張國(guó)祥 劉星星 張領(lǐng)先 傅澤田 張琛馳2, 李鑫星2,

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 4.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

基于CFD的日光溫室溫度與卷簾開(kāi)度關(guān)系研究

張國(guó)祥1,2劉星星1張領(lǐng)先3傅澤田2,4張琛馳2,3李鑫星2,3

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 4.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

日光溫室通過(guò)在棚面上覆蓋卷簾保溫材料的方式，可以有效地減少日光溫室在外界環(huán)境溫度較低情況下的熱量散失，在前期研究的改進(jìn)型日光溫室后置固定式卷簾裝置基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究不同卷簾開(kāi)度對(duì)于日光溫室內(nèi)部溫度變化的影響。選擇保溫性質(zhì)較好的保溫被作為卷簾材料、簡(jiǎn)化北方地區(qū)較為典型的遼沈Ⅳ型日光溫室結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)日光溫室的散熱情況分析，得到日光溫室內(nèi)部溫度的變化與其卷簾開(kāi)度導(dǎo)致的保溫材料與卷膜的覆蓋面積變化存在著一定的線性關(guān)系。并通過(guò)CFD-Fluent仿真軟件和驗(yàn)證性試驗(yàn)進(jìn)行研究驗(yàn)證，結(jié)果表明：覆蓋卷簾可以有效地減少日光溫室的熱量散失，維持室內(nèi)適宜溫度及其均勻性，在較為理想的環(huán)境條件下，日光溫室內(nèi)部溫度變化與卷簾開(kāi)度存在一定的線性關(guān)系，且日光溫室內(nèi)部溫度由于棚面散熱速率的差異所呈現(xiàn)的區(qū)域性差異也進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)論。

日光溫室； 溫度； 卷簾開(kāi)度； CFD-Fluent仿真； 試驗(yàn)

引言

日光溫室通過(guò)在棚面上覆蓋卷簾保溫材料的方式，有效地減少日光溫室在外界環(huán)境溫度較低情況下的熱量散失，將日光溫室棚室內(nèi)部溫度維持在作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的適宜范圍內(nèi)，滿足室內(nèi)作物的生長(zhǎng)發(fā)育需要[1-3]。

在寒冷夜間，通常會(huì)使用日光溫室卷簾機(jī)在棚面上鋪放覆蓋卷簾用以保溫，在晝間外界溫度適宜時(shí)打開(kāi)卷簾，使得日光溫室內(nèi)部的作物接受光照，且在外界光照條件較好的情況下，使得卷簾處于較大開(kāi)度，有益于作物接受更多光照，但在晝間外界溫度較低或光照不強(qiáng)的情況下，卷簾完全打開(kāi)會(huì)造成日光溫室的室內(nèi)溫度迅速降低，凍傷作物，造成嚴(yán)重?fù)p失，另一方面若卷簾完全覆蓋棚面又會(huì)造成光照不足，影響作物生長(zhǎng)。為解決這一問(wèn)題，可通過(guò)僅打開(kāi)部分卷簾，維持一定的卷簾開(kāi)度，使得日光溫室在滿足必要的光照需求下，減少日光溫室內(nèi)部熱量散失，維持室內(nèi)適宜溫度[4—5]。但對(duì)于日光溫室卷簾機(jī)的使用，目前多只停留在將卷簾完全打開(kāi)或是完全封閉，不對(duì)卷簾開(kāi)度進(jìn)行高精度控制，其操作方式過(guò)于粗糙和簡(jiǎn)單。因此，開(kāi)展卷簾開(kāi)度對(duì)日光溫室溫度的影響研究，實(shí)現(xiàn)日光溫室卷簾機(jī)的精準(zhǔn)化控制，具有重要的研究意義[6-7]。

在前期“改進(jìn)型日光溫室后置固定式卷簾裝置”的研究基礎(chǔ)上，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的建模方法，本文提出日光溫室內(nèi)部溫度的變化與其卷簾開(kāi)度存在著一定的線性關(guān)系。并通過(guò)CFD-Fluent模型仿真的方法，選擇特征平面進(jìn)行針對(duì)性分析究，最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 卷簾開(kāi)度對(duì)日光溫室溫度的影響

