 Rm為管道單位長度的摩擦阻力 也稱比摩 阻 P a m l為管道長度 m 為沿程阻力系數(shù) v 為管道內(nèi)氣體的平均流速 m s 為管道內(nèi)空氣的 密度 k g m 3 D為管道直徑 m pz v 2 2 4 式中 為局部阻力系數(shù) 3 風(fēng)機(jī)選型 送風(fēng)系統(tǒng)中存在送風(fēng)阻力計(jì)算不 準(zhǔn)確的問題 需要對壓力進(jìn)行修正 2 4 修正公式為 pf pKp 5 式中 pf為風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓 P a Kp為風(fēng)壓附加系數(shù) 取 1 2 0 1 2 2 系統(tǒng)參數(shù) 本研究將0 1 0 5 m s作為有效擾流風(fēng)速 為避免軸心速度過大對作物生長產(chǎn)生不利影響 以 植物冠層上部位置處的射流斷面平均流速為0 3 m s 來進(jìn)行設(shè)計(jì) 塑料大棚內(nèi)作物行中心距為1 8 m 走道寬度0 6 m 管道截面有左右2個(gè)出風(fēng)口 孔 口偏轉(zhuǎn)角為1 5 由式 1 得孔口出流速度應(yīng)為 1 6 9 m s 根據(jù)大棚內(nèi)管道布置空間 確定主管直 372 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2 0 2 3年第2 8卷 徑為3 0 0 m m 出風(fēng)口直徑確定為3 0 m m 相鄰兩排 出風(fēng)口的間距設(shè)置為1 0 m 管道長度2 0 m 送風(fēng) 管道的材料選擇P E軟質(zhì)薄膜材料 有密度低 吸塵 少 易收放的優(yōu)點(diǎn) 根據(jù)式 2 和式 4 得管內(nèi)空氣流動的阻力 p 約為1 8 0 P a 由式 5 得風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓pf 2 1 6 P a 為滿足試驗(yàn)中所需的風(fēng)壓要求 選取S F G 3 2型軸 流風(fēng)機(jī)作為供試風(fēng)機(jī) 風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為3 0 0 0 m 3 h 全壓為2 3 0 P a 風(fēng)機(jī)直徑3 0 c m 額定功率3 7 0 W 每臺風(fēng)機(jī)單獨(dú)設(shè)置控制開關(guān) 進(jìn)行手動控制 受試 驗(yàn)條件限制 僅布置3條送風(fēng)管道 2 CFD模擬 2 1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分 本研究根據(jù)試驗(yàn)塑料大棚尺寸確定幾何模型的 相關(guān)參數(shù) 將大棚內(nèi)部空間作為計(jì)算域 采用 I C E M軟件建立三維實(shí)體模型 以大棚的西北角為 模型原點(diǎn)O 0 0 0 正南方向?yàn)閄軸正向 正東方 向?yàn)閆軸正向 垂直向上為Y軸正向 將計(jì)算域進(jìn) 行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分 為提升網(wǎng)格質(zhì)量 對管道出風(fēng) 口與近壁面區(qū)域進(jìn)行局部加密處理 劃分的網(wǎng)格模 型節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 5萬 網(wǎng)格總單元數(shù)為1 4 7萬 網(wǎng)格質(zhì) 量按照E q u i A n g l e S k e w n e s s標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制 符合計(jì) 算要求 可以進(jìn)行后續(xù)模擬 2 2 CFD模型方程 C F D數(shù)值模擬基本控制方程包括連續(xù)性方程 動量方程 能量方程 連續(xù)性方程 t xi ui 0 式中 為空氣密度 k g m 3 t為時(shí)間 s xi為在i 方向上的坐標(biāo) m ui為i方向的速度分量 m s 動量方程 t ui xj uiuj xj ij gi xj i j 式中 i為i方向上的波動速度分量 m s j為j 方向上的波動速度分量 m s ij為應(yīng)力張量的分 量 k g m s 2 gi為重力加速度在i方向上的分 量 m s 2 能量方程 Cp T t x j ujT xi f tCp Pt T xi ST 式中 Cp為空氣比熱容 J k g K T為空氣溫 度 K f為空氣的導(dǎo)熱率 W m K t為空氣 