何科奭 陳大躍 孫麗娟 劉正魯

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院， 上海 200240； 2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所， 北京 100081； 4.上海孫橋現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)， 上海 201210)

引言

單棟塑料溫室是我國華東地區(qū)最主要設(shè)施類型，這類溫室依靠自然通風(fēng)調(diào)控室內(nèi)氣候。華東地區(qū)屬于亞熱帶氣候，夏季時常發(fā)生浮力通風(fēng)，且常遭遇高溫、高濕、強(qiáng)輻射、低風(fēng)速天氣。

計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)作為一種工具用于研究溫室自然通風(fēng)始于OKUSHIMA等的工作[1]。到20世紀(jì)90年代中后期，許多學(xué)者借助CFD技術(shù)研究溫室自然通風(fēng)微氣候[2-9]。對于華東地區(qū)單棟塑料溫室，沈明衛(wèi)等[10-11]通過對不同風(fēng)向下單棟塑料溫室內(nèi)氣流場的仿真分析得出了風(fēng)向?qū)厥覂?nèi)氣流分布具有主導(dǎo)作用。王健等[12]比較了不同開窗對單棟塑料溫室內(nèi)流場的影響，得出了風(fēng)壓通風(fēng)下天窗加側(cè)窗是最理想的開窗方案。陳加浪等[13]評估了不同風(fēng)速下增開天窗對單棟塑料溫室內(nèi)流場的影響。郝飛麟等[14-15]揭示了自然通風(fēng)下單棟塑料溫室內(nèi)溫濕度場、CO2濃度場等多物理場特征。當(dāng)前，依舊缺乏對極低風(fēng)速下(小于0.6 m/s)溫室微氣候特征的系統(tǒng)揭示。本文擬構(gòu)建單棟塑料溫室CFD模型，探索開窗配置對溫室內(nèi)微氣候場的影響，通過溫室通風(fēng)效果的評估來優(yōu)化開窗配置。然后，研究極低風(fēng)速尤其是浮力通風(fēng)時不同風(fēng)速和開窗下溫室內(nèi)氣流和溫度場分布特征和規(guī)律。

1 數(shù)值建模

1.1 本構(gòu)方程

計算流體力學(xué)的發(fā)展能夠使得在計算域的網(wǎng)格上用有限體積法求解輸運(yùn)方程以獲得流場，描述三維空間內(nèi)自由對流下輸運(yùn)現(xiàn)象的守恒方程為[16]

(1)

式中φ——通用變量Sφ——廣義源項

Г ——廣義擴(kuò)散系數(shù)

u、v、w——流體速度矢量的組成部分

x、y、z——笛卡爾坐標(biāo)

式(1)在直接計算湍流運(yùn)動時對內(nèi)存空間和計算速度要求非常高，通常引入湍流模型進(jìn)行簡化處理。考慮到單棟塑料溫室內(nèi)空氣流動通常是湍流[17]，本文選擇RNGk-ε模型來進(jìn)行湍流模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來處理近壁區(qū)湍流。激活Boussinesq模型，把溫差引起的浮力升項加入到動量守恒方程的源項。激活組分模型，模型中空氣假設(shè)為水蒸氣和干空氣的混合物，彼此之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通風(fēng)過程中各組分傳輸滿足組分守恒定律。激活DO輻射模型來描述溫室內(nèi)外輻射轉(zhuǎn)移對室內(nèi)氣候的影響。在參數(shù)設(shè)置中，角度離散選項設(shè)為默認(rèn)值。Fluent只求解4個象限，共4NθNΦ個方向。每次輻射迭代過程中，流體迭代次數(shù)設(shè)為10。