1.1 日光溫室保溫覆蓋材料

日光溫室所采用的棚面保溫覆蓋材料，目前多為人造纖維材料的保溫被或是簡(jiǎn)單的溫室草簾，草簾屬于比較傳統(tǒng)的日光溫室保溫材料，因?yàn)槿〔姆奖?，價(jià)格低廉，在日光溫室普及之初就已被廣泛使用，但因?yàn)椴莺煹馁|(zhì)量較差，壽命短，而且隨著保溫被生產(chǎn)成本的降低，且保溫被具有防水、防風(fēng)、壽命長(zhǎng)、適用于卷簾機(jī)械等特點(diǎn)，保溫被已經(jīng)得到普遍的使用。目前市場(chǎng)上保溫效果較好的保溫被主要有防水布、化纖噴膠棉、薄膜等材料組成，且在使用時(shí)通常會(huì)在日光溫室棚面內(nèi)層覆蓋一層卷膜，以加強(qiáng)其保溫效果[8-9]。因?yàn)椴牧闲再|(zhì)的差異，草簾和保溫被在保溫性質(zhì)上也存在著較大的差異，如表1所示[9]。

表1 日光溫室卷鋪介質(zhì)的保溫性質(zhì)差異Tab.1 Insulation property differences between straw curtains and insulation pads

由表1可知，保溫被的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于草簾，且其傳熱阻較大，反映保溫被的保溫效果明顯優(yōu)于草簾，且單位面積的保溫被的質(zhì)量小于草簾，能夠減輕日光溫室棚面負(fù)載，也更適合于日光溫室的機(jī)械卷簾作業(yè)?；谝陨峡紤]，選擇保溫被作為模型仿真及試驗(yàn)中的日光溫室保溫覆蓋材料。

1.2 日光溫室溫度與卷簾開(kāi)度關(guān)系

選擇北方地區(qū)較為典型的遼沈Ⅳ型日光溫室作為仿真研究對(duì)象[10]，為方便研究計(jì)算，將其日光溫室棚面簡(jiǎn)化成一段圓弧，整體結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的幾何模型，如圖1所示[10]。

圖1 遼沈Ⅳ型日光溫室的圖形簡(jiǎn)化Fig.1 Graphic simplification of “Liaoshen Ⅳ” solar greenhouse

選擇0、20%、40%、60%、80%、100% 6個(gè)開(kāi)度作為仿真驗(yàn)證試驗(yàn)中日光溫室的卷簾開(kāi)度測(cè)量位置，棚室長(zhǎng)度設(shè)定為60 m，通過(guò)計(jì)算可以得到日光溫室內(nèi)部的空間體積Va為2 593.85 m3，假設(shè)室內(nèi)外空氣溫度分別分布均勻，卷膜處于完全關(guān)閉狀態(tài)，忽略自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)外溫度的影響，日光溫室的覆蓋材料表面溫度分布均勻，則此時(shí)日光溫室內(nèi)部熱量的散失主要為室內(nèi)空氣與覆蓋材料接觸(卷膜+卷簾、卷膜)的對(duì)流熱換能量，如圖2所示。

圖2 日光溫室室內(nèi)空氣與覆蓋材料的對(duì)流換熱Fig.2 Convective heat transfer of indoor air and covering materials in solar greenhouse

基于所簡(jiǎn)化的遼沈Ⅳ型日光溫室模型，通過(guò)計(jì)算得到不同卷簾開(kāi)度K所對(duì)應(yīng)的圓心角度和材料覆蓋面積如表2所示。

表2 不同卷簾開(kāi)度對(duì)應(yīng)的圓心角度和卷鋪材料覆蓋面積Tab.2 Central angle and covering area at different roller openings

由表2可知覆蓋材料(卷膜+卷簾，卷膜)面積A1、A2與卷簾開(kāi)度呈線性比例關(guān)系。假設(shè)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，日光溫室內(nèi)、外部溫度分布均勻，基于研究實(shí)驗(yàn)條件需要，將日光溫室內(nèi)部空氣溫度ti設(shè)定為27℃(300 K)，日光溫室棚面覆蓋材料的溫度設(shè)定為0℃(273 K)。由此可以得到的熱平衡微分方程為

(1)

其中

Q1=A1α1(ti-T1)

(2)

Q2=A2α2(ti-T2)

(3)

式中Va——日光溫室內(nèi)部的空間體積，m3C——空氣比熱容，取1 006.43 J/(kg·K)

ρa(bǔ)——日光溫室內(nèi)空氣密度，取1.225 kg/m3

Q——單位時(shí)間內(nèi)除去室內(nèi)空氣與棚面覆蓋材料對(duì)流換熱能量外的日光溫室其他能量變化，包括室內(nèi)空氣與墻體的對(duì)流換熱能量等，W

