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 382doi: 1015889/j issn1002 1302201612117基于CFD仿真自然通風(fēng)大棚窗口的設(shè)置柏宗春 ， 夏禮如 ， 呂曉蘭 ， 張美娜 ， 陶建平( 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所 ， 江蘇南京 210014)摘要 : 塑料大棚通風(fēng)換氣對(duì)大棚內(nèi)作物的生長(zhǎng)影響較大 ， 特別是對(duì)于自然通風(fēng)大棚 ， 研究其通風(fēng)窗的開(kāi)設(shè)位置及方式意義重大 。建立塑料大棚三維模型 ， 利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件 Fluent， 對(duì)大棚在自然通風(fēng)條件下的流場(chǎng)進(jìn)行仿真 ， 得到不同側(cè)窗和天窗尺寸及配置條件下大棚的流場(chǎng)分布規(guī)律 。結(jié)果表明 ， 大棚側(cè)窗對(duì)提高流場(chǎng)的氣流速度作用明顯 ， 但側(cè)窗高度超過(guò) 1m 后 ， 氣流速度增加不明顯 ; 天窗對(duì)大棚前半段氣流影響較小 ， 天窗位置最好開(kāi)在后半部分靠近出口的位置 ; 增開(kāi)門(mén)旁通風(fēng)窗對(duì)提升大棚通風(fēng)能力有明顯效果 。關(guān)鍵詞 : 大棚 ; 通風(fēng)窗 ; 流場(chǎng)仿真 ; CFD中圖分類(lèi)號(hào) : S126; S6251 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : A 文章編號(hào) : 1002 1302( 2016) 12 0379 04收稿日期 : 2015 04 03項(xiàng)目基金 : 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金 編號(hào) : CX( 14) 5076、CX( 12) 1004; 國(guó)家科技支撐計(jì)劃 ( 編號(hào) : 2013BAD08B03) 。作者簡(jiǎn)介 : 柏宗春 ( 1981) ， 男 ， 江蘇揚(yáng)州人 ， 博士 ， 助理研究員 ， 主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究 。Tel: ( 025) 84390493; E mail: vipmaple126 com。通信作者 : 呂曉蘭 ， 博士 ， 副研究員 ， 主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究 。Tel: ( 025) 84390082; E mail: lxlanny126 com。大棚通風(fēng)對(duì)棚內(nèi)作物生長(zhǎng)影響較大 ， 特別是自然通風(fēng)溫室大棚 ， 通風(fēng)窗口的合理設(shè)置尤為重要 1。受棚體工程建設(shè)與試驗(yàn)條件的限制 ， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù) ( computational fluid dynamics， CFD) 對(duì)大棚通風(fēng)問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究 2 5。傅寧等運(yùn)用 CFD 軟件對(duì)大棚內(nèi)部流場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真 6; 王光偉等運(yùn)用三維不可壓縮湍流模型對(duì)不同形式的大棚流場(chǎng)流態(tài)進(jìn)行研究 7; 陸小偉對(duì)不同形式大棚流場(chǎng)進(jìn)行仿真 ， 計(jì)算了換氣時(shí)間 8; 沈明衛(wèi)等運(yùn)用流體仿真軟件 ， 研究了外界風(fēng)向?qū)Υ笈飪?nèi)部流場(chǎng)的影響 9; 陳加浪等運(yùn)用 CFD 仿真 ， 研究了華東地區(qū)單棟大棚在高溫低風(fēng)速極端環(huán)境下的自然通風(fēng)特性 ， 并進(jìn)行了驗(yàn)證 10。