張藝萌，劉傳岐，張漢林，梁春英

(黑龍江八一農(nóng)墾大學 信息技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

在我國生產(chǎn)的糧食作物中，水稻占據(jù)了主要位置，每年種植面積和產(chǎn)量都在大幅度的增加。作為三大墾區(qū)之一的黑龍江墾區(qū)，地處寒地，氣候寒冷且早晚溫差較大。為了避免天氣原因帶來的危害，水稻秧苗的育秧工作大都選擇在塑料大棚內(nèi)進行，因而研究育秧大棚內(nèi)部環(huán)境分布對水稻秧苗優(yōu)勢生長和提高質(zhì)量具有重要意義。

計算流體動力學(CFD—Computational Fluid Dynamics)，以其便捷、全面、成本低廉等優(yōu)點，已被廣泛地應用在溫室大棚環(huán)境的模擬中。程秀花以Venlo型兩連棟玻璃溫室作為研究對象，在建立了濕熱環(huán)境模型并得到驗證后，又對該模型的邊界條件設置問題進行了討論[1]。孫迎龍研究了光伏連棟玻璃溫室內(nèi)部溫度場的分布，通過建立三維模擬模型并進行驗證，證明該模型具有可行性[2]。王向軍通過CFD技術(shù)模擬得出溫室通風后較通風前室內(nèi)溫度明顯降低，驗證了數(shù)值模擬計算機的準確性[3]。本研究以建三江農(nóng)場的水稻育秧大棚作為研究對象，采用CFD軟件對自然通風條件下的大棚內(nèi)部環(huán)境分布情況進行模擬計算與分析，并利用已驗證的CFD模型模擬并討論了大棚在不同組合通風方式下最佳的氣流場分布及降溫效果，進而給出優(yōu)化建議，為寒地水稻育秧大棚結(jié)構(gòu)設計提供理論依據(jù)。

1 研究對象與測量方法

1.1 研究對象

本研究選擇黑龍江墾區(qū)建三江農(nóng)場的水稻育秧大棚作為研究對象，地理位置為132°37′E，47°15′N，南北走向，長度106m，跨度13m，脊高3.5m，南北兩側(cè)的大門均高2.5m、寬2.4m，東西兩側(cè)的卷簾長100m、寬0.4m，距離地面高度0.37m，棚面以塑料薄膜(PVC)為覆蓋材料。

圖1 水稻育秧大棚結(jié)構(gòu)圖

1.2 測量方法

測量日期為2016年5月8日，時間為中午11:00，風向為西風。測量期間水稻育秧大棚為自然通風狀態(tài)，南北兩側(cè)的大門和東西兩側(cè)的卷簾全部打開。為驗證所建立的CFD模型，大棚內(nèi)部在橫向和縱向上一共布置了40個測量點(傳感器型號為：DT-321S，溫度測量范圍-30～100℃，分辨率0.01℃)。由于大棚結(jié)構(gòu)原因，在距離地面0.2、1.2、2.2m 3個高度上分別設置12個測量點，在3.2m高度上設置4個測量點，測量點具體分布如圖2所示。

(a) 主視圖

(b) 側(cè)視圖

2 水稻育秧大棚CFD數(shù)學建模

2.1 基本控制方程及湍流模型

在CFD模擬中將在自然通風下大棚內(nèi)部流動的氣體視為定常且不可壓縮牛頓氣體，因其具有明顯的湍流流動特征，所以其基本控制方程滿足質(zhì)量、動量和能量三者之間的守恒，通用形式可表示為

(1)

其中，φ是通用變量，可以代表u、v、w等求解變量；ρ是流體密度；u是速度矢量；Γ是廣義擴散系數(shù)；S是廣義源項。

對近壁處流動的氣體采用標準壁面函數(shù)法處理，采用標準k-ε湍流模型對大棚內(nèi)部湍流流動進行模擬計算與求解,湍動能k的輸運方程為[4]

(2)

湍動耗散率ε的輸運方程為

(3)

C1ε=1.44，C2ε=1.92

σk=1.0，σε=1.3

其中，k為湍動能；Gk為由平均速度梯度引起的k產(chǎn)生項；C1ε、C2ε為經(jīng)驗常數(shù)；σk和σε分別為k和ε的Prandtl數(shù)。