Q1——單位時(shí)間內(nèi)日光溫室內(nèi)部通過(guò)與覆蓋材料(卷膜+卷簾)的自然對(duì)流換熱能量，W

Q2——單位時(shí)間內(nèi)日光溫室內(nèi)部通過(guò)與覆蓋材料(卷膜)自然對(duì)流換熱能量，W

α1、α2——覆蓋材料(卷膜+卷簾，卷膜)與室內(nèi)空氣之間對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)

T1、T2——覆蓋材料(卷膜+卷簾，卷膜)與室內(nèi)空氣接觸的表面溫度，K

由以上理論研究分析得到，日光溫室內(nèi)部溫度的變化與其卷簾開(kāi)度導(dǎo)致的覆蓋材料(卷膜+卷簾，卷膜)面積A1、A2變化存在著一定的線性關(guān)系，基于以上考慮，本文將通過(guò)CFD-Fluent模型仿真的方法進(jìn)一步研究驗(yàn)證[11-15]。

2 不同卷簾開(kāi)度下日光溫室溫度變化的CFD-Fluent仿真

2.1 網(wǎng)格劃分和邊界條件

基于ANSYS Workbench CFD仿真分析軟件，模擬冬季夜間日光溫室的熱量散失情況，建立不同卷簾開(kāi)度的日光溫室三維仿真模型，為日光溫室的構(gòu)造面進(jìn)行命名，設(shè)置合適的網(wǎng)格單元尺寸(0.3～0.5 m)，采用Tetrahedrons模式進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 日光溫室模型的Tetrahedrons網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Results of Tetrahedrons mesh generation about solar greenhouse model

由圖3網(wǎng)格劃分結(jié)果可看出，網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)估參數(shù)Skewness(不能高于0.95，最好在0.90以下；其值越小表示劃分的網(wǎng)格質(zhì)量越好)的最大值僅為0.8左右，且超過(guò)90%的網(wǎng)格的Skewness值小于0.5，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較為良好，不同卷簾開(kāi)度的日光溫室模型劃分的網(wǎng)格數(shù)量均達(dá)到360 000左右，精度較高，且未出現(xiàn)“負(fù)網(wǎng)格”等錯(cuò)誤情況，能夠滿足Fluent模擬仿真實(shí)驗(yàn)的需要。由于所需仿真結(jié)果為單位時(shí)間后的瞬態(tài)環(huán)境狀態(tài)值，所以選擇瞬態(tài)模型Transient，啟動(dòng)能量模型Energy，選擇湍流模型為Realizablek-ε模型，進(jìn)入邊界條件設(shè)置。對(duì)日光溫室的建筑材料及其覆蓋材料的邊界類(lèi)型、厚度、對(duì)流系數(shù)、邊界溫度進(jìn)行了設(shè)定[16-19]，其設(shè)定參數(shù)如表3所示[9,13]。

表3 Fluent日光溫室仿真模型的邊界條件Tab.3 Boundary conditions for solar greenhouse simulation model of Fluent

2.2 Fluent仿真結(jié)果

初始化設(shè)定完成后，在Patch設(shè)定中將日光溫室內(nèi)部的初始溫度設(shè)定為300 K，將仿真模擬的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為60 s，總的時(shí)間步數(shù)設(shè)定為10，兩者乘積即可得到仿真時(shí)間，為10 min?；谝陨纤O(shè)定的相同邊界條件、初始條件和仿真時(shí)間，對(duì)不同卷簾開(kāi)度下日光溫室模型的溫度變化情況進(jìn)行模擬仿真，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同卷簾開(kāi)度CFD-Fluent整體溫度云圖對(duì)比Fig.4 CFD-Fluent contrast testing of whole temperature clouds with K=0 and K=100%

由圖4可得在棚面上鋪放卷簾和未鋪放卷簾(僅覆蓋卷膜)對(duì)日光溫室內(nèi)部整體溫度變化的影響，從整體溫度變化來(lái)看，卷簾的保溫效果明顯。為研究鋪放卷簾開(kāi)度對(duì)于日光溫室內(nèi)部溫度分布影響情況，通過(guò)Plane Surface的“三點(diǎn)建面”方法在日光溫室模型內(nèi)部建立Y=1 m平面與Z=30 m平面，對(duì)其在卷簾開(kāi)度K=20%時(shí)的平面溫度分布情況進(jìn)行比較，如圖5所示[20]。

