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        日光溫室內(nèi)淺層土壤溫濕度場的數(shù)值模擬

        2020-03-13 02:39:44杜震宇
        太原理工大學(xué)學(xué)報 2020年2期
        關(guān)鍵詞:土壤層土壤溫度淺層

        張 艷,杜震宇

        (太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

        近年來,日光溫室在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中取得了顯著成就,已成為我國農(nóng)業(yè)的主要生產(chǎn)形式,但日光溫室內(nèi)熱濕環(huán)境比較復(fù)雜,室外氣象條件、圍護結(jié)構(gòu)、土壤物性參數(shù)、作物的生長等都會影響室內(nèi)溫濕度的調(diào)控,從而影響室內(nèi)作物的產(chǎn)量[1-3]。由于土壤的蓄放熱對溫室的熱濕環(huán)境有著決定性的影響[4],因此有必要對土壤溫濕度場進行研究,為研發(fā)低成本、運行費用低、節(jié)能的溫濕度調(diào)控裝置奠定基礎(chǔ),以提高日光溫室的熱濕環(huán)境調(diào)控技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者對于日光溫室熱濕環(huán)境已做了部分研究。SHARMA、TIWARI et al[5-6]等利用Runge-Kutta方法分析溫室室內(nèi)空氣熱濕交換規(guī)律,建立了考慮導(dǎo)熱、對流等作用的能量平衡方程,但未給出土壤區(qū)域的相關(guān)方程。FAYER[7]提出了土壤熱濕傳遞的理論模型,但忽略了土壤溫度梯度對水分傳遞的影響。楊艷超[8]對山東省日光溫室微氣候條件的模擬研究表明日光溫室內(nèi)潛熱、顯熱的變化趨勢與太陽總輻射相一致。劉宏[9]對日光溫室土壤-空氣換熱器的換熱特性進行了試驗研究,測試了不同空氣流速換熱管內(nèi)空氣溫濕度和換熱管周圍的土壤溫度,得出了最佳入口空氣流速。李鈺楠[10]使用Visual Basic6.0編寫了土壤熱濕耦合迭代求解軟件,探究了土壤物性等初始計算參數(shù)對土壤-空氣換熱器埋地?fù)Q熱管周圍土壤溫濕度場的影響。范毅等[11]對日光溫室環(huán)境下土壤空氣換熱器的換熱特性進行了研究,分析了試驗工況下土壤空氣換熱器的動態(tài)換熱過程及系統(tǒng)性能變化規(guī)律。YENER et al[12]對自然條件下土耳其不同區(qū)域不同深度土壤溫度進行理論與試驗研究,分析比較了土壤溫度與空氣溫度的變化規(guī)律。MAHDAVI et al[13]分析比較了自然條件下有秸稈覆蓋與裸土淺層土壤蒸發(fā)量的變化。

        由此可見,國內(nèi)外學(xué)者做了大量有關(guān)溫室室內(nèi)溫濕度、熱環(huán)境以及土壤-空氣換熱器埋管周圍土壤溫濕度場的研究,對于淺層土壤的研究多為裸露在室外的土壤,且忽略了濕度場對溫度場的影響,對日光溫室內(nèi)淺層土壤溫濕度場的理論與試驗研究都很少。本文利用Fluent15.0對日光溫室淺層土壤(注:≤100 cm深度)溫濕度場進行三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,在此基礎(chǔ)上利用該模型研究了大尺度內(nèi)淺層土壤溫濕度場的變化規(guī)律,旨在為研發(fā)日光溫室熱濕環(huán)境調(diào)控裝置提供科學(xué)依據(jù)。

        1 試驗內(nèi)容

        1.1 供試日光溫室

        該試驗所用日光溫室位于太原市小店區(qū),坐北朝南,方位角為南偏西5 °,南北跨度9.7 m,東西凈長50 m,后墻高度3.1 m.南面采光面為塑料薄膜,在膜的最底部和頂部有可啟閉的通風(fēng)口,可以將熱濕空氣排出[14]。溫室結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

        建立一個三維直角坐標(biāo)系,見圖1.以水平向西為Z軸正方向,以水平向南為X軸正方向,以垂直于地表指向天空為Y軸正方向,以溫室地表面東西向與南北向中部位置的交點為坐標(biāo)原點。

        1.2 測點布置與編號

        供試溫室沒有種植作物,地面為裸地。試驗測點布置在溫室中部的位置,如圖2所示。為方便討論,將試驗所布置的三個測點從北到南依次命名為測點1、測點2、測點3.在圖2所示測點位置距地表30 cm范圍內(nèi)的土壤層內(nèi)埋設(shè)土壤溫濕度傳感器,測點的具體位置及編號如圖3所示[15]。