1.2 數(shù)值建模和網(wǎng)格生成

選擇Gambit 2.3.16作為CFD前處理器進(jìn)行數(shù)值建模和網(wǎng)格生成。數(shù)值建模時，考慮到自然通風(fēng)下單棟塑料溫室微氣候受大氣邊界層氣候的影響，故計算域?qū)厥彝鈪^(qū)域包括在內(nèi)，其范圍應(yīng)以不影響室內(nèi)流場特性為準(zhǔn)。三維CFD模型計算域長為100 m(其中，單棟塑料溫室長30 m，迎風(fēng)向長20 m，背風(fēng)向長50 m)，寬為40 m，高為20 m。迎風(fēng)向長度、背風(fēng)向長度、高度分別是溫室脊高的6倍、15倍、6倍，能滿足文獻(xiàn)[18]所規(guī)定的外圍計算域迎風(fēng)向長度、背風(fēng)向長度和高度至少是溫室脊高的3倍、7倍和5倍的要求。網(wǎng)格劃分時，溫室外區(qū)域采用Cooper法以網(wǎng)格密度較疏的六面體單元劃分以減少不必要的計算時間；溫室內(nèi)區(qū)域采用TGrid法以網(wǎng)格密度較密的四面體單元劃分以捕捉溫室內(nèi)流場分布；作物冠狀層采用Map法以網(wǎng)格密度更密的六面體單元劃分；考慮到近壁面流場變化梯度大，故生成4層邊界層；網(wǎng)格走勢呈現(xiàn)從內(nèi)向外輻射狀。最終，總網(wǎng)格數(shù)約180萬左右，其中溫室內(nèi)網(wǎng)格數(shù)為50萬，作物冠狀層網(wǎng)格數(shù)為5萬。

當(dāng)實(shí)際風(fēng)向和溫室朝向垂直時，三維CFD模型通常簡化為二維來處理以減小不必要的計算量。二維CFD模型外圍計算域尺寸為40 m×20 m。其中，迎風(fēng)向長度、背風(fēng)向長度、高度分別是溫室脊高的10倍、10倍、6倍，能滿足文獻(xiàn)[18]要求。在網(wǎng)格劃分上，整個計算域中溫室外區(qū)域以尺寸為0.33 m的四邊形網(wǎng)格來劃分，共生成7 300個網(wǎng)格，網(wǎng)格走勢呈現(xiàn)從內(nèi)向外輻射狀。溫室內(nèi)區(qū)域以尺寸為0.04 m的三角形網(wǎng)格來劃分，共生成36 106個網(wǎng)格。作物冠狀層內(nèi)網(wǎng)格做進(jìn)一步加密，以尺寸為0.02 m的四邊形網(wǎng)格來劃分，該區(qū)域內(nèi)共生成6 500個網(wǎng)格。溫室壁面加上4層邊界層網(wǎng)格。最終，整個計算域內(nèi)共生成約50 016個網(wǎng)格。

1.3 邊界條件

進(jìn)口空氣假設(shè)為不可壓縮的；計算域(迎風(fēng)向)入口為速度進(jìn)口邊界，大氣邊界層的風(fēng)剖面符合對數(shù)規(guī)律，即[19]

(2)

其中

(3)

式中Uw——外界風(fēng)速u*——摩擦速率

uh——參考風(fēng)速(參考高度2.0 m處的測量風(fēng)速)

h——參考高度，取2.0 m

K——馮卡門系數(shù)，取0.42

z——離地高度

zo——地面粗糙度，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[19]，取0.015

計算域出口(背風(fēng)向)流體假設(shè)已充分發(fā)展, 即壓力出口；計算域頂部(天空)設(shè)為非滑移半透明壁面以加載太陽輻射。室內(nèi)外地面設(shè)為不透明的散射壁面。溫室薄膜覆蓋物設(shè)為有一定厚度的半透明壁面，其漫反射分?jǐn)?shù)設(shè)為20%。所有壁面溫度設(shè)為固定且均勻分布。在固體壁面上對所有組分均使用零擴(kuò)散通量。考慮太陽輻射的熱效應(yīng)，材料光學(xué)屬性對所有波長的輻射假設(shè)都為常數(shù)，即漫灰輻射。數(shù)值模型邊界條件來自于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 CFD模型的邊界條件Tab.1 Boundary condition used in CFD model

輻射模型求解中，所需要材料光學(xué)和熱學(xué)屬性見表2。

防蟲網(wǎng)在CFD模型中以多孔介質(zhì)來處理，其產(chǎn)生的阻力可由Darcy-Forcheimer方程來表示，防蟲網(wǎng)的惰性因子和滲透率分別按照以下經(jīng)驗(yàn)公式來計算[21]

Kp=3.44×10-9α1.6

(4)

CF=4.3×10-2α-2.13

(5)