圖5 卷簾開(kāi)度K=20%的Y=1 m平面與Z=30 m平面溫度云圖對(duì)比Fig.5 CFD-Fluent contrast of temperature clouds of plane Y=1 m and Z=30 m with 20% opening

由圖5可知其日光溫室內(nèi)部的溫度分布存在一定的層次性，且在Z軸方向和Y軸方向上都有所體現(xiàn)，但在Y軸方向上層次感和規(guī)律性較強(qiáng)，且考慮到Z=30 m的平面更多反映溫室內(nèi)部整體情況，且日光溫室內(nèi)部種植作物一般處于溫室下部區(qū)域，所以選擇Y=1 m平面作為研究特征平面，觀察其溫度云圖變化，更能反映不同卷簾開(kāi)度對(duì)于日光溫室種植作物所處環(huán)境溫度的直接影響，不同卷簾開(kāi)度對(duì)應(yīng)的Y=1 m平面溫度云圖如圖6所示。

圖6 不同卷簾開(kāi)度日光溫室內(nèi)Y=1 m等高面的溫度云圖Fig.6 Temperature clouds based on Y=1 m contour plane with different openings

3 CFD-Fluent仿真結(jié)果分析

3.1 日光溫室卷簾保溫效果和分析

通過(guò)圖4中在棚面上完全鋪放卷簾(K=0)和未鋪放卷簾(僅覆蓋卷膜，K=100%)的日光溫室整體溫度云圖變化對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在棚面上鋪放卷簾可以有效地減小日光溫室棚面的熱量散失速率，卷簾對(duì)于日光溫室具有良好的保溫效果。且由圖6中具體的日光溫室內(nèi)1 m等高面(Y=1 m平面)溫度云圖來(lái)看，在棚面上完全鋪放卷簾(K=0%)和未鋪放卷簾(僅覆蓋卷膜，K=100%)的日光溫室室內(nèi)溫度在相同區(qū)域內(nèi)提升近10℃左右。

圖7 卷簾開(kāi)度K=0時(shí)Z=30 m平面與Y=1 m平面溫度XYplot圖對(duì)比Fig.7 Contrast of temperature XYplot of plane Y=1 m and Z=30 m with 0 opening

由圖4、圖6中的溫度分布情況可以發(fā)現(xiàn)，日光溫室的建造及覆蓋材料保溫性質(zhì)的差異會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部空間區(qū)域散熱速率出現(xiàn)明顯的不同，由此會(huì)導(dǎo)致日光溫室內(nèi)部溫度的區(qū)域性差異，且這種差異性存在一定的規(guī)律性，散熱速率較快的材料周?chē)鷧^(qū)域溫度降低速度較快。這反映到日光溫室溫度變化，在圖4中有所體現(xiàn)，日光溫室后墻體和卷簾相比較其他材料具有較好的保溫性質(zhì)，東西墻體次之，卷膜的保溫性質(zhì)最差，也由此導(dǎo)致在卷簾未打開(kāi)(K=0%)時(shí)，在日光溫室內(nèi)1 m等高面上，溫度從溫室中間區(qū)域往兩邊墻體基本呈由高到低的階梯狀分布；當(dāng)卷簾打開(kāi)后，也基本呈現(xiàn)由溫室后墻體向外的擴(kuò)散式階梯狀分布。

這種分布規(guī)律對(duì)于日光溫室作物種植具有極其重要的指導(dǎo)作用，卷簾未打開(kāi)(K=0%)時(shí)，室內(nèi)1 m等高面溫度云圖中的高溫區(qū)域集中于日光溫室中間的大部分區(qū)域，這部分也多為日光溫室種植作物區(qū)域，區(qū)域溫度分布也較為均勻，而卷簾打開(kāi)后，室內(nèi)1 m等高面溫度云圖的溫度則呈現(xiàn)由墻體向外的擴(kuò)散式階梯狀分布，這對(duì)于種植區(qū)域內(nèi)作物影響明顯，會(huì)導(dǎo)致種植區(qū)域尤其是其外圍區(qū)域內(nèi)的種植作物出現(xiàn)嚴(yán)重凍傷、凍死等災(zāi)害，影響作物產(chǎn)量與品質(zhì)。由此可知，在棚面上鋪放卷簾能夠有效地保證日光溫室內(nèi)部種植區(qū)域的溫度均勻性，有益于種植作物的生長(zhǎng)和發(fā)育[21]。

