譚勝男， 汪小旵， 保智敏， 劉 釗

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京210031;2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210031)

在溫室栽培生產(chǎn)中，室內(nèi)環(huán)境的高溫高濕易使 作物發(fā)生真菌病害，破壞作物正常生長發(fā)育。單獨(dú)采用自然通風(fēng)降溫的措施易受外界氣候影響，難以進(jìn)行人工控制，降溫效果不理想;采用濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)雖然降溫效果好，但是運(yùn)行能耗高，而且降溫效果受風(fēng)機(jī)和濕簾間距離的影響。為了解決這一問題，一些溫室在室內(nèi)外安裝了遮陽網(wǎng)和室內(nèi)噴霧系統(tǒng)，在自然通風(fēng)基礎(chǔ)上結(jié)合室外遮陽系統(tǒng)和室內(nèi)噴霧系統(tǒng)降溫，取得了較好的降溫效果。

1989 年Okushima 等［1］首次采用CFD 技術(shù)對溫室內(nèi)氣流流動模式進(jìn)行預(yù)測，開啟了利用CFD 技術(shù)用于溫室系統(tǒng)模擬的先河。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和計(jì)算方法效率的提高，借助該數(shù)值模擬技術(shù)對溫室內(nèi)微環(huán)境分布模式進(jìn)行分析已成為各國學(xué)者［2-10］研究的熱點(diǎn)。本研究以荷蘭Venlo 型玻璃溫室為研究對象，運(yùn)用CFD 數(shù)值模擬技術(shù)，將溫室內(nèi)氣體視為含水蒸氣的混合氣體，結(jié)合離散坐標(biāo)(DO)輻射模型，在綜合考慮太陽輻射、室內(nèi)外空氣自然對流及圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的情況下，采用組分傳輸模型和離散相模型對溫室內(nèi)溫、濕度分布模式進(jìn)行3-D 穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，從而提出在溫室微環(huán)境數(shù)值研究中采用輻射、對流、熱傳導(dǎo)耦合計(jì)算的新方法，并利用現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬結(jié)果，為溫室內(nèi)噴霧降溫系統(tǒng)的推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究對象

以雙脊Venlo 型鋁合金玻璃溫室為研究對象，溫室位于東經(jīng)118°46'、北緯32°03'，東西向跨度16.00 m，南北向跨度8.00 m，脊高4.20 m，頂高5.20 m，面積128 m2，覆蓋物為4 mm 浮法玻璃，透光率大于88%。配備開窗系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)、內(nèi)遮陽系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)和滴灌系統(tǒng)等，南北各6 個天窗聯(lián)動。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2012 年6 月15 日進(jìn)行，試驗(yàn)期間天氣多云。室內(nèi)噴霧系統(tǒng)在當(dāng)天9∶ 32進(jìn)行噴霧1 min。

用南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院自主研發(fā)的設(shè)備(基于ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫室監(jiān)控系統(tǒng))和室外氣象站的數(shù)據(jù)采集儀采集室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)采集頻率:5 min 1 次。①用室外氣象站的數(shù)據(jù)采集儀測定室外環(huán)境參數(shù):空氣溫度測量范圍－30.0 ～70.0 ℃，分辨率0.1 ℃，測量精度±0.2 ℃;空氣相對濕度范圍0 ～100%，分辨率0.1，測量精度±3%;風(fēng)速范圍0 ～32.4 m/s，分辨率0.1，測量精度±1.0 m/s;輻射范圍0 ～2 000 W/m2，分辨率0.1，測量精度1 W/m2;風(fēng)向范圍16 風(fēng)向。②用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫室監(jiān)控系統(tǒng)測定室內(nèi)溫、濕度:傳感器型號為AM2301，測量范圍0 ～100%、－40.0 ～80.0 ℃，測量精度±3%、±0.5℃。③圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地表溫度采用手持式AR300 紅外測溫儀測定:數(shù)據(jù)的測量均采用布點(diǎn)測量法，在溫室內(nèi)沿長度、跨度及高度方向布置9 個測點(diǎn)，如圖1 所示(溫室內(nèi)共有5 條噴霧帶，距地2.00 m，每條噴霧帶分布10 個霧化噴頭，噴頭間距1.55 m，其中第1、第3、第5 排的第1 個噴頭距西墻1.00 m，第2、第4 排的第1 個噴頭距西墻1.60 m)。

