哈爾濱冬季溫室的氣流組織情況分析

哈爾濱冬季溫室的氣流組織情況分析 引言 隨著農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積達(dá)到了 140 萬(wàn)hm2，已成為世界第一大設(shè)施栽培大國(guó)。其中，溫室已經(jīng)達(dá)到了 500hm2多，而且每年大型溫室的增長(zhǎng)量都達(dá)上百公頃，日光溫室在寒冷的北方廣受青睞。冬季為了保持室溫，溫室密閉且不進(jìn)行通風(fēng)，室內(nèi)空氣處于停滯狀態(tài)。停滯的空氣會(huì)導(dǎo)致植物表面形成境界層，影響作物的生理作用，并且為病害繁殖創(chuàng)造了良好的環(huán)境; 在極寒冷的地區(qū)，冬季溫室還會(huì)引入加熱設(shè)備，停滯的空氣使熱量不能有效地?cái)U(kuò)散，也會(huì)造成溫度分布不均勻和溫度偏低等現(xiàn)象，影響植物的正常生長(zhǎng)。優(yōu)化溫室的氣流組織，使溫室內(nèi)氣體流動(dòng)，可以在一定程度上解決上述問(wèn)題，改善溫室環(huán)境，提高溫室產(chǎn)量。1 模型及計(jì)算條件1 1 溫室?guī)缀文Ｐ蛯?shí)驗(yàn)采用哈爾濱地區(qū)某日光溫室，溫室冬季采用熱水供熱系統(tǒng)。溫室全長(zhǎng) 60m，中部被 pc 板隔開(kāi)，形成兩個(gè)溫室環(huán)境，實(shí)驗(yàn)選取其中一個(gè)。實(shí)驗(yàn)溫室長(zhǎng)27 5m，跨度 7m，脊高 3 5m，后墻高 2 5m，后坡水平投影 1 5m。日光溫室?guī)缀文Ｐ腿鐖D 1 所示?！緢D1】1 2 溫室 CFD 模型1 2 1 湍流模型參考相關(guān)文獻(xiàn)，加熱條件下溫室內(nèi)氣流可看成湍流流動(dòng)。三維湍流數(shù)值模擬方法可以分為直接數(shù)值模擬方法和非直接數(shù)值模擬方法兩種。其中，非直接數(shù)值模擬方法又分為大渦模擬、統(tǒng)計(jì)平均法和Reynolds 平均法 3 種。Reynolds 平均法對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用可以取得很好的效果，而且避免了大計(jì)算量的問(wèn)題，因此是目前使用最為廣泛的湍流數(shù)值模擬方法。根據(jù)溫室的情況及各數(shù)值模擬方法的適用范圍，選取Reynolds 平均法中的標(biāo)準(zhǔn) k ε 模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn) k ε 模型的輸運(yùn)方程為【1】其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能 k 的產(chǎn)生項(xiàng); Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能 k 的產(chǎn)生項(xiàng); YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn); C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù); k、ε分別是與湍動(dòng)能 k 和耗散率 ε 對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù); Sk、Sε是用戶定義的源項(xiàng)。高 Re 數(shù)的湍流模型針對(duì)充分發(fā)展的湍流才有效; 對(duì)近壁區(qū)內(nèi)的流動(dòng)，湍流發(fā)展并不充分，必須采用特殊處理方式，可以采用低 Re 數(shù) k ε 模型或壁面函數(shù)法。低 Re 數(shù) k ε 模型要求在近壁面區(qū)域劃分比較細(xì)密的網(wǎng)格，而壁面函數(shù)法不需要在壁面區(qū)加密，因此實(shí)驗(yàn)采用壁面函數(shù)法處理近壁面區(qū)域。1 2 2 基本控制方程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇的溫室冬季室外氣溫很低，因此并不會(huì)開(kāi)窗通風(fēng)，室內(nèi)氣體壓強(qiáng)變化不大。根據(jù)溫室內(nèi)氣流特點(diǎn)，為了便于處理溫差帶來(lái)的浮升力項(xiàng)，采用Boussinesq 來(lái)簡(jiǎn)化加熱空氣產(chǎn)生的自然對(duì)流。流體流動(dòng)要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。如果流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程?？刂品匠痰耐ㄓ眯问綖椤?】其中，Φ為通用變量，可以代表 u 、v 、w 、T 等求解變量; Γ 為廣義擴(kuò)散系數(shù); S 為廣義源項(xiàng)。1 2 3 輻射模型溫室受加熱設(shè)備的熱輻射影響，同時(shí)熱輻射也是溫室夜間熱量損失的重要原因之一，溫室內(nèi)環(huán)境通過(guò)輻射相互及與外界進(jìn)行能量交換。實(shí)驗(yàn)溫室采用熱水供熱系統(tǒng)，傳熱方式主要有輻射和對(duì)流，大部分熱量是通過(guò)輻射傳遞到周?chē)h(huán)境中的。CFD 可以提供 5種輻射模型，其中離散坐標(biāo)輻射模型( DO 模型) 使用范圍最廣，計(jì)算范圍涵蓋了從表面輻射、半透明介質(zhì)輻射到燃燒問(wèn)題中出現(xiàn)的介入輻射在內(nèi)的各種輻射問(wèn)題?？紤]到半透明介質(zhì)、空氣對(duì)輻射的吸收率較低并且需要進(jìn)行耦合傳熱計(jì)算等問(wèn)題，選取 DO 模型計(jì)算輻射的影響。輻射方程為【3】其中，r→為位置向量; s→為方向向量;→s 為散射方向; a 為吸收系數(shù); n 為折射系數(shù); s為散射系數(shù); 為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù); I 為輻射強(qiáng)度，依賴于 r→、s→ T為當(dāng)?shù)販囟? F 為相位函數(shù); O 為空間立體角。2 網(wǎng)格的劃分及邊界條件選擇2 1 計(jì)算域網(wǎng)格劃分網(wǎng)格是 CFD 模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對(duì) CFD 的計(jì)算精度和計(jì)算效率具有重要的影響。