式中Kp——惰性因子CF——滲透率

α——孔隙率，取0.67

表2 材料的光學(xué)和熱學(xué)屬性Tab.2 Material optical and thermal parameters

溫室空心菜對室內(nèi)微氣候的影響主要是通過CFD模型邊界條件的設(shè)置來體現(xiàn)。溫室作物冠狀層在CFD模型中以多孔介質(zhì)來處理，其產(chǎn)生的動量源項可以由Darcy-Forcheimer方程來表示。作物對周圍空氣的阻力是由粘滯阻力和慣性阻力組成[22]。考慮到作物冠狀層內(nèi)空氣速率很小，因此粘滯阻力通常可以忽略，所以只需要計算慣性阻力。慣性阻力由空氣速度U、葉面積密度ILA和作物冠狀層阻力系數(shù)Cd決定。葉面積密度ILA可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量得到。作物冠狀層阻力系數(shù)Cd可以通過風(fēng)洞測試得到。對于不同形狀和大小的作物差別很小[23-24]，本文取Cd=0.26。

作物冠狀層與室內(nèi)空氣的能量交換是通過作物蒸騰作用來實(shí)現(xiàn)。從能量平衡角度看，溫室作物吸收太陽輻射能后，一部分通過蒸騰作用擴(kuò)散到空氣中去，另外一部分通過對流作用與周邊空氣進(jìn)行熱量交換。因此，室內(nèi)作物吸收的輻射量等于作物與溫室內(nèi)空氣的潛熱和顯熱交換量，可表示為[25]

Rabs=Qsen+Qlat

(6)

其中

(7)

(8)

式中Rabs——輻射量λ——蒸發(fā)潛熱

Qsen、Qlat——顯熱和潛熱交換量

ra、rs——葉片空氣動力學(xué)阻力和氣孔阻力

Tc、Ti——作物葉片表溫和作物附近氣溫

wc、wa——作物和附近空氣的絕對濕度

ρ——空氣密度

Cp——固定大氣壓下空氣比熱容

對于葉片空氣動力學(xué)阻力和氣孔阻力而言，其值依賴于作物冠狀層內(nèi)空氣速度和氣候環(huán)境。葉片空氣動力學(xué)阻力和空氣速率有關(guān)，其表達(dá)式可以參照文獻(xiàn)[26]。氣孔阻力表達(dá)式可以參照文獻(xiàn)[27]。

作物冠狀層動量、質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)移過程可以通過源項加載到基本控制方程中來體現(xiàn)。這些源項通過用戶自定義函數(shù)耦合到CFD模型中。

1.4 求解步驟

求解過程是利用分離求解器以求解壓力耦合方程組的半隱式方法進(jìn)行迭代計算求解。選擇體積力加權(quán)法進(jìn)行壓力離散。求解時，首先以一階迎風(fēng)格式計算，到收斂后再以二階迎風(fēng)格式計算直到再次收斂為止。在純浮力通風(fēng)(外界風(fēng)速為0 m/s)下，為了快速收斂，求解首先是以低瑞利數(shù)開始，為此將重力加速度減小3個數(shù)量級，即設(shè)為0.009 8 m/s2，方程離散格式設(shè)為一階離散計算至收斂。在第一步基礎(chǔ)上重力加速度設(shè)為9.8 m/s2，離散格式依舊不變，求解器設(shè)為非穩(wěn)態(tài)分析，計算至收斂。最后，求解器設(shè)為穩(wěn)態(tài)分析，離散格式設(shè)為二階離散，計算至收斂。求解時，能量殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-6，其他變量殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-3。數(shù)值仿真時，選擇ANSYS Workbench 12.0的ANSYS Fluent作為通用CFD解算器。所有仿真在AMD phenom II X4 965, 4 GB內(nèi)存的計算機(jī)上進(jìn)行。每個仿真算例計算需要10 h才能至完全收斂。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)溫室

實(shí)驗(yàn)溫室位于上海市浦東新區(qū)孫橋現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)(東經(jīng)121.63°，北緯31.18°)，屋脊為南北朝向；溫室長30.0 m，寬7.9 m，脊高3.3 m；側(cè)窗長28.0 m，寬1.2 m，配有防蟲網(wǎng)；南北門寬1.9 m，高2.0 m；覆蓋材料為低聚乙烯薄膜，溫室內(nèi)種植著3排空心菜，高度略有差異。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)溫室見圖1。