圖1 溫室內(nèi)溫、濕度傳感器測點(diǎn)位置Fig.1 Positions of measurement points for temperature and humidity sensors in the greenhouse

2 CFD 模型

2.1 基本控制方程

溫室自然通風(fēng)過程具有明顯湍流特征，選取標(biāo)準(zhǔn)k－ε 湍流模型對玻璃溫室進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。壁面對湍流有明顯影響，在近壁處采用壁面函數(shù)法。溫室流體基本控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，方程通式為:

式中，φ:通用變量μ，ν，ω，h，T(或E)等;ρ:密度，單位kg/m3;u:速度矢量;Г:擴(kuò)散通量;Sφ:源項(xiàng)。

2.2 輻射模型

太陽輻射是玻璃溫室白天室內(nèi)溫濕度場和速度場分布的重要因素。當(dāng)陽光照射到溫室的玻璃覆蓋層時，一部分被其表面反射或折射，一部分被玻璃吸收升溫，其余的則進(jìn)入溫室。進(jìn)入溫室的太陽輻射，一部分被空氣介質(zhì)吸收，其余的被四周壁表面和地面吸收。同時，溫室還受熱輻射影響，溫室內(nèi)四周壁、空氣、作物之間也通過輻射進(jìn)行能量交換。模擬中采用射線跟蹤法加載太陽模型，選取離散坐標(biāo)(DO)輻射模型對玻璃作半透明處理，進(jìn)行玻璃溫室數(shù)值模擬中熱輻射求解。

2.3 組分模型

濕度是溫室中影響作物生長的重要因素，為探討現(xiàn)代化溫室內(nèi)濕度場分布，在CFD 數(shù)值模擬中選用組分模型。設(shè)置空氣和水蒸氣的混合物，通過水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算空氣相對濕度(RH)，并將該氣體混合物視為不可壓縮理想氣體，在2 種組分間無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。首先將水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為含濕量，進(jìn)一步將含濕量轉(zhuǎn)換為相對濕度。為求解濕空氣的溫度，須求解濕空氣的焓，其關(guān)系滿足如下能量守恒方程:

式中，h:焓，單位為J/m3;E:總能，單位為J;p:大氣壓;ρ:空氣密度，單位為kg/m3;mj:對應(yīng)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);hj:對應(yīng)組分的焓，單位為J/m3;ui、uj:速度矢量;keff:有效熱傳導(dǎo)系數(shù);(τij)eff:有效粘性應(yīng)力;Cp，j:定壓比熱容，單位為J(kg·K);Jj:組分?jǐn)U散量，單位為g/s;T:有效溫度，單位為K;Sh:體積熱源項(xiàng)，單位為W/m3。

2.4 網(wǎng)格劃分

計(jì)算域的選取和網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度會對計(jì)算精度產(chǎn)生直接影響。為了與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比，CFD 模擬的溫室結(jié)構(gòu)與進(jìn)行試驗(yàn)測試的Venlo 型溫室完全相同。室外區(qū)域的選取對CFD 數(shù)值模擬具有雙重影響，所取區(qū)域越大，與實(shí)際空氣流動情況吻合越好;但是計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)目增大，使數(shù)值計(jì)算的時間更長。本次CFD 數(shù)值計(jì)算的室外空間區(qū)域?yàn)闇厥覗|、南、西、北墻各延伸30.00 m。采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格方法對計(jì)算域網(wǎng)格劃分，共劃分為3 個子區(qū)域(室內(nèi)區(qū)、室外區(qū)和噴頭區(qū))，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對不同的區(qū)域來進(jìn)行劃分。對于溫度及流場梯度變化大的近壁區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密，共生成257 315個節(jié)點(diǎn)(Nodes)、2 974 447個面網(wǎng)格(Faces)以及1 479 083個體網(wǎng)格(Hybrid cells)，按計(jì)算機(jī)硬件條件:Pentium(R)8 CPU 2.4 GHz、內(nèi)存12 G 來看，可進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.5 邊界條件