采用 CFD 仿真方法 ， 能準(zhǔn)確計(jì)算分析棚內(nèi)氣流場(chǎng)分布及外部環(huán)境對(duì)棚內(nèi)氣流場(chǎng)的影響 ， 目前 ， 主要集中在對(duì)流場(chǎng)分布規(guī)律的仿真分析 ， 對(duì)通風(fēng)窗位置 、尺寸等棚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較少 。本研究針對(duì)蘇南地區(qū)某新型 8 m 鋼架塑料大棚 ， 運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件 Fluent， 結(jié)合棚體的幾何結(jié)構(gòu)和地理環(huán)境參數(shù) ， 建立大棚的三維仿真模型 ， 對(duì)不同通風(fēng)窗口尺寸及位置等條件下的大棚流場(chǎng)進(jìn)行仿真 ， 分析不同條件下大棚內(nèi)的氣流規(guī)律 ， 為棚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù) 。1 仿真模型11 理論基礎(chǔ)111 控制方程 為簡(jiǎn)化分析 ， 假設(shè)自然通風(fēng)條件下大棚內(nèi)空氣流動(dòng)為定長(zhǎng)不可壓縮牛頓流 ， 流體在流動(dòng)過(guò)程中遵守基于雷諾時(shí)均的黏性不可壓縮 Navier Srokes 方程 11 14。方程表達(dá)式為 :( )t+ div( u) = div( grad) + S。式中 : 表示通用傳輸量 ; 表示流體密度 ; 表示時(shí)間 ; u 表示流體速度矢量 ; 表示廣義擴(kuò)散系數(shù) ; S表示廣義源相 。112 湍流模型 Fluent 提供多種湍流模型可供選擇 。本研究結(jié)合大棚流場(chǎng)的實(shí)際情況 ， 選取標(biāo)準(zhǔn) k 湍流模型 ， 該模型在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的精度和收斂性 。假設(shè)近壁處氣流符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù) 。12 幾何模型以江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動(dòng)物科學(xué)基地現(xiàn)有的 8 m 鋼架塑料大棚為基礎(chǔ)對(duì)象構(gòu)建三維模型 ( 圖 1) ， 基本參數(shù)為 : 跨度8 m， 高度 3 4 m， 長(zhǎng)度 50 m， 前后門(mén) 1 8 m × 1 8 m， 肩高19 m( 直肩高 1 4 m) 。大棚所處地理位置為 118 5° E、32° N， 年平均風(fēng)速約為 2 m/s。為減小因邊界條件設(shè)置對(duì)仿真計(jì)算帶來(lái)的不利影響 ， 增大流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域 15， 包括大棚內(nèi)部和大棚外部 2 部分 ， 整個(gè)計(jì)算區(qū)域?qū)?30 m、高 15 m、長(zhǎng) 95 m。2 網(wǎng)格劃分及邊界條件21 網(wǎng)格劃分利用 Fluent 前處理軟件 Gambit 建立流場(chǎng)區(qū)域的三維模型 ( 圖 2) ， 并進(jìn)行網(wǎng)格劃分 ， 整個(gè)區(qū)域全部采用六面體網(wǎng)格劃分 ， 大棚薄膜附近設(shè)置 4 層邊界層 ， 最終得到總網(wǎng)格數(shù)量為1 462 272個(gè) ( 圖 3) 。973江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016 年第 44 卷第 12 期22 邊界條件的設(shè)置及材料屬性流場(chǎng)進(jìn)口采用速度進(jìn)口 ( velocity inlet) ， 風(fēng)速為 2 m/s，方向與大棚屋脊平行 ; 出口采用壓力出口 ( pressure outlet) ，壓力為大氣壓 ; 大棚薄膜 、地面以及外圍計(jì)算區(qū)域的邊界設(shè)置為壁面邊界條件 ( pressure outlet) ; 大棚的進(jìn)口 、出口以及通風(fēng)窗設(shè)置為內(nèi)部邊界 ( interior) ( 表 1) 。研究表明 ， 在外界風(fēng)速小于 05 m/s 時(shí) ， 熱壓通風(fēng)才對(duì)大棚通風(fēng)的影響較大 16，故本仿真不考慮熱輻射對(duì)流場(chǎng)的影響 ; 不考慮大棚內(nèi)作物對(duì)大棚流場(chǎng)的影響 。