圖1 華東地區(qū)單棟塑料溫室Fig.1 Tunnel greenhouse in eastern China

2.2 實(shí)驗(yàn)方法、步驟和過程

整個實(shí)驗(yàn)共分2組進(jìn)行，第1組實(shí)驗(yàn)的測試日期為2010年8月4日，華東夏季晴天高溫天氣。當(dāng)前風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)(即與溫室朝向垂直)，風(fēng)速為0.6 m/s。期間，單棟塑料溫室內(nèi)種植著南北朝向、高度略有差異的3排空心菜。這些空心菜的葉面積指數(shù)由作物冠層分析儀測量得6.0 m2/m2?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)從11：00開始，期間溫室所有門窗都處于完全打開狀態(tài)。外界氣象參數(shù)由室外溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速、輻射等傳感器自動采集，這些傳感器放在自制的支架上。該支架放于迎風(fēng)向距離溫室20 m遠(yuǎn)處，離地高2.0 m。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)是在溫室南北中間截面內(nèi)。溫室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)位置見圖2。

圖2 單棟塑料溫室實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)位置圖(2010年8月4日)Fig.2 Measured position in tunnel greenhouse (4, August, 2010)

從圖2中看出，空氣溫濕度傳感器(T1 ～ T3，T4 ～ T6)分別放置在溫室內(nèi)距離左右兩側(cè)窗2.5 m遠(yuǎn)處，離地高為0.6、1.2、2.5 m，用來監(jiān)測溫室內(nèi)空氣溫濕度的垂直梯度變化。鉑電阻T7～T9粘貼在薄膜背面，用來測量溫室薄膜覆蓋物溫度；鉑電阻T10被粘貼在地面，用來測試溫室內(nèi)地面溫度；鉑電阻T11粘貼在葉片的背面，用來測量作物葉片的溫度。所有傳感器均連接到自制的端子板，通過并口線連接到PCI9112/9118數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)場工作是Norco工控機(jī)，運(yùn)行在工控機(jī)上的是基于LabVIEW平臺的采樣程序。其采樣頻率為10 Hz，采樣時間為0.5 h。實(shí)驗(yàn)期間，外界氣候變化穩(wěn)定。采樣結(jié)束后，所有氣象數(shù)據(jù)均取均值處理。

第2組實(shí)驗(yàn)的測試日期為2010年8月29日，華東多云天氣，當(dāng)前風(fēng)向與溫室朝向幾乎垂直，太陽處于最大高度角?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)是在溫室南北中間截面內(nèi)。溫室內(nèi)測點(diǎn)位置見圖3。

圖3 單棟塑料溫室實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)位置圖(2010年8月29日)Fig.3 Measured position in tunnel greenhouse (29, August, 2010)

由圖3可得，溫室中間截面內(nèi)沿水平方向依次放置了1排5個空氣溫濕度傳感器(T1～T5)，其高度位置距離地面高度1.2 m方向以上，每個傳感器相互間隔為1.0 m。溫室內(nèi)共有5個表溫測點(diǎn)，其中薄膜上有3個測點(diǎn)(T6～T8)、地面有1個測點(diǎn)(T9)、葉片有1個測點(diǎn)(T10)。每個測點(diǎn)的溫度都是由手持式的近紅外測溫儀直接測量，平均每10 min測量1次并做好手工記錄。測試期間，單棟塑料溫室內(nèi)種植著3排成熟的空心菜，其葉面積指數(shù)由作物冠狀層分析儀實(shí)驗(yàn)測量得5.1 m2/m2。

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)從11：30開始，期間溫室門窗一直處于完全打開狀態(tài)，外界氣候穩(wěn)定。室外氣象參數(shù)由風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、輻射等傳感器自動采集，這些傳感器均放在自制的支架。該支架放于迎風(fēng)向距離溫室20 m處，離地高為2 m。采樣頻率為10 Hz，采樣數(shù)據(jù)每1 min取一次平均值，采樣時間為60 min。

3 結(jié)果與討論

3.1 CFD模型的驗(yàn)證

3.1.1二維CFD模型的驗(yàn)證

表3給出了當(dāng)風(fēng)向垂直于溫室朝向時室內(nèi)各個測點(diǎn)的氣溫實(shí)驗(yàn)值和模擬值。

表3 風(fēng)向垂直于溫室時溫室內(nèi)各測點(diǎn)的氣溫實(shí)測值和模擬值的比較Tab.3 Comparisons of experimental and numericalair temperatures in greenhouse ℃