2.2 多孔介質(zhì)模型

水稻秧苗的存在會給大棚內(nèi)部空氣流動速度帶來一定的影響，本次CFD數(shù)值模擬中，將水稻秧苗簡化為4個長101m、寬2.78m、高0.15m的六面體，根據(jù)Darcy-Forchheimer 定律建立秧苗與大棚內(nèi)部氣流速度兩者之間的數(shù)學模型，并作為源項將其添加到動量方程中[5]，即

(4)

其中，Sφ為動量源項；KP為多孔介質(zhì)的滲透性系數(shù)(m2)；CF為非線性動量損失系數(shù)；μ為空氣的動力粘度[kg/(s·m)]；ρ為空氣的密度(kg/m3)；u為空氣流速(m/s)。

Sφ=-ILAVCDρu2

(5)

其中，ILAV是單位體積的葉面積指數(shù)(m2/m3)；CD是作物冠層的阻力系數(shù)。

水稻育秧大棚在自然通風狀態(tài)下，其內(nèi)部空氣流速較低，因此可忽略式(4)的第1項，合并式(4)和式(5)可得到關(guān)于CF的計算公式，即

(6)

2.3 輻射模型

太陽輻射是大棚內(nèi)熱量的主要來源，且大棚內(nèi)流場受輻射傳熱影響很大，本研究選取基于DO輻射模型的Solar ray tracing方法并將大棚材料設置為半透明介質(zhì)進行求解。

2.4 計算域及網(wǎng)格劃分

計算域包括大棚外部流體計算域和大棚內(nèi)部流體計算域。為使本次CFD模擬結(jié)果更加精確，經(jīng)過多次調(diào)試與驗證，選取外部流體計算域的體積為150m×30m×84m，滿足背風面距離外部計算域出口距離大于10倍建筑物高度的要求，保證流體在出口處的充分流動。

采用Gambit 2.4.6軟件對大棚內(nèi)外部流體計算域進行1∶1物理建模及非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，將大棚內(nèi)部和外部流體計算域分成兩個部分進行網(wǎng)格劃分,不同的計算域采用不同的網(wǎng)格密度。在Gambit建模中，Z軸方向表示大棚長度，X軸方向表示大棚跨度，Y軸正方向表示大棚高度[6]。

2.5 初始條件和邊界條件設定

對于大棚外部流體計算域，將迎風面設置為速度進口(velocity-inlet)，背風面設置為壓力出口(pressure-outlet)。對于大棚內(nèi)部流體計算域，將大棚的圍護結(jié)構(gòu)和地面設置為壁面(wall)，大棚兩側(cè)的門和卷簾設置為內(nèi)部界面(interior)，并將水稻秧苗、水稻育秧大棚和外部流體計算域設為3個FLUID流體域。模擬時的初始條件和邊界條件設置如表1所示。

表1 初始條件和邊界條件設定

3 CFD模型驗證與分析

3.1 CFD模型驗證

本文采用Fluent 16.0軟件進行模擬，將各測量點的模擬值與實測值進行對比，模擬溫度值相對實測值偏低，最小相差0.2K，最大相差2.5K。相對誤差均值在5%合理范圍內(nèi)，此次模擬所設置的邊界條件有效，利用此CFD模型可模擬討論水稻育秧大棚內(nèi)部環(huán)境在其他組合通風方式下發(fā)生的變化。

3.2 水稻育秧大棚內(nèi)部環(huán)境分析

采用CFD-Post后處理軟件進行整理，圖3的(a)(b)(c)分別表示從大棚南門距離北門5、37、69、101m 4個z軸截面；大棚西側(cè)距離東側(cè)3.5、6.5、9.5m 3個x軸截面；大棚地面距離棚頂0.2、1.2、2.2、3.2m 4個y軸截面的氣流場分布圖。由圖3可以看出：外界氣體從西側(cè)卷簾進入后,沒有在大棚內(nèi)部形成較為明顯的渦流，且在0.2m高度(作物區(qū)附近)和大棚中上部形成了較多氣體流速緩慢的區(qū)域，靠近兩側(cè)大門氣體流速相對較大。大棚內(nèi)氣體總體流動較差，不能與外界進行良好的交換，易對水稻秧苗生長產(chǎn)生危害。

(a) Z軸截面

(b) X軸截面

(c) Y軸截面

圖4為大棚內(nèi)0.2m高度截面上各測量點的溫度分布情況。通過查閱相關(guān)文獻[5、7]與資料，大棚內(nèi)種植的水稻秧苗在離乳期最適的生長溫度為294～298K。由圖4中可以看出：0.2m高度上各測量點的溫度均處于298K以上，為使水稻秧苗在大棚內(nèi)優(yōu)勢生長，需對大棚進行通風結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，以達到降溫的目的。