溫室CFD 數(shù)值模擬以室內(nèi)空氣為研究對象，給定合理的邊界條件:室外氣象條件、進(jìn)出口邊界條件和溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地面邊界條件，就可計(jì)算出流場的解。將計(jì)算域室外空間迎風(fēng)面設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件(Velocity-inlet)，背風(fēng)面設(shè)置為壓力出口邊界條件(Pressure-outlet)，室外頂面設(shè)置為壁面邊界條件(Wall)，其余2 個面設(shè)置為周期性邊界條件(Periodic)。玻璃溫室內(nèi)外的能力通過覆蓋層及四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)以對流、熱傳導(dǎo)和輻射3 種形式進(jìn)行熱交換，室內(nèi)區(qū)域溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面設(shè)置為壁面邊界條件(Wall)，溫室門及天窗設(shè)置為內(nèi)部界面邊界條件(Interior)。主要邊界條件的初始條件和邊界條件如表1 所示。

3 結(jié)果

3.1 CFD 模型驗(yàn)證

噴霧后，溫室內(nèi)各測點(diǎn)模擬值與實(shí)測值的比較結(jié)果(圖2)可以看出:溫度模擬值與實(shí)測值吻合良好，平均差值為1 ℃，平均相對誤差為4.9%;相對濕度模擬值與實(shí)測值的平均差值與平均相對誤差分別為4.2%和5.7%。數(shù)值模擬結(jié)果能夠較真實(shí)有效地反映實(shí)際溫室內(nèi)溫、濕度的空間分布模式?？梢?，本研究所建立的CFD 數(shù)值模型有效，邊界條件設(shè)定正確。

表1 初始條件和邊界條件Table 1 Initial and boundary conditions

圖2 測點(diǎn)的實(shí)測值與模擬值的比較Fig.2 Comparison of measured and simulated environmental factors at each measurement points

3.2 噴霧前后溫室內(nèi)溫度分布

從噴霧前溫室內(nèi)氣相流場的溫度分布(圖3a)中可以看出，溫室垂直方向上存在明顯的溫度梯度分布，溫室頂部到地面，溫度逐漸降低，作物區(qū)溫度最低，隨著高度的增加，溫度上升梯度變緩，而在靠近溫室頂部圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域時，溫度梯度變化又變劇烈，主要是由于頂部覆蓋層直接吸收太陽輻射的原因。

從噴霧后剖面溫度的分布(圖3b)中可以看出，溫室內(nèi)溫度快速下降，降溫效果明顯，尤其是噴頭下方。同時由于靠近溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域的等溫面非常狹小，所以其溫差較大;由于受到太陽輻射和空氣對流的的影響，溫室內(nèi)溫度逐漸回升，但由于溫室內(nèi)仍存在大量霧滴，霧滴蒸發(fā)帶走熱量，使得溫室內(nèi)溫度不能迅速升高(圖3c)。同時還可以看出由于溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域的霧滴分布比較稀薄，故其溫度上升的比溫室中間快;隨著時間的推移，溫室內(nèi)溫度逐漸回升(圖3d)，從圖3b、圖3c、圖3d 中，我們還可以發(fā)現(xiàn)，溫室溫度的回升隨著高度的增加而速度加快，溫度的回升速度與高度呈正相關(guān)。

4 結(jié)論

(1)對荷蘭Venlo 型玻璃溫室在自然通風(fēng)狀況下的噴霧降溫系統(tǒng)進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬，溫室內(nèi)測點(diǎn)平均溫、濕度的模擬值與實(shí)測值的平均相對誤差分別為4.9%和5.7%，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，說明所建立的CFD 模型和邊界條件是正確的，采用離散相模型模擬噴霧是可行的。

(2)噴霧前溫室內(nèi)氣相流場的溫度在垂直方向上存在著明顯的溫度梯度，作物區(qū)溫度最低，隨著高度的增加，溫度上升梯度變緩，但在靠近頂部圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域時，溫度變化劇烈，這主要是由于頂部直接吸收太陽輻射的原因。

(3)噴霧后，溫室內(nèi)溫度迅速下降，噴頭下方溫度下降最為明顯。隨著太陽輻射和空氣對流的影響，溫室內(nèi)溫度逐漸回升，但由于溫室內(nèi)仍存在大量液滴，使得室內(nèi)溫度不能迅速升高，溫室內(nèi)溫度的回升速度與高度呈正相關(guān)。

圖3 溫室室內(nèi)溫度分布的CFD 模擬Fig.3 CFD simulation of temperature distribution in the greenhouse

(4)噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)備便宜，安裝簡單，降溫效果好，但由于其在降溫的同時增加了空氣濕度，不當(dāng)?shù)目刂撇呗?，常會使噴霧降溫效果大打折扣。因此為了使噴霧系統(tǒng)發(fā)揮最優(yōu)降溫效果，需對其控制策略進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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