3.2 不同卷簾開(kāi)度下溫度變化結(jié)果與分析

針對(duì)于卷簾開(kāi)度對(duì)于日光溫室內(nèi)部整體溫度影響的分析，將各個(gè)卷簾開(kāi)度下的Z=30 m平面和Y=1 m平面的溫度分布情況以XYplot圖的方式展現(xiàn)，如圖7所示。

將plot圖中的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，處理后得到各個(gè)卷簾開(kāi)度下Z=30 m平面和Y=1 m平面的溫度平均值，這也可以被視為不同卷簾開(kāi)度下，整個(gè)日光溫室內(nèi)部的平均溫度的反映，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖8所示。

圖8 平面Z=30 m和Y=1 m平均溫度與卷簾開(kāi)度關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves of average temperature on Z=30 m and Y=1 m planes and opening

由圖8可以看出，Z=30 m平面和Y=1 m平面的溫度平均值隨著卷簾開(kāi)度的增大基本呈線性遞減，其最大非線性誤差分別小于0.5%和小于0.35%。

圖6中，卷簾開(kāi)度40%～100%時(shí)，在日光溫室內(nèi)1 m等高面溫度云圖的溫度分布在不考慮其所代表的溫度的情況下，具有極高的相似度，基于這種共性，將其溫度云圖進(jìn)行分區(qū)和標(biāo)注處理，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 溫度云圖的分區(qū)處理Fig.9 Partitioned processing of temperature cloud

圖10 區(qū)域溫度與卷簾開(kāi)度關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curves of zone temperature and opening

如圖9所示，從A區(qū)到E區(qū)其溫度遞減，繪制各區(qū)域溫度變化與卷簾開(kāi)度關(guān)系曲線如圖10所示。

由圖10區(qū)域溫度與卷簾開(kāi)度關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，在相同的溫度分區(qū)內(nèi)，其溫度隨著卷簾開(kāi)度的增大而逐漸減小，且這種遞減趨勢(shì)與卷簾開(kāi)度存在一定的線性關(guān)系，其最大非線性誤差小于0.45%，由此可以進(jìn)一步驗(yàn)證日光溫室其內(nèi)部溫度變化與其卷簾開(kāi)度存在一定的線性關(guān)系。

4 驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果與分析

為研究卷簾開(kāi)度對(duì)日光溫室的影響，通過(guò)建立日光溫室等比例1∶40模型(圖11)，內(nèi)部均勻布置溫度傳感器，共計(jì)15個(gè)，采集其內(nèi)部溫度參數(shù)，模型內(nèi)部?jī)蛇吷綁Ψ胖门L(fēng)機(jī)(額定電壓12 V，額定功率150 W)，在其后墻安裝散熱片(額定電壓12 V，額定功率100 W)，以提高模型內(nèi)部空氣溫度，借助暖風(fēng)機(jī)氣流，加強(qiáng)空氣流動(dòng)與能量交換，提高其內(nèi)部空氣溫度均勻性，使其接近與仿真理想環(huán)境。

圖11 日光溫室等比例1∶40模型Fig.11 1∶40 equal proportion model of solar greenhouse

模型外側(cè)共有5組溫度計(jì)顯示屏，每組示數(shù)分別代表模型內(nèi)部由內(nèi)向外的3個(gè)位置點(diǎn)溫度，試驗(yàn)時(shí)的室外環(huán)境為15℃，封閉卷膜、卷簾，將模型內(nèi)溫度升高至40℃左右，將暖風(fēng)機(jī)和散熱片元件斷電，將試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為10 min，在不同卷簾開(kāi)度下觀察溫室模型的內(nèi)部溫度變化情況，以此研究相同時(shí)間內(nèi)，卷簾開(kāi)度對(duì)于日光溫室溫度的影響。其結(jié)果如表4所示。

表4 在相同試驗(yàn)時(shí)間后的不同卷簾開(kāi)度模型內(nèi)部溫度變化Tab.4 Temperature variation of different roller openings after the same test time

由表4可以看出，相同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，日光溫室模型內(nèi)部平均溫度隨著卷簾開(kāi)度的增大而減小，且其降幅基本呈現(xiàn)線性遞增變化，且其最大非線性誤差小于4.00%。對(duì)于卷簾開(kāi)度對(duì)日光溫室內(nèi)部溫度分布的影響，以100%為例，試驗(yàn)時(shí)間(10 min)后模型內(nèi)部溫度分布如圖12所示。

圖12 100%卷簾開(kāi)度模型內(nèi)部溫度分布Fig.12 Temperature distribution of 100% model opening