圖4 大棚內(nèi)0.2m高度截面上各測量點的溫度分布

4 水稻育秧大棚通風結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案設計

在自然通風降溫中，增加大棚內(nèi)部氣流流動速度是最有效且最便捷的方法。為此，利用已驗證的水稻育秧大棚CFD模型，通過改變通風結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行不同組合通風方式下的模擬分析。優(yōu)化方案總體設計如下：首先在大棚頂部增設天窗進行通風，在沿南北方向距離地面3.5m高度上增設長100m、寬1m的天窗；然后，利用增設天窗后的模型，通過改變大棚兩側(cè)卷簾的開度(將卷簾開度分別設定為0.3、0.4、0.5m)，以相同的邊界條件進行CFD模擬試驗；最后，討論大棚內(nèi)部環(huán)境隨之發(fā)生的變化，得到最合理的組合通風降溫方案。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析與討論

圖5中(a)、(b)、(c)分別為大棚南門距離北門5、37、69、101m 4個z軸截面的3種優(yōu)化方案氣流場分布圖。由圖5可看出：在增設天窗后，大棚內(nèi)部整體空氣流動情況都得到了改善。由圖5(a)可看出：大棚中部的氣流在西側(cè)棚壁與天窗附近形成明顯的渦流，由于大棚東側(cè)棚面的阻擋，在東側(cè)棚面和地面之間出現(xiàn)小的低速回流,且在北門附近的氣流分布也不均勻。由圖5(b)可看出：從西側(cè)卷簾進入的氣體沿著大棚棚壁流動，再由背風面返回，在大棚中部形成“順時針”渦流，且在水稻秧苗高度上的氣流速度也增大，大棚內(nèi)氣體整體流動較好且分布均勻。由圖5(c)可看出：由于卷簾開度的影響，大棚內(nèi)部的氣流速度在作物區(qū)附近達到最大，但在大棚中部流動欠佳，中部的氣體沒有與外界進行良好的熱交換?？傮w比較，(b)方案比(a)、(c) 方案通風效果更好，大棚內(nèi)整體氣流分布更均勻。

(a) 方案：天窗+0.3m卷簾開度+南北大門

(b) 方案：天窗+0.4m卷簾開度+南北大門

(c) 方案：天窗+0.5m卷簾開度+南北大門

圖6為(b)方案：天窗、0.4m卷簾開度和南北兩側(cè)大門進行組合通風時，大棚內(nèi)0.2m高度截面上各測量點的溫度分布情況。由圖6可看出：水稻秧苗作物區(qū)的降溫效果很好，都降到298K以下，符合水稻秧苗的生長環(huán)境，有利于水稻秧苗的生長。

將優(yōu)化后的(b)方案與優(yōu)化前的大棚溫度進行比較：大棚內(nèi)部平均溫度由301.6K下降到298.8K，作物區(qū)的平均溫度由298.5 K下降到297.3K。通過大棚通風結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，大棚內(nèi)整體溫度降低2.8K，作物區(qū)溫度降低1.2K，且增加了大棚內(nèi)部氣流的流動性與分布的均勻性，減少了作物區(qū)附近熱空氣的聚集，為寒地水稻育秧大棚通風結(jié)構(gòu)參數(shù)設計提供了可靠的理論依據(jù)。

圖6 (b)方案：0.2m高度截面上各測量點的溫度分布

5 結(jié)論

采用k-ε標準湍流模型、DO輻射模型和多孔介質(zhì)模型建立了寒地水稻育秧大棚CFD模型，總體吻合較好。通過模擬可知：大棚中上部和水稻秧苗作物區(qū)的空氣流動較差，不能使大棚內(nèi)部的氣體與外界進行良好的交換。通過改變大棚通風結(jié)構(gòu)參數(shù)—增設天窗進行通風， 且配合不同卷簾開度降溫效果更加。與0.3、0.5m的卷簾開度相比，天窗與0.4m的卷簾開度、南北兩側(cè)大門進行組合通風時，大棚內(nèi)氣流分布最均勻，降溫效果最佳，有助于實現(xiàn)寒地水稻育秧大棚的自然通風降溫，讓水稻秧苗在大棚內(nèi)優(yōu)勢生長。

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