網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類。其中，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有極好的適應(yīng)性，對(duì)于具有復(fù)雜邊界的流場(chǎng)問(wèn)題尤其有效。根據(jù)溫室的情況，采用了非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行了劃分，并對(duì)熱水管道進(jìn)行了網(wǎng)格的加密。2 2 邊界條件冬季溫室不與外界進(jìn)行通風(fēng)，而且內(nèi)部只存在流固耦合傳熱，邊界條件全部設(shè)置為 Wall，地面給定實(shí)際測(cè)量的固定溫度，墻體及覆蓋材料為對(duì)流與外部輻射相結(jié)合的邊界類型。實(shí)驗(yàn)溫室模型中沒(méi)有考慮植物的影響。3 CFD 模擬分析實(shí)驗(yàn)?zāi)M了白天供暖情況下溫室的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比模型所得溫室溫度與實(shí)測(cè)溫室溫度，來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。取室外溫度為14 85 進(jìn)行了模擬，選取了 72 個(gè)點(diǎn)測(cè)量溫度，并與實(shí)驗(yàn)所得各點(diǎn)的溫度值進(jìn)行了比較，最大誤差為 1 5，可以認(rèn)為模型建立基本準(zhǔn)確。首先對(duì)不通風(fēng)情況下的溫室模型的速度場(chǎng)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在不通風(fēng)的情況下，溫室內(nèi)各處速度為零，也就是溫室內(nèi)只靠熱力的浮升與擴(kuò)散并不能產(chǎn)生有效的氣流組織，基本沒(méi)有氣體流動(dòng)，選取了 z =16m 斷面的速度場(chǎng)分布圖，如圖 2 所示。【圖2】通過(guò)對(duì)溫室模型的初步分析可以看出: 冬季溫室的速度場(chǎng)分布狀況很不理想，溫室內(nèi)的氧氣與二氧化碳不能很好地流通，容易造成二氧化碳濃度過(guò)高或過(guò)低等問(wèn)題，影響植物的光合作用及呼吸作用，不能為植物的生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境。因此，提出溫室內(nèi)氣流組織的優(yōu)化。4 模型初步優(yōu)化冬季溫室并不進(jìn)行通風(fēng)換氣，因此在溫室中加入內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇對(duì)于形成理想的氣流組織、充分混合室內(nèi)空氣有很大的幫助。根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫室的實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)資料，按照每分鐘溫室體積喚起率不低于0 3 次的要求，在溫室中添加 2 臺(tái)內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇，放置于溫室的對(duì)角線上。同時(shí)，選取截面 z=16m 進(jìn)行分析，圖 3 為該截面的速度矢量分布圖。從圖 3 可以看出:由于內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇的作用，在靠近中部下方和傾斜面處的速度最大，速度矢量密集; 在靠近地面附近的速度矢量向上，在傾斜面附近的速度矢量向下，形成了一個(gè)循環(huán)圈，室內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)較好的速度場(chǎng)?！緢D3】取 y=0 25m 的截面進(jìn)行分析，圖 4 為該截面的速度等值線圖。由圖 4 可以看出: 溫室大部分區(qū)域都已經(jīng)有了速度分布，靠近兩側(cè)的等值線密集，速度變化較大，中間部分速度變化平緩?！緢D4略】對(duì)溫室整體的速度場(chǎng)也進(jìn)行了分析，圖 5 為溫室整體的速度矢量圖。從圖 5 可以看出: 在內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇附近，矢量圖密集，風(fēng)速較大; 在圖中標(biāo)注跡線，表明室內(nèi)的氣體由于內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇的作用，在室內(nèi)流動(dòng)形成了循環(huán)圈，出現(xiàn)了較好的氣流組織?！緢D5略】5 結(jié)論從溫室模型模擬結(jié)果可以看出: 在不進(jìn)行通風(fēng)的情況下，冬季溫室內(nèi)氣體不流通，沒(méi)有形成有效的氣流組織，溫室環(huán)境不理想。在溫室中增加內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇進(jìn)行初步優(yōu)化后，根據(jù)相應(yīng)的模擬結(jié)果可以看出: 溫室內(nèi)出現(xiàn)較好的氣流組織，不僅改善了氣體停滯狀態(tài)，而且有助于改善溫度場(chǎng)的均勻性，使溫室整體環(huán)境有了很大的提高，優(yōu)化了植物的生長(zhǎng)環(huán)境。選擇最佳的位置安置內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇，使溫室內(nèi)達(dá)到最佳的氣流組織，這是以后研究的主要方向。參考文獻(xiàn):1 齊飛 我國(guó)溫室及配套設(shè)備產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2005，21( 1) : 53572 佚名 溫室內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇之作用與安裝DB/OL ( 20120301) 3 趙雯倩 計(jì)算流體力學(xué)在溫室通風(fēng)中的應(yīng)用研究J 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011( 8) : 2327