由表3可得，溫室內(nèi)氣溫實(shí)驗(yàn)值和模擬值兩者誤差在1.0℃內(nèi)。其誤差來源在于數(shù)值模型中忽略了溫室地面蒸發(fā)作用和室內(nèi)熱空氣通過薄膜縫隙向外滲透。因此，所構(gòu)建的二維CFD模型是有效的，它能準(zhǔn)確預(yù)測單棟塑料溫室內(nèi)氣候分布。

3.1.2三維CFD模型的驗(yàn)證

表4給出了當(dāng)風(fēng)向平行于溫室朝向時溫室內(nèi)所有測點(diǎn)氣溫的實(shí)驗(yàn)值和模擬值。

表4 風(fēng)向平行于溫室時溫室內(nèi)各測點(diǎn)的氣溫實(shí)測值和模擬值的比較Tab.4 Comparisons of experimental and numericalair temperature in greenhouse

從表4中看出，當(dāng)外界風(fēng)速為0.6 m/s且氣溫為36.0℃時，溫室內(nèi)各測點(diǎn)氣溫的實(shí)驗(yàn)值和模擬值的偏差在0.7 ～ 1.1℃之間，相對誤差在5%之內(nèi)。室內(nèi)氣溫模擬值都小于實(shí)測值，其原因在于數(shù)值模型中忽略了溫室地面蒸發(fā)作用和室內(nèi)熱空氣通過薄膜縫隙向外滲透。從整體上看，溫室內(nèi)各點(diǎn)(T1 ～ T6)的氣溫模擬值和實(shí)驗(yàn)值均吻合得較好，誤差都在可接受的范圍內(nèi)。因此，所構(gòu)建的三維CFD模型是有效的，它能準(zhǔn)確預(yù)測夏季浮力通風(fēng)下單棟塑料溫室內(nèi)氣候分布。

3.2 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

由表1可知，2010年8月4日邊界值能反映華東地區(qū)夏季典型高溫氣候，實(shí)驗(yàn)期間氣候參數(shù)值變化幅度小，幾乎為固定。因此CFD模型中使用該邊界值作為輸入進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真分析。分析側(cè)窗通風(fēng)下溫室內(nèi)微氣候特征，同時人為假設(shè)頂窗開啟，研究頂窗通風(fēng)和頂側(cè)窗通風(fēng)下溫室內(nèi)微氣候特征。

3.2.1開窗配置對單棟塑料溫室內(nèi)微氣候場的影響

圖4給出了當(dāng)風(fēng)向與溫室朝向垂直時不同開窗配置下單棟塑料溫室內(nèi)氣流和溫度場。在每組開窗配置下，通風(fēng)窗打開至最大位置。從圖中可以看出，溫室內(nèi)溫度場和氣流場有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。溫室內(nèi)某些區(qū)域經(jīng)過的氣流速率越高，那該區(qū)域內(nèi)氣溫就越低。反之，溫室內(nèi)某些區(qū)域經(jīng)過的氣流速率越低，那該區(qū)域內(nèi)氣溫就越高。另外，開窗配置對溫室內(nèi)微氣候場的影響非常顯著，不同開窗配置下溫室氣流和溫度場表現(xiàn)出截然不同的特征。

圖4 單棟塑料溫室氣流和溫度場Fig.4 Airflow and temperature patterns in tunnel greenhouse

當(dāng)側(cè)窗關(guān)閉、頂窗打開時(圖4a)，外界空氣幾乎沒有進(jìn)入到溫室內(nèi)，這就造成溫室內(nèi)空氣速率整體較低，尤其是溫室作物冠狀層內(nèi)氣流幾乎處于停滯狀態(tài)。同時，溫室內(nèi)空氣處于自由對流狀態(tài)，氣流混合性較好，作物冠狀層的正上方存在著一個較大的循環(huán)氣流。從溫室內(nèi)溫度場分布看，溫室內(nèi)氣溫分布均勻且溫度普遍偏高，溫室大部分區(qū)域內(nèi)氣溫基本都在38.5℃以上，尤其是溫室作物冠狀層內(nèi)氣溫都在40.0℃以上。溫室內(nèi)氣溫最低點(diǎn)發(fā)生在近頂窗部，其值在36.5℃左右。