湍流粘度 k g m s Pt湍流普朗特?cái)?shù) ST為能 量源項(xiàng) W 大棚內(nèi)氣流流動具有較高的湍流特性 本研究 采用收斂性好 計(jì)算精度高的標(biāo)準(zhǔn)k 湍流模型對 大棚內(nèi)氣流流動過程進(jìn)行求解 2 5 大棚近壁面區(qū) 域湍流發(fā)展不充分 因此引入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對近壁 面區(qū)域的流動進(jìn)行處理 太陽輻射是影響大棚內(nèi)溫度分布的重要因素 離散坐標(biāo) D i s c r e t e o r d i n a t e s D O 輻射模型可以對 半透明介質(zhì)內(nèi)的輻射求解 而且考慮了散射的影響 因此選用D O輻射模型對塑料大棚輻射換熱進(jìn)行 求解 2 3 邊界條件及材料屬性 大棚中存在對流 傳導(dǎo)和輻射3種傳熱機(jī)制 太陽輻射到達(dá)覆蓋層之后 一部分被反射 一部分被 薄膜吸收使其自身溫度升高 另一部分則透過薄膜 進(jìn)入室內(nèi) 大棚內(nèi)部的熱交換以對流為主 而室內(nèi) 外環(huán)境之間以輻射和對流傳熱為主 大棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地面設(shè)置為壁面 w a l l 邊界 其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為對流邊界條件 地面設(shè)置為耦 合邊界條件 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)為半透明材質(zhì) s e m i t r a n s p a r e n t 在輻射模型中分別設(shè)定其對可見光和 近紅外光的吸收率和透射率 以模擬覆蓋層對不同 波長短波輻射的選擇性 實(shí)現(xiàn)輻射的耦合計(jì)算 將 送風(fēng)管道系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)入口設(shè)置為風(fēng)機(jī) f a n 邊界 管 道出風(fēng)口設(shè)置為內(nèi)部 i n t e r i o r 邊界 作物對周圍氣流存在一定的阻礙作用 會導(dǎo)致 氣流動量的損失 進(jìn)而對通風(fēng)產(chǎn)生影響 本研究采 用等效各向同性多孔介質(zhì)對作物冠層進(jìn)行處理 當(dāng) 穩(wěn)態(tài) 低速 不可壓縮的空氣經(jīng)過多孔介質(zhì)時(shí) 其產(chǎn) 生的動量源項(xiàng)可以由D a r c y F o r c h e i m e r方程表 示 2 6 公式為 P Ku Cf K u2 6 式中 P為壓降梯度 P a m 為氣體黏性系數(shù) 取值1 4 8 1 0 6 m 2 s K為多孔介質(zhì)滲透率 m 2 u 為氣流速度 m s Cf為動量損失系數(shù) 量綱為1 C F D運(yùn)算的邊界條件粘滯阻力系數(shù)C1和慣性 阻力系數(shù)C2由式 7 和式 8 求得 C1 1K 7 472 第8期趙娜等 管道送風(fēng)系統(tǒng)對塑料大棚氣流場和溫度場影響的C F D模擬 C2 2Cf K 8 Cf和K由式 9 和式 1 0 求得 2 6 LCD Cf K 9 K d 2 p 1 8 0 1 2 1 0 式中 CD為作物冠狀層阻力系數(shù) L為葉面積密度 m 2 m 3 dp為番茄葉片平均長度 m 為多孔介質(zhì) 的孔隙度 本試驗(yàn)中番茄葉片平均長度dp 0 2 m 冠層 孔隙度 0 9 9 可得滲透率K 0 5 5 m 2 葉面積 密度L 2 5 m 2 m 3 作物冠狀層阻力系數(shù)CD取 0 2 6 2 7 通過式 9 求得動量損失系數(shù)Cf 0 3 9 結(jié)合式 7 和式 8 得C1 1 8 C2 1 3 使用B o u s s i n e s q模型 考慮溫度變化引起的浮 升力作用對空氣運(yùn)動的影響 2 8 溫室內(nèi)材料的物 理特性參數(shù)見表1 1 6 1 7 表1 溫室內(nèi)材料的熱物性參數(shù) T a b l e 1 T h e r m a l p h y s i c a l p a r a m e t e r s o f g r e e n h o u s e m a t e r i a l s 材料 M a t e r i a l s 密度 k g m 3 D e n s i t y 導(dǎo)熱系數(shù) W m K C o e f f i c i e n t o f t h e r m a l c o n d u