表 1 邊界條件的設(shè)置邊界名稱(chēng) 邊界條件 數(shù)值流場(chǎng)進(jìn)口 velocity inlet 2 m/s 平行于大棚屋脊流場(chǎng)出口 pressure outlet 大氣壓大棚薄膜 、地面和外邊界 wall 無(wú)大棚進(jìn)出口和通風(fēng)窗 interior 無(wú)3 仿真結(jié)果分析常見(jiàn)大棚通風(fēng)窗主要有側(cè)窗和天窗 2 種形式 ( 圖 4) 。天窗及側(cè)窗的長(zhǎng)度與大棚長(zhǎng)度相同 ， 為 50 m; 門(mén)旁窗為本研究提出的新的大棚通風(fēng)窗結(jié)構(gòu) ， 位于進(jìn)出口兩側(cè) ， 對(duì)稱(chēng)分布 。為分析通風(fēng)窗口的設(shè)置對(duì)大棚流場(chǎng)的影響 ， 本研究主要對(duì)側(cè)窗高度 、天窗寬度 、天窗位置以及增開(kāi)門(mén)旁窗等進(jìn)行仿真 。31 無(wú)側(cè)窗和天窗時(shí)大棚流場(chǎng)由圖 5 可見(jiàn) ， 只有前后門(mén) 、外界風(fēng)速為 2 m/s 時(shí) ， 大棚內(nèi)氣流速度明顯低于大棚外界空氣流速 ; y = 1 m 截面上 ， 大棚進(jìn)口兩側(cè)形成 2 個(gè)氣流渦旋 ， 渦旋長(zhǎng)度約 10 m， 渦旋之后有 2個(gè)速度極低的氣流區(qū) ， 空氣在內(nèi)部旋轉(zhuǎn)不前 ， 接近靜止 ， 影響換氣效率 ， 這對(duì)大棚通風(fēng)十分不利 ; 大棚進(jìn)口處氣流速度為2 m/s， 到中后部速度明顯降低 ， 只有約 0 2 m/s， 氣流速度太低 ， 嚴(yán)重影響大棚的換氣速度 ; y = 1、2、3m的中后部氣流流速比較接近 ， 隨著高度升高 ， 流速降低 ， 流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定 。由圖6 可見(jiàn) ， 大棚流場(chǎng) x = 0 時(shí) ， 大棚從進(jìn)口到出口氣流速度下降速度比較明顯 ， 20 m 后大棚中氣流速度基本穩(wěn)定 ， 約為02 m/s。32 側(cè)窗對(duì)大棚流場(chǎng)的影響側(cè)窗為大棚普遍設(shè)置的通風(fēng)窗 ， 長(zhǎng)度為 50 m， 高度分別為 14、10、05 m， 大棚外界風(fēng)速 2 m/s。由圖 7 可見(jiàn) ， 隨著側(cè)窗高度的增加 ， 大棚內(nèi)氣流速度不斷增大 ; 側(cè)窗高度為 0 5m 時(shí) ， 大棚中部和尾部更靠近大棚頂部的氣流速度較低 ， 不利于大棚換氣 ; 側(cè)窗高度為 1 4 m 時(shí) ， 棚內(nèi)低速區(qū)域較小 ， 大棚中部氣流速度基本達(dá)到 07 m/s 以上 。由圖 8 可見(jiàn) ， 3 種高度側(cè)窗下 ， y =1 m 截面流場(chǎng)分布比較相似 ， 進(jìn)口兩側(cè)渦旋依然存在 ; 側(cè)窗高度為 05 m 時(shí) ， 大棚內(nèi)氣流速度相對(duì)較低 ; 側(cè)窗高度為 10、14 m 時(shí) ， 流場(chǎng)分布十分接近 ， 且氣流速度相對(duì)較083 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016 年第 44 卷第 12 期高 。因此 ， 增開(kāi)側(cè)窗能顯著提高大棚流場(chǎng)氣流的平均流速 ， 側(cè)窗高度越高 ， 棚內(nèi)流速越高 ， 但側(cè)窗高度大于 1 0 m 后 ， 流速增大幅度已不明顯 ; 增開(kāi)側(cè)窗不能消除進(jìn)口兩側(cè)產(chǎn)生的渦流 。33 天窗對(duì)大棚流場(chǎng)的影響由圖 9 可見(jiàn) ， 大棚頂部分別設(shè)置尺寸為 0 5、1 0、1 5 m的天窗時(shí) ， x = 0 截面的速度分布規(guī)律比較相似 ， 但隨著天窗寬度的增加 ， 氣流速度不斷增大 ， 尤其是大棚后部低速區(qū)域減小比較明顯 。由圖 10 可見(jiàn) ， 流場(chǎng) y =10 m 時(shí)單開(kāi)天窗 ， 大棚內(nèi)流場(chǎng)從中間向兩側(cè)邊緣氣流逐漸降低 ， 特別在尾端靠近邊緣的區(qū)域氣流速度最低 ， 對(duì)大棚中后部的流場(chǎng)區(qū)域影響較大 ，而對(duì)大棚前端流場(chǎng)影響較小 ; 天窗寬度為 05 m 時(shí) ， 大棚尾部拐角處氣流速度接近于 0， 隨著天窗寬度的增大 ， 大棚邊緣低速區(qū)域逐漸減小 。