第10 卷 第7 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 Vol 10 No 7 2020 年7 月 Agricultural Engineering Jul 2020 收稿日期 2020 03 23 修回日期 2020 05 13 基金項(xiàng)目 四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目 項(xiàng)目編號 15ZA0016 作者簡介 胡建 碩士 副教授 研究方向 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程 E mail hjsicau 126 com 在線投稿 www d1ae com CFD 數(shù)值模擬技術(shù)在溫室環(huán)境因子調(diào)控中的應(yīng)用 胡 建 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院 四川雅安 625014 摘 要 為了給作物提供適宜的生長環(huán)境 使作物免受外部氣候條件的影響和蟲害的入侵 控制溫室內(nèi)部的微環(huán)境十 分重要 溫室內(nèi)部的微環(huán)境包括溫度 濕度和通風(fēng)速率等環(huán)境因子 對作物生長起著至關(guān)重要的作用 計(jì)算流體力學(xué) CFD 作為一種數(shù)值模擬仿真技術(shù) 近年來已經(jīng)廣泛用于溫室內(nèi)微環(huán)境的模擬 利用 CFD 對溫室內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行模 擬 實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)流場分布的可視化 有利于優(yōu)化和改善環(huán)境調(diào)控措施 討論了近年來國內(nèi)外有關(guān) CFD 在溫室通風(fēng)降 溫中的研究概況 介紹其在溫室微環(huán)境模擬中的發(fā)展現(xiàn)狀 面臨的挑戰(zhàn)及未來的應(yīng)用前景 關(guān)鍵詞 計(jì)算流體力學(xué) 溫室 微環(huán)境 中圖分類號 S625 5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095 1795 2020 07 0043 06 Application of CFD Numerical Simulation Technology in Greenhouse Environmental Factor egulation HU Jian College of Water Conservancy and Hydropower Engineering Sichuan Agricultural University Ya an Sichuan 625014 China Abstract In order to provide a suitable growth environment for crops and protect crops from impact of external climatic condi tions and insect invasion it is important to control micro environment inside greenhouse Micro environment inside greenhouse includes environmental factors such as temperature humidity and ventilation rate which play an important role in crop growth Computational fluid dynamics CFD as a numerical simulation technology has been widely used in simulation of micro envi ronment in greenhouse in recent years By using CFD to simulate micro environment in greenhouse to realize visualization of flow field distribution in greenhouse which is beneficial to optimize and improve environmental control measures esearch stituation of CFD in greenhouse ventilation and cooling at home and abroad in recent years were discussed Furthermore