彭淑英 繆智昕

高大空間展覽溫室自然通風(fēng)CFD模型構(gòu)建

彭淑英 繆智昕

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200434）

為了解高大空間展覽溫室自然通風(fēng)下的氣候特點(diǎn)，以華東地區(qū)某高大空間展覽溫室為例，結(jié)合植物多孔介質(zhì)模型，建立了展覽溫室的全尺度三維自然通風(fēng)CFD模型，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果表明：晴天工況和陰天工況下，數(shù)值模擬溫濕度場(chǎng)與實(shí)測(cè)值基本吻合，平均溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在11.17%以?xún)?nèi)，平均相對(duì)濕度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在15.56%以?xún)?nèi)。建立的高大空間展覽溫室的CFD模型是可行的。

展覽溫室；自然通風(fēng)；數(shù)值模擬；多孔介質(zhì)

0 引言

CFD是解析建筑環(huán)境工學(xué)中的各種問(wèn)題和環(huán)境設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力的工具[1]。近幾年CFD技術(shù)在設(shè)施園藝領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在溫室微氣候模擬方面。它以流體質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒方程為數(shù)值計(jì)算的理論依據(jù)，結(jié)合流體湍流模型對(duì)溫室內(nèi)氣流模式和溫濕度、濃度等因子的空間分布進(jìn)行二維或三維模擬和預(yù)測(cè)，并將結(jié)果可視化；可以靈活地設(shè)定模擬因素的可變及不變；對(duì)一些可變因素，如外界氣候條件，溫室類(lèi)型及尺寸等，可以任意進(jìn)行變換。其它的研究方法需要完美的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，精密的儀器及準(zhǔn)確的測(cè)量才能得到可信的結(jié)果，CFD方法則能節(jié)省時(shí)間、勞動(dòng)力及花費(fèi)[2]。

自然通風(fēng)是利用溫室內(nèi)外溫差與風(fēng)力作用造成室內(nèi)外空氣壓差，而進(jìn)行室內(nèi)外空氣交換以排除室內(nèi)余熱余濕以及提供植物生長(zhǎng)所需的二氧化碳的技術(shù)措施。這種通風(fēng)方式基本上不消耗或很少消耗動(dòng)力能源。盡管利用自然通風(fēng)改善建筑熱濕環(huán)境多年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用，但如何通過(guò)合理設(shè)計(jì)進(jìn)出風(fēng)口的位置、面積來(lái)改善高大空間熱濕環(huán)境等方面仍存在許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究，而CFD方法是解決這一問(wèn)題的有效方法，利用CFD方法可以預(yù)測(cè)高大空間的溫濕度場(chǎng)從而進(jìn)一步優(yōu)化改善其熱濕環(huán)境。本文擬采用CFD方法數(shù)值模擬某高大空間展覽溫室自然通風(fēng)的溫濕度場(chǎng)，并采集了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 材料與方法

圖1 展覽溫室

該展覽溫室為江蘇省連云港薔薇湖生態(tài)保護(hù)區(qū)展覽溫室，位于東經(jīng)118.24°，北緯33.59°。溫室有3個(gè)圓形組成，總面積為5225.6m2。溫室左側(cè)圓頂?shù)孛姘霃綖?0m，高22m；中間圓頂?shù)孛姘霃綖?0m，高16m；右側(cè)圓頂?shù)孛姘霃綖?2m，高19m；中間圓頂?shù)孛鎴A心與左側(cè)圓頂?shù)孛鎴A心相距37.992m，兩圓心連線與正南方向夾角為25.18°，右側(cè)圓頂?shù)孛鎴A心與中間圓頂?shù)孛鎴A心相距34.61m，與正南方向夾角為87.97°。植物區(qū)面積約有3900m2，建模時(shí)植物區(qū)簡(jiǎn)化處理，植物區(qū)邊緣距溫室地面圓弧約為4m，高度取植物平均高度3m。溫室頂部開(kāi)有三個(gè)天窗，天窗面積從左至右分別為131.4m2、61.8m2、72.7m2，測(cè)試時(shí)溫室下部未開(kāi)窗，自然進(jìn)風(fēng)口為西南方向的三個(gè)門(mén)，門(mén)的面積從左至右分別為12.5m2、12.2m2、22m2，溫室左側(cè)圓頂北部門(mén)未開(kāi)啟，面積為34.42m2。展覽溫室詳見(jiàn)圖1。該展覽溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)為雙層ETFE膜，ETFE膜厚度0.25mm，空氣間層50mm。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分別于2018年5月23號(hào)14:30至16:00、2018年5月24號(hào)9:30至11:00進(jìn)行。測(cè)試時(shí)溫室天窗和西南方向的三個(gè)門(mén)全開(kāi)。第一次測(cè)試時(shí)天氣晴好無(wú)云，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)。第二次測(cè)試時(shí)天氣為陰，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)。測(cè)試參數(shù)為室內(nèi)外氣象參數(shù)。測(cè)試儀器見(jiàn)表1。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2，植物區(qū)平面坐標(biāo)以左側(cè)圓頂?shù)孛鎴A心為坐標(biāo)原點(diǎn)，植物區(qū)所有測(cè)點(diǎn)離地面約為1m。測(cè)試數(shù)據(jù)每半個(gè)小時(shí)采集一次，測(cè)試期間氣象參數(shù)比較穩(wěn)定；植物區(qū)測(cè)點(diǎn)溫濕度由干濕球溫度計(jì)采集，同時(shí)采集該處測(cè)點(diǎn)的土壤溫度以及溫室膜表面溫度，土壤溫度以及溫室膜溫度由手持式紅外測(cè)溫儀測(cè)量；豎向測(cè)點(diǎn)由溫濕度記錄儀采集，溫濕度記錄儀置于防輻射罩內(nèi)；采樣結(jié)束后，所有測(cè)試數(shù)據(jù)均取均值處理。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