因此 ， 在單開(kāi)天窗的前提下 ， 大棚兩側(cè)邊緣存在低速區(qū) ， 不利于大棚的通風(fēng)換氣 。34 同時(shí)開(kāi)側(cè)窗和天窗對(duì)大棚流場(chǎng)的影響由于側(cè)窗高度高于 1 0 m 時(shí)氣流增速效果已不明顯 ， 隨著天窗寬度增大 ， 大棚內(nèi)氣流低速區(qū)逐漸減小 。因此 ， 本研究選取側(cè)窗高度為 10 m、天窗寬度為 1 5 m 進(jìn)行仿真 ， 以分析大棚同時(shí)開(kāi)側(cè)窗 、天窗時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律 。由于天窗對(duì)大棚的前半段流場(chǎng)影響小 ， 而對(duì)后半部流場(chǎng)影響較大 ， 本研究考慮盡可能減小天窗長(zhǎng)度以減小大棚建設(shè)成本 。由圖 11、圖 12 可見(jiàn) ， 尾端天窗與全天窗相比 ， 大棚頭頂部靠近薄膜的氣流速度較低 ， 其他區(qū)域基本相同 ; 尾端天窗和全天窗在 y =10 m 截面的速度分布幾乎相同 ， 縮短天窗的長(zhǎng)度并沒(méi)有給流場(chǎng)帶來(lái)大的影響 。183江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016 年第 44 卷第 12 期35 門(mén)旁窗對(duì)大棚流場(chǎng)的影響由于大棚進(jìn)口兩側(cè)存在回流區(qū)域 ， 為減小回流區(qū) ， 考慮在進(jìn)出口兩側(cè)設(shè)置門(mén)旁窗 ， 以提高回流區(qū)換氣效率 。由圖 13 可見(jiàn) ， 增開(kāi) 10 m ×10 m 門(mén)旁窗時(shí) ， 由于進(jìn)氣口和出氣口的面積增大 ， 大棚內(nèi)氣流速度有所提高 ， 進(jìn)口兩側(cè)回流區(qū)已基本消失 ， 但還是存在 2 個(gè)流速較低的區(qū)域 ; 門(mén)旁窗尺寸增大至15 m ×15 m 時(shí) ， 回流區(qū)消失 ， 且進(jìn)口附近的低速區(qū)也消失 ，大棚內(nèi)氣流速度進(jìn)一步提高 。由圖 14 可見(jiàn) ， 流場(chǎng) x = 0 增開(kāi)門(mén)旁窗時(shí) ， 大棚氣流的分布規(guī)律類(lèi)似 ， 門(mén)旁窗尺寸較大時(shí)大棚內(nèi)氣流的平均流速較高 。4 結(jié)論本研究運(yùn)用 Fluent 軟件 ， 建立塑料大棚的流場(chǎng)仿真模型 ，對(duì)大棚流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真 ， 分析了無(wú)通風(fēng)窗時(shí)大棚流場(chǎng)分布的基本規(guī)律 ， 討論了不同尺寸側(cè)窗和天窗對(duì)流場(chǎng)的影響 。結(jié)果表明 ， 大棚氣流速度隨著側(cè)窗高度的增大而增大 ， 但高度超過(guò)一定值時(shí) ， 氣流速度對(duì)大棚的影響減弱 ， 故從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)說(shuō) ， 側(cè)窗不宜太高 ; 天窗對(duì)大棚流場(chǎng)的后部影響較大 ， 對(duì)中前部影響較小 ; 門(mén)旁通風(fēng)窗可減小門(mén)旁回流區(qū)域 ， 增大大棚內(nèi)氣流速度 ， 可顯著提升大棚通風(fēng)換氣效率 ， 這為大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù) 。通過(guò)仿真 ， 確定 1 組大棚通風(fēng)窗設(shè)置參數(shù)為 :兩側(cè)側(cè)窗為 500 m ×10 m; 尾部天窗為 10 0 m ×1 5 m; 門(mén)旁窗尺寸為 1 5 m × 1 5 m， 兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布 ， 距離地面為025 m， 距離大棚中心為 2 m。