由圖12可看出日光溫室不同卷簾開(kāi)度下的溫度分布基本呈現(xiàn)由內(nèi)向外的階梯狀分布，與所得到的CFD-Fluent模型仿真結(jié)果相似，圖中因受暖風(fēng)機(jī)的余溫影響，溫室模型兩端的分布溫度略高。

由以上驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果可以進(jìn)一步確定日光溫室的溫度變化與卷簾開(kāi)度存在線性關(guān)系，由此驗(yàn)證本文的研究結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)以遼沈Ⅳ型日光溫室作為研究對(duì)象，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，選擇保溫被作為模型仿真及試驗(yàn)中的日光溫室保溫覆蓋材料，通過(guò)分析提出日光溫室內(nèi)部溫度的變化與其卷簾開(kāi)度導(dǎo)致的保溫材料與卷膜的覆蓋面積變化存在著一定的線性比例關(guān)系的理論分析結(jié)果，并通過(guò)CFD-Fluent軟件進(jìn)一步研究驗(yàn)證，選擇特征平面進(jìn)行針對(duì)性的研究與分析。

(2)通過(guò)CFD-Fluent仿真模擬得到：日光溫室通過(guò)在棚面上覆蓋卷簾保溫材料的方式，可以有效地減少日光溫室在外界環(huán)境溫度較低情況下的熱量散失，維持室內(nèi)適宜溫度及其均勻性，且在較為理想的環(huán)境條件下，日光溫室卷簾開(kāi)度的不同，棚面保溫材料和卷膜的覆蓋面積變化會(huì)導(dǎo)致日光溫室棚面散熱速率的差異，由此導(dǎo)致日光溫室內(nèi)部溫度呈現(xiàn)區(qū)域性差異。且這種差異存在一定的規(guī)律性，反映日光溫室內(nèi)的溫度變化與卷簾開(kāi)度存在一定的線性關(guān)系，并通過(guò)模型驗(yàn)證性試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該研究結(jié)論。

1 丁小明．我國(guó)日光溫室卷簾機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011(12)：217-222. DING Xiaoming. Research and development on exterior cover-rolling machine of solar greenhouse in China[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2011(12):217-222. (in Chinese)

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RelationshipbetweenIndoorTemperatureandRollingShutterOpeningofSolarGreenhouseBasedonCFD

ZHANG Guoxiang1,2LIU Xingxing1ZHANG Lingxian3FU Zetian2,4ZHANG Chenchi2,3LI Xinxing2,3

(1.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.BeijingLaboratoryofFoodQualityandSafety,Beijing100083,China3.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China4.KeyLaboratoryofAgriculturalInformationAcquisitionTechnology,MinistryofAgriculture,Beijing100083,China)

The solar greenhouse can effectively reduce the heat loss under the outdoor condition at low temperature by covering insulation materials. Based on the previous study of design and experiment of the rear fixed type rolling shutter device in solar greenhouse, in order to study the influence of rolling shutter opening on the temperature change in solar greenhouse, aimed at the insulation pads, the typical “Liaoshen Ⅳ” solar greenhouse structure was simplified. The result suggested that the indoor temperature of solar greenhouse can be affected by the rolling shutter opening, which changed the covering area of insulation materials and heat dissipation rate of solar greenhouse. There was a linear proportional relationship between indoor temperature of solar greenhouse and rolling shutter opening. And then this theory was verified by CFD-Fluent. The following conclusion was drawn: covering the shutter can effectively reduce the heat loss and maintain appropriate indoor temperature and its uniformity for solar greenhouse. Under ideal conditions, the rolling shutter opening would change the covering area of insulation materials and lead to the differences of heat dissipation rate for solar greenhouse, at last, lead to the regional difference of inner temperature. And the relationship between changes of inner temperature and the value of rolling shutter opening was almost linear. The study intuitively reflected the relationship between indoor temperature and roller shutter opening of solar greenhouse, and provided a theoretical basis for further strengthening the precision control of rolling shutter machines, besides it would provide effective reference for greenhouse production practice in China, and it had an important theoretical and practical significance.

solar greenhouse; temperature; rolling shutter opening; CFD-Fluent simulation; experiment

S625

A

1000-1298(2017)09-0279-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.035

2016-11-22

2017-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51705520)

張國(guó)祥(1994—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)裝備與機(jī)械化工程研究，E-mail: zhangguoxiang@cau.edu.cn

李鑫星(1983—)，男，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)系統(tǒng)與知識(shí)工程研究，E-mail: lxxcau@cau.edu.cn