present situation of development in greenhouse micro environment simulation existing challenges and application prospect in the future were intro duced Keywords computational fluid mechanics greenhouse micro environment 0 引言 近年來 隨著生活水平的不斷提高 人們對高品 質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的需求越來越大 高效的溫室生產(chǎn)成為必 要 溫室通過控制內(nèi)部微環(huán)境為作物生長提供適宜條 件 同時(shí)讓作物免受外部氣候條件的影響和害蟲的入 侵 溫室屬于半封閉系統(tǒng) 由于存在 溫室效應(yīng) 在炎熱的夏季 溫室內(nèi)部溫度會超過作物生長的界 限 需要采用高效的降溫措施來降低溫室內(nèi)的溫度 因此 優(yōu)化通風(fēng)設(shè)施設(shè)計(jì) 合理選擇降溫方法是提高 溫室生產(chǎn)效率的關(guān)鍵 1 通風(fēng)是溫室生產(chǎn)的關(guān)鍵過 程 其目的主要在于消除多余熱量 增強(qiáng)二氧化碳和 氧氣的交換 并維持可接受的溫度水平 在冬季 通 風(fēng)可以疏散多余的濕度并為植物提供適宜的氣候條 件 在夏季 通風(fēng)主要用于冷卻溫室內(nèi)部的空氣和去 除水蒸氣 通風(fēng)過程的每一個(gè)步驟都會對作物生長產(chǎn) 生很大影響 不同通風(fēng)方式對溫室內(nèi)部溫度控制的效 果大不相同 同時(shí)溫室中也存在很多未知的因素影響 降溫效果 采用傳統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)測 物理模型模擬等方 法 試驗(yàn)周期長 成本高 數(shù)據(jù)可靠性低 并不適合 普遍運(yùn)用 計(jì)算流體力學(xué) computational fluid dynam ics 簡稱CFD 是近代流體力學(xué) 數(shù)值模擬和計(jì)算 機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物 應(yīng)用 CFD 模型對溫室內(nèi)微環(huán) 境的分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬 有利于理解微氣候發(fā)展 的流場 優(yōu)化和改善通風(fēng)方法及降溫措施 為作物生 長提供更加適宜的環(huán)境 2 農(nóng)業(yè)工程 信息與電氣化 1 CFD原理和應(yīng)用方法 計(jì)算流體力學(xué)運(yùn)用電子計(jì)算機(jī) 應(yīng)用各種離散 化的數(shù)學(xué)方法 對實(shí)際情況下的流體力學(xué)問題進(jìn)行 計(jì)算機(jī)模擬 分析研究及數(shù)值試驗(yàn) 在一定程度上 可代替現(xiàn)實(shí)情況下耗資巨大的流體力學(xué)試驗(yàn) 控制 流體流動的微分方程由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解 得到 流體所在流場在連續(xù)區(qū)域的離散分布 近似模擬出 流體流動情況 CFD 是流體力學(xué)的一個(gè)分支 而 CFD軟件通常是指商業(yè)化的CFD程序 CFD軟件可 供研究人員對實(shí)際流體力學(xué)問題進(jìn)行仿真模擬 對 存在的問題進(jìn)行研究和分析 目前比較常用的 CFD 軟件有 Fluent CFX Star CD Phoenics 和 flow 3D 等 以 Fluent為例 運(yùn)用 CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分 析的過程可分為前處理 求解和后處理3 個(gè)階段 如圖1 所示 圖1 CFD模擬技術(shù)應(yīng)用步驟 Fig 1 Application steps of CFD simulation technology 1 1 前處理 前處理階段主要包括確定計(jì)算域 計(jì)算域幾何建 模 網(wǎng)格劃分 流體物性參數(shù)設(shè)置及邊界條件的設(shè) 定 計(jì)算域選取方面 室外區(qū)域選取越大 與實(shí)際空 氣流動情況的吻合程度越高 但計(jì)算區(qū)域越大 劃分 的網(wǎng)格數(shù)目也會相應(yīng)增大 從而使數(shù)值計(jì)算的時(shí)間延 長 應(yīng)根據(jù)運(yùn)算能力和所需試驗(yàn)精度 合理確定納入 計(jì)算域的室外空間區(qū)域 計(jì)算域幾何建?？