        圖2 南北向測點位置及編號(單位:mm)Fig.2 North-south position and number of measuring points(unit:mm)

        圖3 土壤層(≤30 cm)測點位置及編號(單位:mm)Fig.3 Soil layer (≤30 cm) measuring points location and number(unit:mm)

        1.3 數(shù)據(jù)采集與整理

        試驗數(shù)據(jù)的采集時間為2017年3月11日—3月25日。通過傳感器采集土壤溫濕度,自動儲存至數(shù)據(jù)采集儀。存儲的數(shù)據(jù)可通過USB端口導(dǎo)入計算機內(nèi),進行數(shù)據(jù)整理與分析。

        2 理論模型

        2.1 物理模型

        本模型中沒有考慮室內(nèi)作物,所以認(rèn)為地面為裸地。地面的熱濕過程包括:土壤垂直方向的熱量傳遞,與室內(nèi)空氣的熱對流交換,與室內(nèi)各個面的長波輻射熱交換,吸收的太陽直射輻射、散射輻射,土壤表面水汽相變傳遞的熱濕量等熱濕交換過程。圖4為日光溫室地表能量收支示意圖。

        圖4 日光溫室地表能量收支示意圖Fig.4 Sketch of the surface heat balance of sunlight greenhouse

        溫室內(nèi)地表面能量平衡模型方程如下:

        Q+I+H+L-γW=0 .

        (1)

        式中:Q為熱傳導(dǎo)熱量,J;I為太陽輻射量,J;H為對流輻射換熱量,J;L為長波輻射換熱量,J;γ為汽化潛熱,J/kg;W為水分傳輸量,kg.

        本文對實際模型進行簡化和假設(shè),建立了淺層土壤溫濕度場的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型。采用CFD數(shù)值計算方法,考慮了多變的太陽輻射和室外環(huán)境條件,用UDS定義土壤含水率,編寫濕方程的UDF程序,導(dǎo)入Fluent中對日光溫室淺層土壤溫濕度場進行數(shù)值求解。

        2.2 數(shù)學(xué)模型

        模型簡化假設(shè):

        1) 采用Boussinesq假設(shè),以便于處理由于溫差而引起的浮升力項;

        2) 將溫室圍護結(jié)構(gòu)材料視為常物性的固體材料,土壤視為多孔介質(zhì);

        3) 不考慮土壤中水分的宏觀流動,忽略重力對土壤內(nèi)水分的影響;

        4) 土壤中的水蒸氣與溫室內(nèi)的濕空氣遵循理想氣體狀態(tài)方程。

        空氣區(qū)域控制方程包括如下方程。

        連續(xù)性方程:

        (2)

        動量方程:

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        能量方程:

        (7)

        k方程:

        (8)

        ε方程:

        (9)

        土壤區(qū)域的濕遷移方程:

        (10)

        (11)

        參考文獻[16]給出的DT、Dθ的擬合公式:

        DT=-2.349 5×10-5·θ6+2.037×10-5·θ5- 6.694 6×10-6·θ4+1.043 8×10-6·θ3- 7.869 9×10-8·θ2+2.735+10-9·θ+ 5.403 9×10-12.

        (12)

        Dθ=2.217 6×10-6(θ6·e-7) exp(-2.09×10-3·T) .

        (13)

        其中,e為土壤孔隙率,本文取砂土孔隙率0.37.

        2.3 幾何模型

        利用ICEM CFD 15.0軟件建立日光溫室和土壤的幾何模型,土壤厚度100 cm.鑒于溫室結(jié)構(gòu)的不規(guī)整性,結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分比較困難,計算結(jié)果不準(zhǔn)確,而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能對不規(guī)整模型進行劃分,生成高質(zhì)量的網(wǎng)格,所以選擇使用ICEM CFD非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。計算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖5所示。

        圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Model mesh generation

        2.4 網(wǎng)格獨立性考核

        數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格數(shù)目有很大關(guān)系,網(wǎng)格數(shù)目過多會導(dǎo)致計算機計算時間過長,數(shù)目太少會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此采用數(shù)值模擬計算進行網(wǎng)格獨立性考核,本次模擬共選取了5套網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量分別為:515 720、1 032 885、1 456 720、1 852 662和2 216 874.如表1所示,選取同一時刻測點1的溫度值進行獨立性考核,網(wǎng)格數(shù)1 852 662測點1溫度值為17.9 ℃,網(wǎng)格數(shù)2 216 874測點1溫度值為17.8 ℃,相對誤差小于1%,考慮到計算時長以及模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文選取網(wǎng)格數(shù)量1 852 662來進行數(shù)值模擬。

        表1 網(wǎng)格獨立性考核Table 1 Mesh independence test

        2.5 數(shù)值計算方法

        控制方程的求解采用有限容積法,采用SIMPLE算法處理壓力與速度的耦合關(guān)系,對流項的離散格式采用三階精度的QUICK格式。數(shù)值模擬采用RNGk-ε湍流模型,非平衡壁面函數(shù),DO輻射模型。用UDS定義土壤含水率,編寫濕方程的UDF程序,導(dǎo)入Fluent中進行數(shù)值求解。模擬計算從3月11日18時00分起,時間步長300 s,連續(xù)計算2 d.

