王雪縈 吳利瑞 劉東 毛毛

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)自動化、機(jī)械化程度的提高，溫室結(jié)構(gòu)越來越呈現(xiàn)大型化、規(guī)?；内厔?。為了保障大型溫室內(nèi)部的空氣環(huán)境，出現(xiàn)了用于超大型溫室環(huán)境調(diào)控的關(guān)鍵設(shè)備——長距離滲透噴射式布袋風(fēng)管。相較于金屬風(fēng)管，滲透噴射式布袋風(fēng)管具有不易產(chǎn)生冷凝水，風(fēng)管內(nèi)部靜壓較穩(wěn)定和送風(fēng)均勻性較好等特點，因此超大型溫室多采用滲透噴射式布袋風(fēng)管實現(xiàn)均勻送風(fēng)。滲透噴射式布袋風(fēng)管通過纖維層滲透及條形或小孔風(fēng)口噴射同時送風(fēng)，纖維表面滲透送風(fēng)增大了送風(fēng)面積，有助于室內(nèi)空氣均勻混合，條形或小孔風(fēng)口噴射送風(fēng)可保證一定的射流風(fēng)速和射程[1]，誘導(dǎo)室內(nèi)空氣均勻混合。長距離滲透噴射式布袋風(fēng)管送風(fēng)均勻性是保障溫室內(nèi)空氣環(huán)境均勻的關(guān)鍵，目前對送風(fēng)均勻性的研究多集中于計算機(jī)數(shù)值模擬[2-3]，實驗研究較少。本文主要通過理論計算和實驗研究的方法，對長度為120 m 的滲透噴射式布袋風(fēng)管的送風(fēng)均勻性進(jìn)行了研究。

1 滲透噴射式布袋風(fēng)管內(nèi)部流速及其壓力模型

滲透噴射式布袋風(fēng)管送風(fēng)的均勻性主要取決于風(fēng)管內(nèi)部的空氣流速和靜壓分布。設(shè)滲透噴射式布袋風(fēng)管長度為L，直徑為d，將風(fēng)管分為n 個管段，共有n個截面，每段管段長度為l，孔口個數(shù)為m 個，單個小孔的面積為f，第1 個截面為風(fēng)管入口，具體的情況見圖1。

圖1 滲透噴射式布袋風(fēng)管計算模型

根據(jù)流體力學(xué)知識及文獻(xiàn)[4]，第k 個風(fēng)管截面的靜壓-流速關(guān)系如式（1）。

式中：pjk為第k 個風(fēng)管截面的靜壓，Pa；ρ 為空氣密度，kg/m3；d 為風(fēng)管直徑，m；vk為第k 個截面的空氣流速，m/s；K 為風(fēng)管壁面的當(dāng)量粗糙高度；Re 為風(fēng)管內(nèi)的流體雷諾數(shù)；l 為第k-1 個截面和第k 個截面之間的距離，m。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，第k-1 個風(fēng)管截面與第k 個風(fēng)管截面的風(fēng)量之差為第k-1 個風(fēng)管管段的送風(fēng)量，即第k-1 個管段的滲透送風(fēng)量與孔口噴射送風(fēng)量之和[5]，如式（2）所示。

式中：Qk為第k 個截面的空氣流量，m3/s；Δqk-1為第k-1個管段的孔口送風(fēng)量，m3/s；為第k-1 個管段的滲透送風(fēng)量，m3/s；qc為單位面積的滲透風(fēng)量，(m3/s)/m2；pc為滲透風(fēng)量的基準(zhǔn)壓力，Pa；m 為管段小孔的個數(shù)；μ為孔口流量系數(shù)；f 為孔口面積，m2。

將式（1）～（3）整理可以得到噴射滲透式布袋風(fēng)管的流速方程見式（4）～（7）。

對于第n 個截面，管內(nèi)流速方程見式（8）。

式（4）～（7）為噴射滲透式布袋風(fēng)管的管內(nèi)流速方程，根據(jù)風(fēng)管物理參數(shù)，風(fēng)管進(jìn)口的空氣流速以及式（8），可以通過迭代解多元二次非線性方程組，得到滲透噴射式風(fēng)管內(nèi)部流速以及靜壓分布。