當(dāng)側(cè)窗和頂窗都打開時(圖4b)，溫室內(nèi)氣流顯著增強(qiáng)。順風(fēng)和逆風(fēng)側(cè)窗分別是溫室內(nèi)氣流主要進(jìn)口和出口。同時，溫室內(nèi)還有一小部分熱空氣是通過頂窗后離開溫室。從空氣速率分布上看，相比圖4a溫室增開側(cè)窗后室內(nèi)空氣速率明顯增大，特別是毗鄰順風(fēng)側(cè)窗區(qū)域內(nèi)空氣速率最高，而到了溫室內(nèi)側(cè)窗高度以上區(qū)域空氣速率明顯減小。室內(nèi)作物冠狀層空氣處于停滯狀態(tài)。從溫室內(nèi)溫度場分布看，由于室內(nèi)空氣速率增大，溫室內(nèi)氣溫明顯減小。溫室內(nèi)大部分區(qū)域氣溫都是在36.0～37.0℃之間，溫室作物冠狀層氣溫降至40.0℃以下。

當(dāng)側(cè)窗打開、頂窗關(guān)閉時(圖4c)，溫室內(nèi)空氣流動模式與圖4b較為類似，但是室內(nèi)氣流有所減弱。外界空氣從溫室側(cè)窗進(jìn)入遇到作物冠狀層后，由于受到其阻力作用氣流往水平偏上方向流動，從而在毗鄰溫室頂部區(qū)域內(nèi)形成了一個逆時針的強(qiáng)循環(huán)氣流，直接增強(qiáng)了該區(qū)域內(nèi)空氣的混合度。但是，溫室其他區(qū)域內(nèi)空氣沒有得到很好的混合，尤其是溫室逆風(fēng)區(qū)內(nèi)空氣相對停滯。從溫室內(nèi)溫度場分布看，其與圖4b類似，但是室內(nèi)低溫區(qū)域有所減少。溫室內(nèi)臨近順風(fēng)側(cè)窗的區(qū)域內(nèi)氣溫在36.0～36.5℃之間，溫室內(nèi)臨近逆風(fēng)側(cè)窗的區(qū)域內(nèi)氣溫在37.0～37.5℃之間。除此之外，溫室大部分區(qū)域內(nèi)氣溫在36.5～37.0℃之間。

3.2.2開窗配置對溫室通風(fēng)率、溫差和微氣候均勻性的影響

圖5給出了不同開窗配置和風(fēng)速下溫室通風(fēng)率和室內(nèi)外溫差的變化情況。可以看出，通風(fēng)率直接影響著溫室降溫效果。通風(fēng)率越高，室內(nèi)外溫差越?。环粗?，通風(fēng)率越低，室內(nèi)外溫差越大。同時，開窗配置對溫室通風(fēng)率和室內(nèi)外溫差都有著顯著影響。當(dāng)頂窗通風(fēng)時，在0.2、0.4、0.6 m/s風(fēng)速下溫室通風(fēng)率幾乎為零，這就意味著頂窗的開啟對溫室通風(fēng)率的影響極小，幾乎可以忽略不計，溫室室內(nèi)外溫差最大(接近6.0℃)，分別是側(cè)窗和頂側(cè)窗通風(fēng)的4.5倍。當(dāng)側(cè)窗通風(fēng)和頂側(cè)窗通風(fēng)時，溫室通風(fēng)率大幅增高，且通風(fēng)率隨著風(fēng)速的增加而線性增加。當(dāng)風(fēng)速為0.6 m/s時，溫室通風(fēng)率分別是風(fēng)速為0.4 m/s和0.2 m/s時溫室通風(fēng)率的1.3倍和1.8倍，溫室內(nèi)外溫差在2.0℃以內(nèi)。因此，可以得出側(cè)窗開啟對于單棟塑料溫室通風(fēng)率和室內(nèi)外溫差有著決定性的影響。

圖5 不同開窗配置和風(fēng)速下溫室通風(fēng)率和室內(nèi)外溫差變化情況Fig.5 Greenhouse ventilation rate and temperature difference between indoor and outdoor with different wind speeds and vent configurations

表5給出了不同開窗配置下溫室作物冠狀層空氣速度和溫度均勻性?？梢钥闯?，不同開窗配置下溫室內(nèi)氣候均勻性是不同的。當(dāng)頂窗通風(fēng)時，溫室空氣速度和氣溫的均勻性指標(biāo)均優(yōu)于其他2種開窗；當(dāng)側(cè)窗通風(fēng)時，溫室空氣速度和氣溫的均勻性指標(biāo)均不如其他2種開窗；當(dāng)頂側(cè)窗通風(fēng)時，其氣候均勻性介于頂窗通風(fēng)和側(cè)窗通風(fēng)之間。因此，可以得出頂窗的開啟對于調(diào)節(jié)溫室微氣候均勻性有重要作用。