赏ㄟ^三維 CAD軟件建立 該種方式創(chuàng)建模型較為簡單 但存 在一些曲面不封閉和無用斷線等問題 需在導(dǎo)入網(wǎng)格 軟件后進(jìn)行簡化和修復(fù) 第2 種方式是直接在網(wǎng)格生 成軟件中創(chuàng)建模型 如使用 Gambit ICEM 等 該種 方式創(chuàng)建的幾何模型精度高 但操作過程相對復(fù)雜 網(wǎng)格劃分可分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃 分 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格區(qū)域其內(nèi)部點(diǎn)都具有相同 的相鄰單元 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的區(qū)域其內(nèi)部點(diǎn)則具 有不同的相鄰單元 溫室內(nèi)部構(gòu)造相對復(fù)雜的部分及 溫室內(nèi)外空氣交換的附近區(qū)域需要進(jìn)行加密處理 可 進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分 用于應(yīng)對此類較為復(fù)雜的求 解區(qū)域 流體特性設(shè)置即設(shè)置所研究的流體物質(zhì)參 數(shù) 用于微分方程的求解 一般需要設(shè)定的物質(zhì)參數(shù) 包括密度 黏度 熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容等 邊界條件 的設(shè)定即是設(shè)定流體在計(jì)算邊界上應(yīng)當(dāng)遵循的數(shù)學(xué)物 理?xiàng)l件 其主要用于模擬流體在邊界時(shí)發(fā)生的一系列 物理過程 邊界條件主要可分為壁面條件 不同介質(zhì) 分區(qū)條件 流體條件 固體條件 多孔介質(zhì)條件和流 體進(jìn)出口條件等 1 2 求解 求解過程主要包括物理模型的選擇和求解的設(shè) 置 物流模型選擇即是確定流體在計(jì)算域中所需要遵 循的物理過程 用于確定模擬時(shí)流體的流動狀況和能 量變化 一般常見的物理模型有湍流模型 輻射模 型 N S方程 能量方程和多相流方程等 對于自然 通風(fēng)條件下的溫室內(nèi)部而言 其空氣流速相對較低 空氣流動過程中溫度變化不大 故可視為不可壓縮流 體運(yùn)動 因而用 CFD 建模的方式模擬溫室中的通風(fēng) 降溫情況 其基本控制方程主要有湍流方程 能量方 程和N S方程 同時(shí)可根據(jù)溫室中的實(shí)際情況增加輻 射模型 多相流模型等 以減小模擬誤差 求解設(shè)置 可分為流場初始化 求解控制與收斂判定 初始化及 設(shè)定流場的初始條件 為流場設(shè)定初始值 然后計(jì)算 機(jī)根據(jù)初始值和物理模型進(jìn)行數(shù)值跌代 得到計(jì)算域 每一點(diǎn)處的解 求解過程中為了提高計(jì)算精度 同時(shí) 控制好計(jì)算的過程 還需要對求解器進(jìn)行松弛因子 離散格式方面的設(shè)置 1 3 后處理 后處理包括流程特性結(jié)果可視化處理及計(jì)算結(jié)果 的可靠性驗(yàn)證 方程求解后的結(jié)果是離散后各網(wǎng)格節(jié) 點(diǎn)上的一系列數(shù)值 不十分直觀 難以被相關(guān)人員理 解和分析 需要借助一些軟件將求解結(jié)果進(jìn)行可視化 和整理 變成便于研究分析的數(shù)據(jù)圖表 計(jì)算結(jié)果的 可靠性分析 即通過將模擬求解得到的流場特性和試 驗(yàn)研究得到的結(jié)果進(jìn)行比較 若模擬結(jié)果與試驗(yàn)測試 結(jié)果基本吻合 誤差在合理范圍內(nèi) 就可以認(rèn)定 CFD的數(shù)值模擬是可靠的 可以用作當(dāng)前實(shí)際溫室 的分析研究與抽象表達(dá) 44 胡建 CFD數(shù)值模擬技術(shù)在溫室環(huán)境因子調(diào)控中的應(yīng)用 1 4 CFD的特點(diǎn) 各種 CFD 通用軟件的數(shù)學(xué)模型都是以 Navier Stokes方程和各種湍流模型 以及多相流模型 燃燒 和化學(xué)反應(yīng)流模型 自由面流模型和非牛頓流體模型 等組成 多數(shù)附加模型都增加了一些附加源項(xiàng) 附加 輸運(yùn)方程和離子與主體方程 隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和 新方法的出現(xiàn) 新模型也不斷增加 離散方法采用有 限體積法 FVM 或有限元法 FEM 有限體積法 繼承了有限差分法的豐富格式 具有良好的守恒性 