表1 測(cè)試儀器

2 數(shù)值建模

2.1 基本控制方程及湍流模型

自然對(duì)流的計(jì)算中，通常采用瑞利數(shù)R作為湍流或?qū)恿鞯呐袛嘁罁?jù)。由于溫室尺度很大（高度達(dá)22m），使得瑞利數(shù)R遠(yuǎn)大于1010，參考相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)亦可以發(fā)現(xiàn)，自然對(duì)流情況下溫室內(nèi)氣流場(chǎng)瑞利數(shù)R遠(yuǎn)大于1010，室內(nèi)氣流通?？烧J(rèn)為是湍流流動(dòng)[2-7]。自然通風(fēng)情況下溫室內(nèi)空氣為不可壓縮理想氣體，溫室內(nèi)空氣流動(dòng)同時(shí)滿足能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、質(zhì)量守恒方程，上述方程可用通用形式描述[3,6,8-15]：

當(dāng)=1時(shí)，該方程為連續(xù)方程；為速度分量時(shí)，該方程為動(dòng)量方程；為溫度時(shí)，該方程為能量方程。利用式（1）直接計(jì)算求解湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)內(nèi)存空間和計(jì)算要求非常高，在目前還不可能在實(shí)際工程中采用此方法，通常引入湍流模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[16]。本文選取標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算，在溫室通風(fēng)研究中，該模型收斂性較好，且計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合度[5,6,10,12,17-23]。近壁區(qū)湍流未充分發(fā)展，需加入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。激活不可壓縮理想氣體模型描述熱浮力的影響。激活組分輸運(yùn)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(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通風(fēng)過(guò)程中各組分傳輸滿足組分守恒定律。采用DO輻射模型計(jì)算室外太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)微環(huán)境的影響，采用solar ray tracing算法計(jì)算太陽(yáng)輻射。

2.2 多孔介質(zhì)模型

參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬植物的影響。為了反映植物對(duì)空氣有拖動(dòng)效應(yīng)，通過(guò)基本控制方程的動(dòng)量方程源項(xiàng)來(lái)體現(xiàn)，這個(gè)源項(xiàng)有兩部分構(gòu)成，一部分是粘性損失即Darcy定律，另一部分是內(nèi)部阻力損失。假設(shè)植物為各向同性，對(duì)于同質(zhì)多孔介質(zhì)來(lái)說(shuō)[24]：

考慮到植物冠狀層內(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(jì)算慣性阻力，即：

動(dòng)量方程中單位體積植物冠層阻力引起的源項(xiàng)可轉(zhuǎn)化為：

式中，I為葉面積密度（定義為葉面積指數(shù)與植物高度的比值），C為單位體積植物冠層的慣性損失系數(shù)，C通常由風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得,對(duì)于不同的形狀和大小的植物差別很小[25]，這里C取=0.32，根據(jù)文獻(xiàn)葉面積指數(shù)取6m2/m2，葉面積密度取2m2/m3，可得慣性阻力系數(shù)為1.28m-1。

室內(nèi)空氣與植物之間除了質(zhì)量交換之外還有能量交換。為了反映植物與空氣之間的能量交換，通過(guò)基本控制方程的能量方程源項(xiàng)來(lái)體現(xiàn)，能量交換包括顯熱和潛熱，可表示為：