        2.6 邊界條件

        模型的計算域為日光溫室內(nèi)的空氣區(qū)域與深度為100 cm的土壤區(qū)域,地表面既與溫室內(nèi)空氣進行傳熱傳質(zhì),也與土壤層存在溫度與水分的傳遞,因此將地表面設(shè)為流固耦合面,溫室圍護結(jié)構(gòu)和塑料薄膜設(shè)為第三類邊界條件,材料的物性參數(shù)如表2所示,將來風(fēng)面設(shè)為velocity-inlet邊界條件,風(fēng)速為2.5 m/s,將實測的室外空氣溫度回歸擬合出空氣溫度隨時間變化的函數(shù),將公式編入UDF,設(shè)為入口溫度邊界條件,出口設(shè)為outflow.將土壤的原始溫度場編入UDF,設(shè)為土壤原始溫度,作為土壤的邊界條件。將土壤深100 cm處的含濕量測量值設(shè)為土壤的初始體積含水率,即0.2 m3/m3.

        圍護結(jié)構(gòu)與室外空氣的對流換熱系數(shù)與室外風(fēng)速有關(guān),具體計算式為[17]:

        h=18.63v0.603.

        (14)

        式中:v為圍護結(jié)構(gòu)外表面的實際風(fēng)速,其值大小與大氣風(fēng)速v有關(guān)。

        對于背風(fēng)面:v=0.3+0.05v.

        對于迎風(fēng)面:

        當(dāng)v≥2 m/s時,v=0.25v.

        當(dāng)v<2 m/s時,v=0.5.

        太原地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng),平均風(fēng)速2.5 m/s,圍護結(jié)構(gòu)的對流換熱系數(shù)以及邊界條件的設(shè)置見表3.

        土壤的原始溫度場

        (15)

        土壤的原始溫度場由崔良衛(wèi)等[18]計算得出,Ω為溫度波波動頻率,7.17×10-4rad/h;a為導(dǎo)溫系數(shù),m2/h;td為地表年平均溫度,試驗地取11.3 ℃;Ad為地表溫度波振幅,試驗地取17.75 ℃;y為地層深度,m;t0為土壤原始溫度,℃.

        表2 材料的物性參數(shù)Table 2 Material properties

        表3 邊界條件Table 3 Boundary conditions

        3 結(jié)果與討論

        3.1 模擬驗證

        測點1、測點2、測點3土壤溫度的模擬值與試驗值的對比結(jié)果如圖6所示,測點1、測點2、測點3土壤含水率的模擬值與試驗值的對比結(jié)果如圖7所示,測點1(Y=0)、測點2(Y=0)、測點3(Y=0)模擬值與試驗值吻合較好,溫度平均相對誤差小于3.8%,含水率平均相對誤差小于2.6%,在工程測量的誤差允許范圍內(nèi)。故模型具有一定的合理性,數(shù)值模擬方法具有可靠性。

        圖6 溫度場驗證Fig.6 Temperature field verification

        圖7 濕度場驗證Fig.7 Moisture field verification

        3.2 土壤溫度場與濕度場的分布

        圖8為數(shù)值模擬出不同深度土壤層溫度隨時間的動態(tài)變化圖,從圖中可以看出,不同深度的淺層土壤(注:≤100 cm深度)溫度變化趨勢一致,都隨時間呈現(xiàn)周期性的變化。隨著土壤深度的增加,溫度波的振幅逐漸減小,延遲時間逐漸增大。當(dāng)?shù)乇頊囟雀哂谕寥缹訙囟葧r,熱量從地表向地下傳遞,土壤層溫度高于地表溫度時,熱量從地下向地表傳遞。不同深度的土壤地溫變化幅度均表現(xiàn)出5 cm>10 cm>15 cm>20 cm>30 cm>40 cm>50 cm>100 cm的變化規(guī)律,即越靠近地表土壤層溫度日較差越大,0~30 cm土壤層溫度在一天內(nèi)的波動振幅為19.7~7.2 ℃,土壤層溫度受氣象條件和環(huán)境變化影響較大,土壤溫度波動顯著;30~50 cm土壤層溫度在一天內(nèi)的波動振幅為3.6~0.4 ℃,土壤層溫度受氣象條件和環(huán)境變化影響較小,土壤溫度波動不太明顯;50~100 cm土壤層溫度在一天內(nèi)的波動振幅小于0.5 ℃,土壤層溫度處于比較穩(wěn)定的狀態(tài),基本不受氣象條件和環(huán)境變化的影響。根據(jù)不同深度淺層土壤溫度梯度的變化規(guī)律,可以把0~100 cm的土層分為三個特征層:多變層(0~30 cm),緩變層(30~50 cm),均穩(wěn)層(50~100 cm).隨著土壤深度增加,最高氣溫與最低氣溫出現(xiàn)的時間總體上也相對滯后。