表5 3種開窗配置下溫室作物冠狀層氣候均勻性評估Tab.5 Climate homogeneity performance evaluation in crop canopy with three different vent configurations

表5中Umax、Umin為溫室作物冠狀層最高和最低空氣速率，m/s；Uh為外界空氣參考速率，m/s；δu為溫室內(nèi)空氣速率標(biāo)準(zhǔn)偏差，m/s；Tmax、Tmin為溫室作物冠狀層最高和最低空氣溫度，℃；To為外界空氣溫度，℃；δT-To為溫室作物冠狀層與室外溫差的標(biāo)準(zhǔn)偏差，℃。

3.2.3不同風(fēng)況下單棟塑料溫室內(nèi)微氣候特征

圖6給出了當(dāng)風(fēng)向平行于溫室朝向時2種不同開窗配置下(頂窗通風(fēng)和頂側(cè)窗通風(fēng))溫室內(nèi)3個截面(x=-9、0、9 m)上的溫度場。

圖6 當(dāng)風(fēng)向平行于溫室朝向時，不同風(fēng)速下溫室內(nèi)溫度場Fig.6 Temperature patterns in greenhouse at different wind speeds with wind direction parallelled to greenhouse orientation

當(dāng)外界風(fēng)速為0 m/s時(圖6a)，溫室內(nèi)3個截面上(x=-9、0、9 m)都能明顯地看到，外界低溫、高密度氣體從溫室側(cè)窗和山墻門進(jìn)入，由于熱壓驅(qū)動的作用，室內(nèi)高溫、低密度氣體形成上升氣流聚集在溫室頂部區(qū)域，其溫度達(dá)到38.5℃以上。當(dāng)頂窗打開時，溫室內(nèi)空氣流動模式發(fā)生顯著變化，室內(nèi)高溫、低密度氣體在浮力作用下從溫室頂窗流出，溫室側(cè)窗、山墻門和頂窗處區(qū)域空氣流速都較大。從氣溫分布上看，溫室頂部氣溫在38.5℃以上區(qū)域消失，溫室近側(cè)窗區(qū)域在37.5℃以下區(qū)域面積增加約1倍。

當(dāng)外界風(fēng)速為0.2 m/s時(圖6b)，溫室空氣流動模式與純浮力通風(fēng)比發(fā)生了變化，外界氣流一部分從迎風(fēng)向的南山墻門進(jìn)入溫室后從側(cè)窗南邊部分流出，其他外部氣流都是從側(cè)窗北邊部分進(jìn)入室內(nèi)。側(cè)窗同時充當(dāng)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。南山墻門不再只是進(jìn)風(fēng)口，其上面部分有空氣流出。溫室內(nèi)3個截面上(x=-9、0、9 m)氣溫大部分都在37.5℃以上。其中，溫室內(nèi)頂部區(qū)域氣溫在38.0℃以上，與圖6a相比下降了約0.5℃。當(dāng)頂窗打開時，外界氣流通過南山墻進(jìn)入溫室后僅有少量從側(cè)窗流出，絕大部分直接從頂窗流出。溫室2個截面(x=-9、0 m)內(nèi)溫度場相似，溫室迎風(fēng)截面(x=9 m)內(nèi)作物冠狀層低溫面積較大。由于室內(nèi)氣流的增大，溫室內(nèi)近側(cè)窗區(qū)域溫度下降了約0.5℃，其值約為36.5℃。

當(dāng)外界風(fēng)速為0.4 m/s時(圖6c)，溫室內(nèi)空氣流動模式與風(fēng)速0.2 m/s時類似。不同的是，隨著風(fēng)速增大，越來越多外界氣流通過山墻門進(jìn)入溫室后經(jīng)過側(cè)窗向外流出。同時，溫室內(nèi)3個截面(x=-9、0、9 m)氣溫都有了一定的下降。當(dāng)頂窗打開時，溫室內(nèi)流場變化特征與圖6b類似，室內(nèi)氣溫跟相同風(fēng)速下側(cè)窗通風(fēng)時相比降低了0.5 ～ 1.0℃。