其中，內(nèi)部氣流速度小于0.1ms-1，取

采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬植物對(duì)空氣流動(dòng)的拖動(dòng)效應(yīng)通過(guò)源項(xiàng)加載到動(dòng)量方程中體現(xiàn)。溫室內(nèi)植物在自然通風(fēng)條件下將截獲的太陽(yáng)輻射以顯熱和潛熱的形式與周?chē)諝膺M(jìn)行質(zhì)熱交換，溫室中植物冠層與室內(nèi)空氣存在溫差，植物—環(huán)境之間顯熱交換量主要由植物冠層的空氣動(dòng)力學(xué)特性決定，植物和環(huán)境之間的顯熱和潛熱交換是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，顯熱交換以能量的形式進(jìn)行，計(jì)算所得的顯熱能量在能量控制方程中以源項(xiàng)的形式進(jìn)行自定義。植物吸收太陽(yáng)輻射通過(guò)蒸騰作用轉(zhuǎn)化成汽化潛熱，并影響溫室內(nèi)相對(duì)濕度的分布，以自定義源項(xiàng)的形式增加到組分方程中求解。

2.3 離散化及邊界條件

計(jì)算域的選取和網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度會(huì)對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生直接影響?？紤]到展覽溫室尺寸較大以及計(jì)算機(jī)的實(shí)際計(jì)算能力，以溫室實(shí)際空間為計(jì)算域建立模型。本文利用ICEM CFD 18.0劃分非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并在天窗及入口處進(jìn)行加密處理，以適應(yīng)流場(chǎng)梯度變化大的要求，經(jīng)反復(fù)嘗試，最終生成4486075個(gè)網(wǎng)格。

邊界條件依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置，見(jiàn)表2。第一次測(cè)試時(shí)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，溫室入口位于西南方向。因此本文并未采用多數(shù)文獻(xiàn)直接給出入口處風(fēng)速的做法，而是將入口處風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓，嘗試采用以通風(fēng)口入口（vent-inlet）設(shè)定風(fēng)壓給定邊界條件的方法來(lái)對(duì)通風(fēng)狀況下溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬[26]，避免擴(kuò)大計(jì)算域?qū)е碌倪\(yùn)算量較大的問(wèn)題，天窗邊界條件設(shè)置為通風(fēng)口出口（vent-outlet）邊界。風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓的公式為：

表2 邊界條件

材料的熱學(xué)和光學(xué)屬性見(jiàn)表3所示。

表3 材料光學(xué)和熱學(xué)屬性

2.4 求解方法

求解過(guò)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（SIMPLE）進(jìn)行迭代計(jì)算求解。選擇體積力加權(quán)法進(jìn)行壓力離散。求解時(shí)，求解器設(shè)為穩(wěn)態(tài)分析，以一階迎風(fēng)格式計(jì)算，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)值仿真以ANSYS Fluent 18.0作為通用CFD求解器。

3 結(jié)果與分析

3.1 CFD模型驗(yàn)證

圖3給出了溫室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度實(shí)驗(yàn)值和模擬值。從圖3可以看出第一次時(shí)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0.1～2.1℃之間，最大誤差為7.95%，平均誤差2.64%；相對(duì)濕度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0～9%之間，最大誤差為15.56%，平均誤差9.81%。第二次測(cè)試時(shí)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0～2.3℃之間，最大誤差11.17%，平均誤差3.04%；相對(duì)濕度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0%～10%之間，最大誤差14.29%，平均誤差為6.58%。距地面1m的平面測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)20的溫度模擬值較實(shí)測(cè)值大，其原因在于數(shù)值模型中忽略了溫室地面蒸發(fā)作用和溫室景觀水池水面蒸發(fā)作用，豎向測(cè)點(diǎn)21～測(cè)點(diǎn)29溫度模擬值較實(shí)測(cè)小，可能的原因儀器懸掛在高空，無(wú)樹(shù)木遮擋，受到太陽(yáng)輻射作用使測(cè)量值升高；因溫濕度的耦合作用，相對(duì)濕度的情況相反。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、濕度情況。

3.2 溫室內(nèi)流場(chǎng)分析

（1）溫室內(nèi)溫濕度、速度水平分布

（a）晴天工況

（b）陰天工況

圖4 溫室內(nèi)距地1m處橫向溫濕度分布

Fig.4 The air temperature and RH at the=1m plane

晴天工況和陰天工況下溫室內(nèi)距地1m處水平面溫濕度分布見(jiàn)圖4。由圖可知，受作物冠層阻力作用，溫室入口處溫濕度梯度明顯，因溫室外溫度比溫室內(nèi)溫度要高，溫室入口處的溫度較高，受溫室內(nèi)植物產(chǎn)濕影響，室內(nèi)相對(duì)濕度遠(yuǎn)大于室外相對(duì)濕度，在左側(cè)圓頂中部附近相對(duì)濕度達(dá)到最大。陰天工況下相對(duì)濕度遠(yuǎn)大于晴天工況下的相對(duì)濕度。

晴天工況和陰天工況下溫室內(nèi)距地1m處水平面速度分布見(jiàn)圖5。由圖5可知，進(jìn)風(fēng)口至植物區(qū)附近速度梯度明顯，整個(gè)植物區(qū)速度較小，表明自然通風(fēng)情況下植物的阻力作用對(duì)溫室內(nèi)氣流有明顯影響。