能像有限元素法那樣采用各種形狀的網(wǎng)格以適應(yīng)復(fù)雜 的邊界幾何形狀 且比有限元素法簡便 因此多數(shù)計(jì) 算流體力學(xué)軟件都采用有限體積法 然而有限元法也 有其優(yōu)點(diǎn) 其對高階導(dǎo)數(shù)的離散精度高于有限體積 法 有限元方法更適合于流體力學(xué)和固體力學(xué)的耦 合 如氣動彈性 振動和噪聲等 因此在 CFD 方法 中有自己的領(lǐng)域 目前國內(nèi) CFD 通用軟件 Phoenics Fluent Star CD CFX TASCflow 和 Numeca 均采用有 限體積法 著名的有限元軟件 ANSYS 由流體力學(xué)計(jì) 算模塊組成 適用于合流固耦合計(jì)算 CFD軟件配備網(wǎng)格生成 預(yù)處理 和流量顯示 后處理 模塊 網(wǎng)格生成質(zhì)量對計(jì)算精度和穩(wěn)定性 有很大影響 但在幾何圖形復(fù)雜的區(qū)域生成良好的網(wǎng) 格相對較好 網(wǎng)格生成能力的強(qiáng)弱也是衡量 CFD 通 用軟件性能的重要因素 網(wǎng)格分為兩類 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 目前廣泛使用的是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 對于復(fù)雜 情況 解域根據(jù)其拓?fù)湫再|(zhì)被劃分為若干子域 每個(gè) 子域通過分區(qū)或分區(qū)重疊技術(shù)連接 現(xiàn)在 CFD 通用 軟件可以使用 CAD 軟件對流場幾何輸入進(jìn)行建模 但生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格仍然耗時(shí)和費(fèi)力 2 溫室CFD應(yīng)用現(xiàn)狀 20 世紀(jì)60 年代 計(jì)算流體力學(xué)在世界范圍內(nèi)得 到發(fā)展 并逐漸被應(yīng)用到溫室內(nèi)微環(huán)境的模擬中 CFD 數(shù)值模擬技術(shù)對溫室內(nèi)部微環(huán)境的研究首先在 荷蘭 以色列等國家的溫室中得到應(yīng)用 早期 國外 對溫室的初步研究是以小溫室和比例溫室為基礎(chǔ) 在 室內(nèi)無作物的情況下 對室內(nèi)氣流和溫度場的分布進(jìn) 行二維模擬 OKUSHIMA L 等 3 針對斜屋頂單跨塑 料溫室內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行了二維模擬 MIST IOTIS A 等 4 運(yùn)用CFD技術(shù)對長度為32 m的雙跨地中海溫室 中的微氣候進(jìn)行模擬 研究表明 外部空氣通過屋頂 通風(fēng)口的背風(fēng)端進(jìn)入 并在迎風(fēng)端退出 SHO T T H 等 5 通過CFD在溫室中的二維模擬來研究溫室中的 作物對微環(huán)境的影響 BA TZANAS T等 6 和KITTAS C等 7 在單跨溫室中對流場進(jìn)行二維模擬 并依據(jù)模 擬結(jié)果優(yōu)化單跨溫室的設(shè)計(jì) FATNASSI H 等 8 的研 究也證實(shí) 溫室的高度和形狀會較大地影響其通風(fēng)降 溫速率 對于某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的溫室 如大型連棟溫 室 特點(diǎn)是交替不連續(xù)的屋頂通風(fēng)開口 在內(nèi)部形成 了復(fù)雜的流場 二維數(shù)值模擬無法正確再現(xiàn)這種溫室 內(nèi)部的流場 伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展 近年來 國外的學(xué)者已經(jīng) 能夠?qū)Σ煌愋蜏厥疫M(jìn)行三維 CFD 模擬研究 模擬 結(jié)果更加真實(shí)可靠 SHKLYA A 等 9 對斜屋頂單跨 溫室內(nèi)部微環(huán)境進(jìn)行了三維模擬 CAMPEN J B 10 對 單跨和三跨的熱帶溫室進(jìn)行三維模擬 同時(shí)考慮了浮 力 內(nèi)部作物和防蟲網(wǎng)等因素對模擬的影響 TEI TEL M等 11 對四跨地中海溫室進(jìn)行三維模擬 同時(shí) 考慮了熱輻射 浮力和作物的影響 PISCIA D 等 12 利用該種方法對不同風(fēng)速和通風(fēng)口開度對通風(fēng)率的影 響和不同天空溫度和呼吸機(jī)開度對對流傳熱系數(shù)的影 響進(jìn)行了研究 ZHANG X等 13 對中國日光溫室溫度 分布進(jìn)行了三維模擬和優(yōu)化 由于湍流模型得到了較好的應(yīng)用和發(fā)展 溫室內(nèi) 作物和設(shè)施與環(huán)境之間的耦合問題得到越來越多的重 