        圖8 土壤溫度場(≤100 cm)Fig.8 Soil temperature field (≤100 cm)

        淺層土壤中不僅存在水蒸汽的冷凝蒸發(fā),還存在多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的Soret效應(yīng)和Dufour效應(yīng)[19],重力、達西阻力、土壤溫度以及濕分梯度引起的毛細(xì)力的共同作用,圖9為數(shù)值模擬出不同深度土壤層的含水率隨時間的動態(tài)變化圖,分析圖可知,不同深度的土壤濕度變化趨勢一致,都隨時間呈現(xiàn)周期性的變化。隨著土壤深度的增加,含水率的變化幅度逐漸減小,延遲時間逐漸增大。到50 cm深度的土壤層含水率基本不隨環(huán)境溫濕度的變化而變

        圖9 土壤濕度場(≤100 cm)Fig.9 Soil moisture field (≤100 cm)

        化,趨于恒定。當(dāng)溫室內(nèi)的空氣溫度高于地表面土壤溫度時,地表土壤中的水分吸收空氣熱量蒸發(fā),地表面溫度低于空氣的露點溫度時,水蒸汽遇冷凝結(jié)成水滴,水蒸汽冷凝放熱,地表面吸熱。

        3.3 土壤不同初始體積含水率下溫度場的變化

        圖10為數(shù)值模擬出的土壤不同初始含水率條件下淺層土壤(注:≤100 cm深度)溫度場的變化。取0:00測點1的結(jié)果圖,可以看出,在其他初始條件相同的情況下,不同土壤初始體積含水率下土壤溫度隨深度的變化規(guī)律一致。土壤初始體積含水率越低,淺層土壤層的溫度梯度越大。當(dāng)土壤初始體積含水率為0 m3/m3時,土壤層溫度梯度最大;當(dāng)土壤初始體積含水率為0.3 m3/m3時,土壤層溫度梯度最小。這是因為:在土壤初始體積含水率較高的情況下,土壤熱容量較大,溫度傳播得較慢,而在土壤初始體積含水率較低的情況下,土壤熱容量較小,溫度傳播得較快。

        圖10 不同土壤初始體積含水率下土壤溫度變化Fig.10 Variations of soil temperature under different soil volume moisture

        圖11為取12:00測點1的結(jié)果圖,可以看出,在其他初始條件相同的情況下,土壤初始體積含水率越低,沿Y方向的土壤層溫降梯度越大。當(dāng)土壤體積含水率為0 m3/m3時,沿Y方向的土壤層溫降梯度最大;當(dāng)土壤初始體積含水率為0.3 m3/m3時,沿Y方向的土壤層溫降梯度最小。同樣驗證了:土壤初始體積含水率越低,土壤熱容量越小,溫度傳播得越快,而在土壤初始體積含水率較高的情況下,土壤熱容量較大,溫度傳播得較慢。

        圖11 不同土壤初始體積含水率下土壤溫度變化Fig.11 Variations of soil temperature under different soil volume moisture

        4 結(jié)論

        本文建立了淺層土壤溫濕度場的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型,對日光溫室淺層土壤(注:≤100 cm深度)溫濕度場以及土壤不同初始體積含水率下溫度場的變化進行了模擬,得出以下結(jié)論:

        1) 日光溫室內(nèi)淺層土壤不同深度的溫濕度變化趨勢一致,都隨時間呈現(xiàn)周期性的變化,隨著土壤深度的增加,溫度波的振幅逐漸減小,含水率的變化幅度也逐漸減小,延遲時間逐漸增大, 最高氣溫與最低氣溫出現(xiàn)的時間總體上也相對滯后,50 cm深度土壤層溫濕度基本保持恒定。

        2) 土壤初始體積含水率越低,沿Y方向的土壤層溫降梯度越大,溫度傳播得越快;土壤初始體積含水率越高,沿Y方向的土壤層溫降梯度越小,溫度傳播得越慢。

        3) 根據(jù)不同深度淺層土壤溫度梯度的變化規(guī)律,可以把0~100 cm的土層分為三個特征層:多變層(0~30 cm),緩變層(30~50 cm),均穩(wěn)層(50~100 cm).

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