參考文獻(xiàn) : 1 程亞斌 淺析溫室大棚通風(fēng)的發(fā)展 J 城市建設(shè)理論研究 : 電子版 ， 2011， 1( 23) : 21 23 2 程秀花 ， 毛罕平 風(fēng)向?qū)厥覂?nèi)氣流分布模式影響的 CFD 分析 J 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) : 自然科學(xué)版 ， 2009， 29( 6) : 520 524 3 張起勛 ， 于海業(yè) ， 張忠元 ， 等 利用 CFD 模型研究日光溫室內(nèi)的空氣流動(dòng) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2012， 28( 16) : 166 171， 后插 7 4 姜云超 ， 王三反 青藏高原生態(tài)大棚的建設(shè)與數(shù)值仿真 J 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2004， 23( 3) : 128 132 5 姜緒安 ， 曹 陽(yáng) ， 秦立舉 ， 等 蔬菜大棚內(nèi)氣流流態(tài)分析研究 J 灌溉排水學(xué)報(bào) ， 2004， 23( 4) : 78 80 6 傅 寧 ， 劉德義 溫室大棚氣流場(chǎng)的 CFD 數(shù)值模擬 J 天津農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2006， 12( 3) : 17 19 7 王偉光 ， 秦立舉 ， 曹 陽(yáng) ， 等 不同形式大棚內(nèi)部氣流流態(tài)的比較 J 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào) : 農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版 ， 2005， 26( 2) : 86 88 8 陸小偉 大棚結(jié)構(gòu)型式比較分析 J 灌溉排水學(xué)報(bào) ， 2005， 24( 5) : 50 55 9 沈明衛(wèi) ， 郝飛麟 兩種風(fēng)向下單棟塑料大棚內(nèi)自然通風(fēng)流場(chǎng)模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2004， 20( 6) : 227 232 10 陳加浪 ， 陳大躍 ， 何科奭 ， 等 單棟塑料大棚在高溫低風(fēng)速下的自然通風(fēng)數(shù)值研究 J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2011， 33( 8) : 19 22 11 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(jī)械學(xué)報(bào) ， 2011， 42( 2) : 180 185 12 張起勛 日光溫室內(nèi)空氣流動(dòng)特性研究 D 長(zhǎng)春 : 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) ， 2007 13 曹 陽(yáng) 蔬菜大棚內(nèi)部流場(chǎng)三維紊流數(shù)值模擬及大棚斷面優(yōu)化研究 D 揚(yáng)州 : 揚(yáng)州大學(xué) ， 2004 14 王向軍 ， 劉志剛 ， 李 榮 ， 等 基于 CFD 數(shù)值模擬方法的日光溫室建模研究 J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2014， 36( 6) : 184 188 15 eichrath S， Davies T W Computational fluid dynamics simulationsand validation of the pressure distribution on the roof of a commercialmulti span Venlo type glasshouse J Journal of WindEngineeringIndustrial Aerodynamics， 2002， 90( 3) : 139 149 16 Mistriotis A， Arcidiacono C， Picuno P， et al Computational analysisof ventilation in greenhouses at zero and low wind speeds J AgriculturalForest Meteorology， 1997， 88( 97) : 121 135283 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016 年第 44 卷第 12 期