視 如溫室內(nèi)小氣候不僅受溫室內(nèi)對流轉(zhuǎn)移的支配 輻射也起著關(guān)鍵的作用 但是輻射過程很復(fù)雜 在模 擬中通常以簡化的方式處理 WANG S J等 14 建立了 簡單的輻射子模型來計(jì)算隧道溫室內(nèi)表面的太陽輻射 通量 一些研究也考慮了作物的影響 作物通常被認(rèn) 為是一種多孔介質(zhì) 根據(jù) BA TZANAS T 等 15 的研 究 作物的黏性阻力可以忽略 FE NANDEZ F等 16 利用CFD軟件對番茄大棚進(jìn)行模擬 分析大棚內(nèi)環(huán) 境因子 溫度 濕度和二氧化碳濃度等 的分布情 況 以及室外風(fēng)向?qū)厥覂?nèi)氣流分布格局的影響 并 通過模型風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果 WANG B A 17 將整個(gè)溫室系統(tǒng)分為9 層 根據(jù)不同層之間的質(zhì)能守 恒原理 提出了著名的 GGDM 動態(tài)能量平衡模型 該模型對溫室內(nèi)外的顯熱和潛熱平衡進(jìn)行了描述 在 此研究基礎(chǔ)上 李樹海等 18 進(jìn)行了更加深入的研究 將原來9 層結(jié)構(gòu)改成12 層 考慮頂窗 側(cè)窗 濕墊 風(fēng)機(jī)和內(nèi)外遮陽等對溫室內(nèi)溫度場的影響 建立溫室 環(huán)境的動態(tài)綜合模型 隨著溫室結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)的改變 溫室環(huán)境動態(tài)模型需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正 國內(nèi) CFD 模擬技術(shù)在溫室內(nèi)部氣候模擬中的應(yīng) 用起步較晚 多數(shù)集中于對溫室結(jié)構(gòu) 通風(fēng)方式的研 究 且以二維模擬為主 很少考慮輻射 作物等對微 環(huán)境的影響 程秀花 2 對Venlo型玻璃溫室內(nèi)溫度分 布進(jìn)行了 CFD 數(shù)值模擬 并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證 二者相 契合 李永欣等 19 利用 CFD 方法對 Venlo 型溫室夏 季采用室外遮陽和屋頂噴淋措施的自然通風(fēng)降溫過程 進(jìn)行了數(shù)值模擬 陳教料等 20 采用 CFD 技術(shù)對溫室 54 農(nóng)業(yè)工程 信息與電氣化 熱空氣加熱條件下溫度環(huán)境的三維場分布進(jìn)行數(shù)值模 擬 模型中忽略了作物的蒸騰作用和傳熱因素 通過 現(xiàn)場采集關(guān)鍵點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù) 與模擬結(jié)果相比 均方 根誤差為0 67K 雖然國內(nèi)學(xué)者對溫室環(huán)境的數(shù)值模 擬做了大量的研究 并取得了一定的進(jìn)展 在現(xiàn)代溫 室環(huán)境電子化及其控制技術(shù)研究方面與國外仍有較大 差距 我國應(yīng)積極開展更多的研究 多年來 國內(nèi)外學(xué)者通過研究 CFD 在溫室內(nèi)微 環(huán)境中的應(yīng)用 建立了較為準(zhǔn)確的模型 能夠通過修 正較為準(zhǔn)確地模擬并預(yù)測溫室內(nèi)微環(huán)境的變化和分 布 并與實(shí)測值相吻合 對溫室的設(shè)計(jì)和降溫措施等 有重要意義 3 CFD模擬技術(shù)面臨的挑戰(zhàn) 自20 世紀(jì)90 年代末以來 有關(guān)溫室氣候的CFD 模型幾乎呈指數(shù)級發(fā)展 需討論其在溫室領(lǐng)域的具體 實(shí)施的相關(guān)性 3 1 CFD模擬技術(shù) 3 1 1 計(jì)算域和網(wǎng)格設(shè)置 域設(shè)置和網(wǎng)格生成是建模過程的第1 步 意味著 選擇一個(gè)足夠大的計(jì)算域來正確評估發(fā)生的主要機(jī)制 并避免干擾人工邊界 如網(wǎng)格不能太粗糙 因?yàn)樗鼤?