（a）晴天工況

（b）陰天工況

圖5 溫室內(nèi)距地1m處水平面速度分布

Fig.5 The air velocity and RH at the=1m plane

（2）溫室內(nèi)溫濕度、壓強(qiáng)、速度垂直分布

分別選取溫室入口中點(diǎn)處過(guò)對(duì)應(yīng)圓頂?shù)孛鎴A心垂直截面，晴天工況下其溫濕度、壓強(qiáng)、速度矢量垂直分布見(jiàn)圖6。由圖6可知，溫室內(nèi)熱壓作用明顯，出現(xiàn)明顯的垂直壓力梯度。由于溫室高度達(dá)22m，而自然通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口位于底部且開(kāi)口不大，因而中和面位置接近天窗；中部圓頂天窗以下均為負(fù)壓，導(dǎo)致中部圓頂天窗出現(xiàn)回流，受回流影響中部圓頂室內(nèi)空氣溫度較其他區(qū)域高，相對(duì)濕度較其他區(qū)域低。室外空氣溫度高于室內(nèi)空氣，進(jìn)風(fēng)氣流直接受熱浮力作用攀升進(jìn)而由天窗排出。

圖6 晴天工況下溫濕度垂直分布

Fig.6 Vertical distribution of temperature and relative humidity under clear weather conditions

陰天工況下溫室內(nèi)溫濕度、壓強(qiáng)、速度矢量垂直分布見(jiàn)圖7。由圖7可知，陰天工況下溫室內(nèi)通風(fēng)主要受風(fēng)壓作用影響。由于入口風(fēng)速較小，室外空氣對(duì)溫室氣流的影響主要在進(jìn)風(fēng)口處，溫室內(nèi)大部分區(qū)域溫濕度較為均勻，溫度大致在22℃左右，相對(duì)濕度大致在75%～80%。室外空氣溫度高于室內(nèi)空氣，進(jìn)風(fēng)氣流直接受熱浮力作用攀升進(jìn)而由天窗排出。

晴天工況與陰天工況下，進(jìn)風(fēng)口附近溫濕度均出現(xiàn)明顯的梯度，溫室最底部即植物冠層內(nèi)部氣流流速明顯減弱，冠層上方流速較快，表明植物作物冠層的阻力作用對(duì)室內(nèi)氣流分布模式有影響。

圖7 陰天工況下溫濕度垂直分布

Fig.7 Vertical distribution of temperature and relative humidity under cloudy weather condition

4 結(jié)論

（1）構(gòu)建了高大空間展覽溫室自然通風(fēng)CFD模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)2組實(shí)驗(yàn)表明了CFD計(jì)算值與各測(cè)點(diǎn)平均溫濕度實(shí)測(cè)值基本吻合，平均溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在11.17%以?xún)?nèi)，平均相對(duì)濕度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在15.56%以?xún)?nèi)。采用多孔介質(zhì)模型和組份傳輸模型所建立的CFD數(shù)值模型有效。

（2）進(jìn)風(fēng)口附近溫濕度出現(xiàn)明顯的梯度，植物冠層內(nèi)部氣流流速明顯減弱，冠層上方流速較快，表明植物作物冠層的阻力作用對(duì)室內(nèi)氣流分布模式有影響。

（3）晴天室內(nèi)溫度較陰天時(shí)略高，相對(duì)濕度則略低，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)植物蒸騰影響明顯。晴天溫室內(nèi)通風(fēng)受熱壓作用影響顯著，陰天工況室內(nèi)通風(fēng)主要受風(fēng)壓作用影響。晴天和陰天工況下進(jìn)風(fēng)溫度均比室內(nèi)溫度高，進(jìn)風(fēng)氣流直接受熱浮力作用攀升進(jìn)而由天窗排出。

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CFD Modelling of Natural Ventilation of the Large Space Exhibition Greenhouse

Peng Shuying Miao Zhixin

( Shanghai survey and design research institute Co., Ltd, Shanghai, 200434 )

In order to understand the climatic characteristics under natural ventilation in a large space exhibition greenhouse, a three-dimensional natural ventilation CFD model was established for a large space exhibition greenhouse in East China. The numerical simulation results show that:the numerical simulation of temperature and humidity field is basically in agreement with the measured value. The error between simulated and measured values of average temperature is less than 11.17%, and the error between simulated and measured values of average relative humidity is less than 15.56%. The CFD model of large space exhibition greenhouse established in this paper is feasible.

Exhibition Greenhouse; Natural Ventilation; Numerical simulation; Porous media

TU831

A

1671-6612（2019）05-542-08

彭淑英（1966-），女，本科，高級(jí)工程師，E-mail：534251190@qq.com

2018-10-16