c t i v i t y 比熱容 J k g K S p e c i f i c h e a t c a p a c i t y 吸收系數(shù) A b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t 散射系數(shù) S c a t t e r i n g c o e f f i c i e n t 發(fā)射率 E m i s s i v i t y 空氣A i r 0 0 2 4 2 1 0 0 6 0 0 2 0 0 8 5 薄膜P l a s t i c f i l m 9 7 0 0 1 9 2 3 0 0 0 0 0 4 0 8 5 土壤S o i l 1 9 0 0 0 8 5 1 6 0 0 1 0 0 2 0 0 0 9 0 管道P i p e 1 2 4 0 0 1 4 2 3 0 0 0 0 0 4 作物P l a n t 5 6 0 0 1 9 2 1 0 0 0 4 6 0 0 6 5 2 4 數(shù)據(jù)計(jì)算 試驗(yàn)過程中外界溫度穩(wěn)定 風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定 可認(rèn)為環(huán)境處于穩(wěn)態(tài) 采用三維穩(wěn)態(tài)方法求解控制 方程 求解過程選擇基于壓力求解器設(shè)置 將空氣 重力考慮在內(nèi) 控制方程采用基于有限體積的離散 方法 能量 動量方程離散格式為二階迎風(fēng)格式 各 欠松弛因子按默認(rèn)值設(shè)置 使用S I M P L E C算法求 解壓力耦合方程 求解時(shí) 能量殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為 1 0 6 輻射殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為1 0 5 其他變量殘差 收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為1 0 3 3 試驗(yàn)方案 為驗(yàn)證C F D模型及邊界條件的可靠性 采用2 個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場測定 試驗(yàn)1 塑料大棚內(nèi)溫度分布驗(yàn)證 選取不同 的天氣狀況 分別為2 0 2 1 0 6 0 8 陰天 與2 0 2 1 0 6 1 0 晴天 測試期間室外氣溫分別為2 7 8和3 2 0 與溫州地區(qū)夏季白天平均溫度接近 棚內(nèi)溫度均 3 4 以上 相對濕度在7 0 以上 屬于高溫高濕狀 態(tài) 溫州地區(qū)塑料大棚的現(xiàn)場試驗(yàn)表明 側(cè)窗開啟 時(shí) 對作物行間的氣流影響十分微弱 2 封閉條件 下室內(nèi)氣流環(huán)境處于最不利狀態(tài) 為了測試此條件 下管道送風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果 試驗(yàn)期間關(guān)閉大棚通 風(fēng)口 棚外氣象條件由氣象站采集 主要包括棚外 氣溫 太陽輻照值 以及風(fēng)速和風(fēng)向等 塑料大棚溫 度測點(diǎn)位置見圖1 選取Z 6 0 m截面 在Y 1 2 m高度布置4個(gè)溫度測點(diǎn) Y 1 8 m高度布置 2個(gè)溫度測點(diǎn) 共6個(gè)溫度測點(diǎn) T 1 T 6 在Z 1 5 0 m截面 Z 2 1 0 m截面按照相同的方式布置 1 2個(gè)溫度測點(diǎn) T 7 T 1 8 在地下1 0 c m處布置 1個(gè)溫度測點(diǎn) T 1 9 用來測試土壤溫度 空氣溫度 及土壤溫度使用P t 1 0 0鉑電阻測量 測試范圍為 5 0 2 0 0 精度為 0 1 室內(nèi)溫度測點(diǎn)進(jìn)行 遮光處理 防止太陽輻射對測量結(jié)果的影響 以上 傳感器均連接到環(huán)境智能控制系統(tǒng) 由Y C 1 0 0 3型 數(shù)據(jù)采集儀轉(zhuǎn)化為信號 R S 4 8 5通訊傳輸并儲存 試驗(yàn)2 管道出風(fēng)口風(fēng)速驗(yàn)證 管道長度為 2 0 m 相鄰兩排出風(fēng)口的間距設(shè)置為1 0 m 選取管 道一側(cè)共1 9個(gè)出風(fēng)口進(jìn)行風(fēng)速測量 按照到風(fēng)機(jī)的 距離將出風(fēng)口依次編號為 風(fēng)機(jī)開啟 3 0 m i n 運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定時(shí) 