使流動循環(huán)平滑 必須細(xì)化具有強(qiáng)梯度的區(qū)域 這在 同時(shí)存在流入和流出的開口中尤其重要 從而導(dǎo)致強(qiáng) 大的速度梯度 因此 必須仔細(xì)對這些區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格 劃分 在目前可用的合適軟件的幫助下完成 目前研 究進(jìn)展中建立了一個(gè)網(wǎng)格 該網(wǎng)格適合結(jié)構(gòu)的物理邊 界 比笛卡爾結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更加逼真 這些非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 緊密地遵循固體邊界的輪廓 但是 它們需要驗(yàn)證網(wǎng) 格質(zhì)量以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和計(jì)算收斂 研究文獻(xiàn)中很 少分析的特定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)十分必要 盡管這可能對解決 方案的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響 21 3 1 2 選擇湍流模型 合適的湍流模型很重要 由于湍流閉合方程主要 是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型模擬效果一般 因此對于不同的溫 室需要進(jìn)行修正 常用于溫室的湍流模型是標(biāo)準(zhǔn) k 模型 Chen 和 Kim 模型 eNormalisation Group NG 模型及雷諾茲壓力模型 SM 溫室系統(tǒng) 覆蓋了一系列長度和速度尺度 通常需要不同的建模 方法和修正 模型選擇難度較大 3 1 3 設(shè)置邊界條件 邊界條件通常通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷 因此 輸 入較差的數(shù)據(jù)質(zhì)量會影響模擬的效果 這些試驗(yàn)數(shù)據(jù) 通常不直接使用 而是改為適應(yīng) 如在給定高度的幾 何測量中推斷出對風(fēng)速分布的影響 關(guān)于這些功能的 參數(shù)設(shè)置不確定性可能導(dǎo)致結(jié)果的差異 必須在建模 方法的準(zhǔn)確性與建立適當(dāng)邊界條件和模型參數(shù)所需的 信息之間找到折中方案 3 1 4 模擬結(jié)果的質(zhì)量 CFD模擬結(jié)果的質(zhì)量通常是從與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一 致性推斷出來 沒有標(biāo)準(zhǔn)程序來真正評估模擬的準(zhǔn)確 性 因此 通常通過圖形比較和試驗(yàn)分布來評估模型 準(zhǔn)確性 3 2 耦合關(guān)系 國外在進(jìn)行溫室自然通風(fēng)對內(nèi)部流場和溫度場的 影響研究方面較深入 由最初的無作物存在 不考慮 輻射存在時(shí)內(nèi)部環(huán)境的機(jī)理研究逐漸到有作物存在時(shí) 溫室內(nèi)部環(huán)境及作物與環(huán)境因子之間的耦合關(guān)系的研 究 在過去幾年中 CFD 模擬技術(shù)經(jīng)歷了幾次進(jìn)步 其中最重要的是包含數(shù)值輻射傳輸 使其能夠與對流 傳輸耦合 包括在方程中調(diào)整一組源項(xiàng)以考慮特定過 程的可能性 還包括作物與周圍環(huán)境之間的能量 水 蒸氣和動量相互作用 這是今后要解決的問題 因?yàn)?這些進(jìn)步提供了更好理解和模擬由通風(fēng)口配置和作物 活動與生產(chǎn)相關(guān)的對流轉(zhuǎn)移之間相互作用的機(jī)會 可 以更加精確地模擬溫室內(nèi)微環(huán)境的分布和傳輸 在空 氣中模擬粒子轉(zhuǎn)移也是新的方向 已經(jīng)與常用的 CFD軟件結(jié)合 并且已經(jīng)應(yīng)用于溫室各種問題的研 究 3 2 1 輻射傳遞模型 通過在溫室的物理邊界處設(shè)置特定的壁或熱通量 來考慮太陽和熱輻射的影響 主要難度在于涉及表面 到表面相互作用的輻射傳遞的性質(zhì) 作物本身的輻射 轉(zhuǎn)移是主要問題 因?yàn)槠錄Q定了蒸騰作用和光合作 用 這一問題已經(jīng)在近幾年受到廣泛關(guān)注 3 2 2 作物模型 多數(shù)研究將作物的整個(gè)體積模擬為對動量轉(zhuǎn)移起 作用的多孔體 一些 CFD 模型還將作物視為熱量或 水蒸氣的匯或源 這意味著特定的顯熱和潛熱通量被 添加到熱量和質(zhì)量的傳輸方程中 然后從每個(gè)作物細(xì) 胞的能量平衡推導(dǎo)出顯熱和潛熱 該過程涉及確定每 個(gè)細(xì)胞中的全局輻射 作物光合作用和蒸騰作用也是 一種值得耦合的關(guān)鍵機(jī)制 因?yàn)樗苯尤Q于作物內(nèi) 部的短波輻射強(qiáng)度 以及空氣溫度 濕度和二氧化碳 含量 雖然這些參數(shù)目前在溫室內(nèi)得到了較好的控 制 但尚未模擬相應(yīng)的過程 3 2 3 粒子的轉(zhuǎn)移 可以使用大氣傳輸模型 如拉格朗日模型和歐拉 模型來模擬粒子散布 在溫室內(nèi)部 可以為研究區(qū)域 