實驗測試環(huán)境的溫度為20 ℃，空氣在布袋風(fēng)管內(nèi)部可視為不可壓縮流動，在20 ℃的密度為1.205 kg/m3。風(fēng)管壁面粗糙高度為1 mm[4]?？卓诹髁肯禂?shù)為0.85[4]。根據(jù)式（4）～（8）可利用迭代法求解非線性方程組，理論計算得到滲透噴射式布袋風(fēng)管管內(nèi)動壓和靜壓沿風(fēng)管的分布情況。

2 實驗方法

為了掌握長距離噴射滲透式布袋風(fēng)管的實際送風(fēng)情況，需對送風(fēng)管內(nèi)的空氣流速，靜壓分布和各孔口送風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行測量。

2.1 滲透噴射式布袋風(fēng)管

本實驗所用滲透噴射式纖維布袋風(fēng)管用于250 m×250 m×7 m 的超大溫室中，空氣處理室位于溫室兩側(cè)，通過長度為120 m 的風(fēng)管從兩側(cè)向溫室內(nèi)部送風(fēng)。每個風(fēng)管的最大送風(fēng)量為20000 m3/h，為了避免風(fēng)管產(chǎn)生振動，進(jìn)口風(fēng)速應(yīng)控制在15 m/s 以下，選用管徑為711 mm 的滲透噴射式布袋風(fēng)管。布袋風(fēng)管纖維層采用適用于高大空間的微滲透式，根據(jù)DurkeeSox 測試報告[5]，纖維層滲透率為在基準(zhǔn)壓力125 Pa 下纖維樣品每平方米的透氣量（m3/h），本實驗所用布袋風(fēng)管在基準(zhǔn)壓力下的滲透率為18(m3/h)/m2。

溫室內(nèi)部的氣流組織對作物冠層的溫度，濕度及CO2濃度都有很大影響[6]。作物冠層葉面氣流速度過小，蒸騰作用減小，葉面易發(fā)生病蟲害。若氣流速度過大，葉面可能會被吹干，也不利于作物的生長。《溫室工程設(shè)計手冊》[7]中推薦溫室內(nèi)氣流速度一般控制在0.5m/s 以下，作物生長區(qū)域內(nèi)推薦最小氣流為0.1 m/s。因此，孔口送風(fēng)風(fēng)速對作物的生長十分重要的，根據(jù)文獻(xiàn)[8]研究，孔口送風(fēng)風(fēng)速10 m/s，13 m/s 和15 m/s時對植物生長產(chǎn)生影響的區(qū)域與栽培槽上表面距離分別為290 mm，430 mm 和550 mm。考慮到本溫室大棚作物高度，本文中選擇孔口送風(fēng)風(fēng)速為15 m/s以下，經(jīng)計算，在風(fēng)管兩側(cè)斜向上45°的方向上各布置一排孔口，孔徑為0.3 英寸（7.62 mm），孔口間距為43 mm，風(fēng)管采用吊裝的方式進(jìn)行安裝，離地0.2 m，具體布置見圖2。

圖2 實驗用滲透噴射式布袋風(fēng)管照片及示意圖

2.2 測試儀器

測量風(fēng)管內(nèi)靜壓和動壓采用L 型畢托管和壓差計（DC9V，測量范圍0～2.0 kPa，精度±1.0%）。由于風(fēng)管后端管內(nèi)風(fēng)速較小，采用熱線風(fēng)速儀（型號9535-A，測量范圍0～30 m/s，精度±3.0%，±0.015 m/s）測量風(fēng)管后端的管內(nèi)風(fēng)速。測量孔口送風(fēng)風(fēng)速的儀器也采用熱線風(fēng)速儀。

2.3 測試方案

在風(fēng)管進(jìn)口流速分別為13.5 m/s（工況1）、10.0 m/s（工況2）、6.8 m/s（工況3）三個工況下分別進(jìn)行相關(guān)測量。

每3 m 作為一個測定截面，120 m 的風(fēng)管共有40個截面，將每個截面劃分為3 個等面積圓環(huán)，在兩個方向分別測量點1 到點6 處的風(fēng)速，風(fēng)管截面測點布置見圖3。

圖3 風(fēng)管截面測點布置圖

實驗步驟：根據(jù)圖3 確定測點距風(fēng)管壁面的距離，對測試儀器的伸入長度做標(biāo)記。調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)管進(jìn)口流速為13.5 m/s（工況1），測量風(fēng)管各截面12個測點處的動壓（或風(fēng)速）和靜壓，測量該截面處兩側(cè)孔口的送風(fēng)風(fēng)速。調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)管進(jìn)口空氣流速分別為10.0 m/s（工況2）、6.8 m/s（工況3），重復(fù)上述的步驟。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 風(fēng)管管內(nèi)壓力變化情況