測量出風(fēng)口中心點(diǎn)風(fēng) 速 風(fēng)速測量采用K a n o m a x熱式風(fēng)速風(fēng)量儀 測試 572 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2 0 2 3年第2 8卷 圖1 塑料大棚溫度測點(diǎn)布置 F i g 1 M e a s u r e m e n t p o i n t l a y o u t o f p l a s t i c g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r 范圍為0 0 1 3 0 0 m s 精度為讀取數(shù)值的 3 4 結(jié)果與討論 4 1 CFD模型驗(yàn)證 4 1 1 大棚溫度模擬驗(yàn)證 2 0 2 1 0 6 0 8 陰天 與2 0 2 1 0 6 1 0 晴天 溫度模 擬值與實(shí)測值見圖2 絕對偏差為0 0 7 1 6 4 最大相對誤差為4 7 平均相對誤差為1 6 溫度模擬值與實(shí)測值吻合良好 出現(xiàn)誤差的原因 主要在于 模擬中忽略了周圍大棚對于試驗(yàn)大棚 的影響以及室內(nèi)熱空氣通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的縫隙向外 滲透 測點(diǎn)T 1 T 1 8位置具體見圖1 T h e m e a s u r i n g p o i n t p o s i t i o n i s s h o w n i n F i g 1 圖2 典型天氣條件下塑料大棚內(nèi)部溫度實(shí)測值與模擬值 F i g 2 M e a s u r e d a n d s i m u l a t e d t e m p e r a t u r e v a l u e s i n p l a s t i c t u n n e l u n d e r t y p i c a l w e a t h e r c o n d i t i o n s 4 1 2 管道風(fēng)速模擬驗(yàn)證 為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性 將送風(fēng)管道出風(fēng)口中心點(diǎn) 的風(fēng)速模擬值與實(shí)測值進(jìn)行比較 結(jié)果見圖3 風(fēng)速 模擬值與實(shí)測值的絕對偏差為0 0 2 1 0 4 m s 最 大相對誤差為8 1 平均相對誤差為3 0 吻合 良好 模擬結(jié)果較好反映了實(shí)際情況 表明本研究 所構(gòu)建的C F D模型是有效的 可以用于數(shù)據(jù)分析和 后續(xù)的模擬研究 672 第8期趙娜等 管道送風(fēng)系統(tǒng)對塑料大棚氣流場和溫度場影響的C F D模擬 出風(fēng)口編號 選取管道一側(cè)按出風(fēng)口到風(fēng)機(jī)的距離由小到大依次編號 相鄰出風(fēng)口間距1 m O u t l e t n u m b e r s e l e c t o n e s i d e o f t h e p i p e a n d n u m b e r i t f r o m s m a l l t o l a r g e a c c o r d i n g t o t h e d i s t a n c e f r o m t h e o u t l e t t o t h e f a n a n d t h e d i s t a n c e b e t w e e n a d j a c e n t a i r o u t l e t s i s 1 m 圖3 管道出風(fēng)口風(fēng)速模擬值與實(shí)測值 F i g 3 M e a s u r e d a n d s i m u l a t e d v e l o c i t y a t t h e o u t l e t o f t h e p i p e 4 2 CFD仿真結(jié)果與分析 4 2 1 大棚空氣流場分布特性 在大棚內(nèi)形成合適的空氣流場 是管道送風(fēng)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一 圖4為管道送風(fēng)系統(tǒng)開啟 與關(guān)閉情況下塑料大棚內(nèi)部Z 1 0 0 m截面的氣 流分布云圖 可以看出 在管道送風(fēng)系統(tǒng)開啟情況 下 送風(fēng)管道上方整體氣流速度較大 隨著氣流的擴(kuò) 散 氣流速度逐漸衰減 氣流束到達(dá)作物冠層區(qū)域 時(shí) 氣流速度已經(jīng)衰減至0 7 m s以下 不會由于風(fēng) 