的每個(gè)網(wǎng)格單元預(yù)測描述空氣運(yùn)動的向量 以及與運(yùn) 輸量相對應(yīng)的標(biāo)量 如空氣溫度 濕度 顆粒濃度和 64 胡建 CFD數(shù)值模擬技術(shù)在溫室環(huán)境因子調(diào)控中的應(yīng)用 湍流量等 KIM K 等 22 使用離散相模型來分析源自 霧噴嘴中水噴霧顆粒形成的熱環(huán)境變化 利用該模型 跟蹤噴霧液滴的移動路徑 并分析溫室冷卻系統(tǒng)的傳 熱 使用CFD 方法模擬溫室中的濕度分布 并且使 用來自沒有植物的單跨溫室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證計(jì)算 還可以將這些粒子轉(zhuǎn)移模型應(yīng)用于溫室微環(huán)境領(lǐng)域中 的其他問題 如孢子和花粉轉(zhuǎn)移 或昆蟲殺蟲劑噴霧 的慣性轉(zhuǎn)移等 4 結(jié)束語 溫室內(nèi)的微環(huán)境 通風(fēng)速率 溫度場和濕度場 等 主要受到建筑物的幾何形狀和通風(fēng)口配置 包 括尺寸和布置 的影響 同時(shí)外部氣候因素如風(fēng)速 風(fēng)向 溫室尺寸 密度 作物活動和特殊設(shè)備的存在 如遮陽設(shè)備和防蟲網(wǎng)等 等也會對溫室內(nèi)部微環(huán)境 產(chǎn)生影響 為了優(yōu)化溫室降溫措施 為作物提供適宜 的生長環(huán)境 對溫室內(nèi)部微環(huán)境的準(zhǔn)確模擬十分重 要 實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)都是了解溫室內(nèi)氣候特征的初 步步驟 新的技術(shù)如 PIV 可以映射氣流模式 CFD 工具可以訪問整個(gè)建筑內(nèi)部的分布式氣候 CFD 具 有能夠測試各種氣象條件或溫室?guī)缀涡螤畹膬?yōu)勢 因 此在修正后可以針對許多不同的情況進(jìn)行模擬 實(shí)地 調(diào)查對于驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性很重要 數(shù)值模擬和 試驗(yàn)結(jié)果之間的差異可能源于測量設(shè)備的準(zhǔn)確性及模 型本身的限制 然而 試驗(yàn)研究成本高 缺乏數(shù)據(jù)仍 然是一個(gè)問題 特別是因?yàn)樵黾拥哪Ｐ蛷?fù)雜性需要越 來越多的探針和更精確的測量驗(yàn)證 同時(shí) 目前的模型難以涉及全部的物理機(jī)制 這 些物理機(jī)制在控制溫室內(nèi)微環(huán)境方面扮演十分重要的 角色 如植物的蒸騰作用和光合作用 輻射傳遞方程 等 研究并模擬與氣候相互作用的主要物理機(jī)制和生 理機(jī)制是CFD數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展的方向之一 此外 為了能夠讓溫室中微環(huán)境的數(shù)值模擬盡可 能更加真實(shí) 確定哪些機(jī)制和流程應(yīng)考慮在 CFD 模 擬方法之中也值得關(guān)注 參考文獻(xiàn) 1 胡建 玻璃溫室夏季組合降溫措施試驗(yàn)研究 J 中國農(nóng)機(jī)化 2011 3 111 114 HU Jian Experimental research on combination cooling measure of glass greenhouse in summer J Chinese Agricultural Mechaniza tion 2011 3 111 114 2 程秀花 溫室環(huán)境因子時(shí)空分布 CFD 模型構(gòu)建及預(yù)測分析研 究 D 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 2011 CHENG Xiuhua Predication and CFD modeling for greenhouse mi croclimates temporospatial distributions D Zhenjiang Jiangsu University 2011 3 OKUSHIMA L SASE S NA A M A support system for natural ventilation design of greenhouses based on computational aerodynam ics J Acta Horticulturae 1989 248 129 136 4 MIST IOTIS A BOT G P A PICUNO P et al Analysis of the efficiency of greenhouse ventilation 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