將理論計算得出的管內(nèi)壓力分布圖和實驗測得的管內(nèi)壓力分布圖進(jìn)行對比，具體情況見圖4。

圖4 三個工況下風(fēng)管內(nèi)壓力分布實驗值與計算值對比

從圖4 可以看出，三個工況下動壓計算值與實驗值的吻合度較好，實驗值均大于計算值，工況3 動壓計算值與實驗值的吻合度最好。

相比較于動壓，三個工況下的靜壓計算值和實驗值的吻合度較低，實驗值均大于計算值，工況1 靜壓計算值與實驗值吻合度最好，工況2 和工況3 的靜壓計算值和實驗值在后期出現(xiàn)分離現(xiàn)象，相差大約為10～20 Pa 左右，究其原因，靜壓值計算是從風(fēng)管尾端的流速與靜壓的關(guān)系逐步向首端推導(dǎo)計算的，末端流速的計算值小于實驗值，所以造成靜壓的計算結(jié)果整體偏小。三個工況中，靜壓沿風(fēng)管均呈上升趨勢，工況1沿程靜壓上升40 Pa，上升值為平均靜壓的18.6%。工況2 靜壓上升18 Pa，上升值為平均靜壓的13.7%。工況3 靜壓上升14 Pa，上升值占平均靜壓的22.0%。三種工況中，工況2 沿程靜壓上升率最小，在125 Pa 左右波動，說明125 Pa 對于滲透噴射式布袋風(fēng)管是較理想的靜壓值。

3.2 風(fēng)管送風(fēng)均勻性分析

為直觀研究噴射滲透式布袋風(fēng)管送風(fēng)均勻性，根據(jù)實驗結(jié)果計算40 個管段中每個管段的總送風(fēng)量Δqk，孔口送風(fēng)量和滲透送風(fēng)量：

式中：Δqk為第k 個管段總送風(fēng)量，m3/s；為第k 個截面處孔口的平均出風(fēng)速度，m/s。

三個工況下各管段總送風(fēng)量，孔口送風(fēng)量以及滲透送風(fēng)量的實驗值和計算值沿程變化見圖5。

圖5 三個工況下各管段總送風(fēng)量，孔口送風(fēng)量和滲透送風(fēng)量的實驗值和計算值對比

由圖5 可知，各管段總送風(fēng)量，孔口送風(fēng)量和滲透送風(fēng)量的計算值與實驗值相差比較大，但變化趨勢基本一致，沿風(fēng)管呈增加趨勢。實驗值波動較大，與實驗儀器測量精度有關(guān)。

三個工況下，在風(fēng)管入口到9 m 處之間，各管段總送風(fēng)量，孔口送風(fēng)量和滲透送風(fēng)量的實驗值與計算值偏離最大，均小于計算值，究其原因，風(fēng)管進(jìn)口處離風(fēng)機(jī)最近，氣流漩渦造成內(nèi)部壓力不穩(wěn)定。在12 m 到60 m 之間，各管段總送風(fēng)量和滲透送風(fēng)量的實驗值基本均小于計算值，但各管段間孔口送風(fēng)量的實驗值基本均大于計算值，實際送風(fēng)過程中，孔口送風(fēng)量受到靜壓和孔口流量系數(shù)的影響，滲透送風(fēng)量受到靜壓，纖維層粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的共同影響，靜壓的改變對孔口送風(fēng)量影響較小。在63 m 到111 m 之間，各管段總送風(fēng)量，孔口送風(fēng)量和滲透送風(fēng)量的實驗值基本均大于計算值，原因是實測此段風(fēng)管管內(nèi)的靜壓比前段靜壓增大，造成送風(fēng)量的增大。在114 m 到120 m 之間，各管段總送風(fēng)量和滲透送風(fēng)量的實驗值基本均小于計算值，但各管段間孔口送風(fēng)量的實驗值基本均大于計算值，原因是風(fēng)管尾部滲透造成滲透送風(fēng)量的減小[9]。