速過大而對作物生長產(chǎn)生影響 而在管道送風(fēng)系統(tǒng) 關(guān)閉情況下 大棚內(nèi)部平均風(fēng)速在0 0 2 m s 空氣 幾乎處于停滯狀態(tài) 圖4 管道送風(fēng)系統(tǒng)開啟或關(guān)閉時(shí)塑料大棚內(nèi)部Z 10 0m截面氣流分布云圖 F i g 4 C l o u d c h a r t o f a i r f l o w d i s t r i b u t i o n o fZ 1 0 0 m i n p l a s t i c t u n n e l w h e n a i r s u p p l y s y s t e m i s t u r n e d o n o r o f f 為探究管道送風(fēng)系統(tǒng)開啟時(shí)大棚內(nèi)的氣流分布 情況 選取不同高度平面即Y 0 5 1 0 1 5和 2 0 m平面進(jìn)行分析 結(jié)果見圖5 不同高度平面的 氣流分布略有差異 但整體分布模式類似 風(fēng)速較大 位置都集中在出風(fēng)口上方氣流束所在位置 并在該 平面形成一系列射流風(fēng)速較高的圓形區(qū)域 除氣流 束所在位置外 平面內(nèi)其他區(qū)域風(fēng)速較小 氣流在氣 孔與氣孔之間存在一定面積的停滯區(qū) 為使氣流分 布更加均勻 可以減小孔口間距 或者增大進(jìn)風(fēng)口的 風(fēng)速 減小停滯區(qū)面積 將0 1 0 0 5 0 m s風(fēng)速作為有效風(fēng)速范圍 利用C F D軟件計(jì)算平面內(nèi)氣流速度在適宜區(qū)的面 積占總面積的比例 隨著高度增加 風(fēng)速逐漸衰 減 氣流速度小于0 1 m s的區(qū)域所占的比例逐 772 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2 0 2 3年第2 8卷 漸增大 有效風(fēng)速范圍所占的比例略有減小 0 5 1 0 1 5和2 0 m高度達(dá)到目標(biāo)風(fēng)速的面積分別 占總面積的7 9 7 4 6 9 和6 9 隨著高度 的增加 射流束區(qū)域逐漸向外延展擴(kuò)大 在高度分 別為0 5 1 0 1 5和2 0 m時(shí) 風(fēng)速的平均值分 別為0 1 9 0 2 2 0 2 3和0 2 4 m s 平均風(fēng)速逐漸 升高 但是整體差異較小 從低到高氣流分布均勻 性逐漸增強(qiáng) 圖5 塑料大棚內(nèi)不同高度 Y 平面氣流分布云圖 F i g 5 C l o u d c h a r t o f a i r f l o w d i s t r i b u t i o n a t d i f f e r e n t h e i g h t Y i n p l a s t i c t u n n e l 為了解出風(fēng)口空氣出流方向 對塑料大棚內(nèi) 管道剖面氣流分布進(jìn)行分析 剖切方向與管道出 風(fēng)口偏轉(zhuǎn)方向一致 如圖6所示 管道出風(fēng)口的 氣流分布與出風(fēng)口到風(fēng)機(jī)的距離有一定關(guān)聯(lián) 管 道前端離風(fēng)機(jī)最近的出風(fēng)口風(fēng)速偏轉(zhuǎn)角較大 離 風(fēng)機(jī)越遠(yuǎn)的位置出風(fēng)口風(fēng)速越趨于垂直 送風(fēng)均 勻性越好 圖6 塑料大棚內(nèi)管道剖面氣流分布云圖 F i g 6 C l o u d c h a r t o f a i r f l o w d i s t r i b u t i o n a t p i p e p r o f i l e i n p l a s t i c t u n n e l 整體看 使用管道送風(fēng)系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)獲得 了較好的空氣擾動效果 在管道送風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉條件 下 空氣幾乎處于停滯狀態(tài) 通過管道送風(fēng)系統(tǒng)的主 動調(diào)節(jié) 平均風(fēng)速可以達(dá)到0 2 m s 對棚內(nèi)氣流速 度產(chǎn)生了積極影響 4 2 2 大棚空氣溫度分布特性 管道送風(fēng)系統(tǒng)開啟或關(guān)閉情況下 塑料大棚橫 截面溫度均為由上至下遞減 隨高度呈梯度分布 圖7 塑料大棚頂部的覆蓋層吸收太陽輻射的熱 量 并通過對流換熱向室內(nèi)釋放熱量 大棚內(nèi)高溫區(qū) 域集中在大棚頂部 近地面吸收熱量 故溫度較低 大棚四周近壁面的溫度相對較高 溫差較大 主要是 因?yàn)楸诿鏌彷椛涞挠绊?