當(dāng)外界風(fēng)速為0.6 m/s時(圖6d)，溫室空氣流動模式基本與風(fēng)速0.2、0.4 m/s時類似。不同的是，隨著風(fēng)速進(jìn)一步增大，山墻門已成為溫室重要的通風(fēng)口。同時，溫室側(cè)窗南側(cè)部分流出的氣流進(jìn)一步增多。另外一部分氣流從側(cè)窗北邊部分進(jìn)入后通過背風(fēng)向的北山墻門小部分流出。在x=9 m截面，溫室平均氣溫最低，特別是靠近作物冠狀層有很大一塊區(qū)域氣溫在37.0℃以內(nèi)。在x=0 m截面，溫室高溫區(qū)域面積最大。由于浮力驅(qū)動，高溫氣體集中在溫室頂部。在x=-9 m截面，溫室近窗區(qū)域氣溫在36.5 ～ 37.0℃之間，其他區(qū)域氣溫均在37.0 ～ 37.5℃之間。當(dāng)頂窗打開時，溫室內(nèi)流場變化與圖6b、6c基本類似，溫室內(nèi)溫度有進(jìn)一步的下降。

4 結(jié)論

(1) 構(gòu)建了華東地區(qū)單棟塑料溫室CFD模型，通過現(xiàn)場2組實(shí)驗(yàn)表明了CFD計算值與各測點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)值基本吻合，兩者偏差在1.1℃以內(nèi)，相對誤差在5%以內(nèi)。構(gòu)建的CFD模型其計算結(jié)果能夠反映單棟塑料溫室內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律。

(2)不同開窗配置會導(dǎo)致室內(nèi)氣流場分布的不同，進(jìn)而影響室內(nèi)溫度場。當(dāng)頂窗通風(fēng)時，溫室內(nèi)空氣處于自由對流狀態(tài)，氣流速率低且混合性好，這導(dǎo)致溫室內(nèi)氣溫最高，室內(nèi)大部分區(qū)域氣溫都是在38.5℃以上且分布均勻。當(dāng)側(cè)窗通風(fēng)時，溫室內(nèi)氣候顯著增強(qiáng)，溫室內(nèi)順風(fēng)區(qū)形成一個逆時針的循環(huán)氣流，然而溫室內(nèi)逆風(fēng)區(qū)空氣停滯，因此溫室內(nèi)臨近順風(fēng)和逆風(fēng)側(cè)窗區(qū)域內(nèi)氣溫分別是在36.0～36.5℃之間和37.0～37.5℃之間。當(dāng)頂側(cè)窗通風(fēng)時，其流場形態(tài)與頂窗通風(fēng)時類似，但是室內(nèi)氣流更強(qiáng)且混合性更好。室內(nèi)大部分區(qū)域氣溫在36.0～ 37.0℃之間，而且氣溫分布較均勻。

(3) 不同開窗配置會引起截然不同的溫室通風(fēng)效果。當(dāng)頂窗通風(fēng)時，溫室內(nèi)氣候均勻性最好，然而通風(fēng)率最低，這就導(dǎo)致溫室內(nèi)外溫差最大，達(dá)到6.0℃；當(dāng)側(cè)窗通風(fēng)時，通風(fēng)率較高，溫室內(nèi)外溫差約為1.5℃，然而溫室內(nèi)氣候均勻性最差；當(dāng)頂側(cè)窗通風(fēng)時，溫室通風(fēng)率最高，導(dǎo)致室內(nèi)外溫差最小，同時也能產(chǎn)生較為均勻的室內(nèi)氣候。因此，綜合通風(fēng)率、室內(nèi)外溫差和氣候均勻性這3個因素來看，頂側(cè)窗通風(fēng)是單棟塑料溫室夏季最理想的通風(fēng)配置。

(4) 溫室內(nèi)微氣候形成機(jī)理和分布特征與外界風(fēng)況高度相關(guān)。外界不同風(fēng)速會對溫室內(nèi)氣流和溫度場產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而會影響溫室降溫效果和氣候均勻性。夏季高溫氣候下，外界風(fēng)速越低，溫室通風(fēng)受熱壓驅(qū)動越明顯。特別是純浮力通風(fēng)時，溫室增開頂窗后會產(chǎn)生顯著的降溫效果，可有效降低室內(nèi)作物冠狀層溫度。

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