為便于直觀比較不同工況下的風(fēng)管送風(fēng)的不均勻性，定義管段送風(fēng)量不均勻度來進(jìn)一步分析：

式中：φ 為送風(fēng)不均勻度；Δqk為第k 個管段總送風(fēng)量，m3/s；為平均送風(fēng)風(fēng)量，m3/s。

根據(jù)式（12）計算滲透噴射式布袋風(fēng)管各管段的送風(fēng)量不均勻度，圖6 為三個工況下的風(fēng)管各管段沿風(fēng)管的送風(fēng)量不均勻度。

圖6 三個工況下的送風(fēng)量不均勻度

由圖6 可以看出，三個工況下的送風(fēng)量不均勻度沿風(fēng)管基本呈現(xiàn)前負(fù)后正的趨勢，60 m 前各管段送風(fēng)量小于平均風(fēng)速，送風(fēng)量不均勻度為負(fù)。60 m 后各管段送風(fēng)量基本大于平均風(fēng)速，送風(fēng)量不均勻度基本為正。工況1、工況2 在風(fēng)管進(jìn)口處到10 m 之間送風(fēng)量不均勻度十分大，接近-0.7，工況1 沿風(fēng)管送風(fēng)量不均勻度在-0.7～0.26 的范圍內(nèi)波動，工況2 沿風(fēng)管送風(fēng)量不均勻度在-0.65～0.24 的范圍內(nèi)，波動工況3 送風(fēng)量不均勻度在-0.5～0.21 的范圍內(nèi)波動。說明進(jìn)口流速越小，滲透噴射式布袋風(fēng)管的送風(fēng)量不均勻度越小。在風(fēng)管末端送風(fēng)量不均勻度均有不同程度的減小是由于風(fēng)管尾部滲透導(dǎo)致的滲透送風(fēng)量減小[9]。

4 研究結(jié)論和改進(jìn)建議

4.1 研究結(jié)論

1）比較三種工況下風(fēng)管內(nèi)沿程靜壓的變化情況，工況2（進(jìn)口流速10 m/s）的沿程靜壓穩(wěn)定在125 Pa 左右，上升率最小，有利于保證各噴口送風(fēng)量的均勻性，建議在工程實際應(yīng)用時將滲透噴射式布袋風(fēng)管的入口風(fēng)速控制在10 m/s 左右。

2）滲透噴射式布袋風(fēng)管管內(nèi)動壓分布的計算值和實驗值吻合度較高，管內(nèi)靜壓分布計算值和實驗值吻合度較低，三個工況下靜壓計算值總是小于實驗值。管段總送風(fēng)量和滲透送風(fēng)量的實驗值和計算值相差較大。

3）三種工況下，送風(fēng)量不均勻度在風(fēng)管入口到60 m 間基本為負(fù)值，在60 m 后基本為正值，孔口送風(fēng)量沿風(fēng)管的變化較小，滲透送風(fēng)量對均勻送風(fēng)的影響較大。風(fēng)管入口處和末端的不均勻度較大，在工程設(shè)計時要引起注意。

4.2 改進(jìn)建議

對于120 m 的滲透噴射式布袋風(fēng)管，在入口端到10 m 之間管段的送風(fēng)量較小，可考慮在風(fēng)機(jī)出口處增加導(dǎo)流器件，降低風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口處氣流的紊亂度。也可考慮前10～15 m 作為安全段，不種植作物。送風(fēng)量在風(fēng)管尾部減小主要是由于尾部封閉造成的，可考慮將布袋風(fēng)管末端纖維層適當(dāng)開孔，增加末端的送風(fēng)。

為了保障沿風(fēng)管各管段送風(fēng)的均勻性，可考慮改變纖維層滲透率，開孔個數(shù)，孔口面積及孔間距等。送風(fēng)量不均勻度在風(fēng)管前半段為負(fù)、后半段為正，主要由滲透風(fēng)量決定，可在風(fēng)管前半段增加纖維層滲透率，進(jìn)而增大滲透送風(fēng)量，或在后半段減小纖維層滲透率，進(jìn)而減小滲透送風(fēng)量。若布袋風(fēng)管纖維層滲透率不變，可在風(fēng)管前半段增加開孔個數(shù)、擴(kuò)大開孔面積、減小開孔間距，或在風(fēng)管后半段減少開孔個數(shù)、縮小開孔面積、擴(kuò)大開孔間距，以提高整個風(fēng)管的送風(fēng)均勻性。