由于風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口靠近地面較冷區(qū)域 在作物冠 層形成了循環(huán)氣流 增強(qiáng)了棚內(nèi)空氣的混合度 促使 大棚下部的冷空氣向上流動 對頂部區(qū)域起到了一 定的降溫效果 從溫度分布上看 管道送風(fēng)系統(tǒng)關(guān) 閉的情況下 0 5與2 0 m高度平面溫差可以達(dá)到 0 7 在管道送風(fēng)系統(tǒng)開啟的情況下 大棚頂部區(qū) 域溫度下降 低溫區(qū)域 3 3 3 4 范圍增大 0 5 與2 0 m高度平面溫差減少約0 4 872 第8期趙娜等 管道送風(fēng)系統(tǒng)對塑料大棚氣流場和溫度場影響的C F D模擬 圖7 管道送風(fēng)系統(tǒng)開啟或關(guān)閉時(shí)塑料大棚內(nèi)部Z 10 0m截面溫度分布云圖 F i g 7 C l o u d c h a r t o f t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o fZ 1 0 0 m i n p l a s t i c t u n n e l w h e n a i r s u p p l y s y s t e m i s t u r n e d o n o r o f f 4 3 系統(tǒng)成本分析 管道送風(fēng)系統(tǒng)的費(fèi)用主要是風(fēng)機(jī) P E塑料管 道以及系統(tǒng)運(yùn)行所耗電費(fèi) 投資成本方面 試驗(yàn)設(shè) 計(jì)的管道送風(fēng)系統(tǒng)包含3條送風(fēng)管道 每條管道長 度為2 0 m 每條管道的投資成本為6 0元 風(fēng)機(jī)價(jià) 格5 2 0元 臺 系統(tǒng)總投資1 7 4 0元 如果按所服務(wù) 的種植區(qū)域進(jìn)行核算 約為1元 m 2 運(yùn)行成本方 面 系統(tǒng)安裝的風(fēng)機(jī)功率為0 3 7 k W 現(xiàn)場平均每天 試驗(yàn)時(shí)間為2 5 h 則每臺風(fēng)機(jī)每天耗電量為 0 9 2 5 k W h 根據(jù)溫州地區(qū)居民用電0 5 3 8元 k W h 計(jì)算 單根送風(fēng)管道運(yùn)行所耗電費(fèi)約為0 5元 d 按 所服務(wù)的種植區(qū)域進(jìn)行核算 每天電費(fèi)約為 0 0 1元 m 2 5 結(jié) 論 本研究設(shè)計(jì)了一種適用于塑料大棚的作物行間 管道送風(fēng)系統(tǒng) 并構(gòu)建C F D模型 在通過實(shí)測數(shù)據(jù) 驗(yàn)證C F D模型可靠的基礎(chǔ)上 對該系統(tǒng)的應(yīng)用效果 進(jìn)行模擬分析 結(jié)論如下 1 利用C F D模擬管道送風(fēng)系統(tǒng)對大棚內(nèi)氣流 場與溫度場分布情況的影響 將模擬值與實(shí)測值進(jìn) 行對比 管道出風(fēng)口風(fēng)速最大相對誤差為8 1 平 均相對誤差為3 0 溫度測點(diǎn)的最大相對誤差為 4 7 平均相對誤差為1 6 模擬值與實(shí)測值吻 合 模擬效果良好 2 管道送風(fēng)系統(tǒng)對空氣流場的分布產(chǎn)生了積極 影響 改善了氣流環(huán)境 管道送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)范圍內(nèi) 平均風(fēng)速為0 2 m s 平面內(nèi)適宜區(qū) 風(fēng)速范圍為 0 1 0 5 m s 面積占總面積的比例在6 9 以上 送風(fēng)系統(tǒng)管道孔口出流方向與管道側(cè)壁近似垂直 在設(shè)計(jì)長度范圍內(nèi) 送風(fēng)均勻性較好 3 管道送風(fēng)系統(tǒng)促進(jìn)冷空氣向上流動 塑料大 棚頂部溫度下降了1 0 0 5與2 0 m高度平面 的平均溫差減小了0 4 對高溫部位有一定的降 溫效果 棚內(nèi)溫度分布更加均勻 綜上 管道送風(fēng)系統(tǒng)在溫州地區(qū)塑料大棚內(nèi)可 以有效改善氣流環(huán)境 提高溫度分布均勻性 對其他 地區(qū)的推廣應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)意義 本試驗(yàn)只研究了管道長度為2 0 m時(shí)大棚內(nèi)的 氣流分布情況 實(shí)際使用中如果采用更長的管道 可 能會存在隨管道長度增加出風(fēng)口風(fēng)速分布不均勻等 問題 管道的結(jié)構(gòu)和工藝尚需進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化 下 一步將在系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上 進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)范圍 更全面地研究并優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用效果 參考文獻(xiàn) References 1 周長吉 周博士考察拾零 七十五 大跨度保溫塑料大棚的實(shí)踐與創(chuàng)新 上 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2 0 1 7 3 7 3 4 2 0 2 7 Z h o u C J N o t e s o n D r Z h o u s i n v e s t i g a t i o n 7 5 P r a c t i c e a n d i n n o v a t i o n o f l a r g e s p a n i n s u l a t e d p l a s t i c g r e e n h o u s e s P a r t J AgriculturalEngineeringTechnology 2 0 1 7 3 7 3 4 2 0 2 7 i n C h i n e s e 2 石謂 溫州地區(qū)單體塑料大棚行間管道送風(fēng)系統(tǒng)研究 D 北京 中國 農(nóng)業(yè)大學(xué) 2 0 2 0 S h i W S t u d y o n i n t e r r o w a i r s u p p l y s y s t e m f o r s i n g l e p l a s t i c g r e e n h o u s e i n W e n z h o u a r e D B e i j i n g C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 0 i n C h i n e s e 3 T h o n g b a i P K o z a i T O h y a m a K C O 2 a n d a i r c i r c u l a t i o n e f f e c t s o n 972 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2 0 2 3年第2 8卷 p h o t o s y n t h e s i s a n d t r a n s p i r a t i o n o f t o m a t o s e e d l i n g s J Scientia Horticulturae 2 0 1 0 1 2 6 3 3 3 8 3 4 4 4 楊振超 鄒志榮 王軍 陳雙臣 李建明 溫室內(nèi)氣流運(yùn)動速率對厚皮 甜瓜生長發(fā)育的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2 0 0 7 2 4 3 1 9 8 2 0 1 Y a n g Z C Z o u Z R W a n g J C h e n S C L i J M E f f e c t s o f a i r s p e e d i n g r e e n h o u s e o n t h e g r o w t h o f m u s k m e l o n p l a n t s J Transactionsofthe ChineseSocietyofAgriculturalEngineering 2 0 0 7 2 3 3 1 9 8 2 0 1 i n C h i n e s e 5 S h i b u y a T T s u r u y a m a J K i t a y a Y K i y o t a M E n h a n c e m e n t o f p h o t o s y n t h e s i s a n d g r o w t h o f t o m a t o s e e d l i n g s b y f o r c e d v e n t i l a t i o n w i t h i n t h e c a n o p y J ScientiaHorticulturae 2 0 0 6 1 0 9 3 2 1 8 2 2 2 6 K u r o y a n a g i T C u r r e n t u s a g e o f a i r c i r c u l a t o r s i n g r e e n h o u s