閆云飛張承華高偉申開明李建波李鈉鉀江厚龍汪代斌

(1.重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 400044；2.重慶煙草科學(xué)研究所，重慶 400715)

日光溫室作為我國一項(xiàng)基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)設(shè)施，為農(nóng)作物生長提供優(yōu)良環(huán)境，尤其在春冬季煙苗培育方面得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。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(hù)結(jié)構(gòu)、土壤物性參數(shù)、作物的生長等都會(huì)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[5,6]。溫度作為日光溫室的關(guān)鍵指標(biāo)，對調(diào)控作物生長條件具有重要作用，因此有必要對日光溫室內(nèi)溫度的分布規(guī)律展開研究，為溫室的調(diào)控和管理提供指導(dǎo)依據(jù)。為此，國外學(xué)者在這方面做出了大量研究，Okushima等[7]初次采用CFD方法對溫室內(nèi)氣流流動(dòng)的模式進(jìn)行了預(yù)測；Mistriotis等[8]利用3種不同的湍流模型進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)雙尺度的湍流模型較標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得更好；Boulard等[9]提出采用太陽輻射模擬溫室棚內(nèi)的熱交換過程，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好；Teitel等[10]以天為單位，對溫室內(nèi)部溫度和濕度分布進(jìn)行全天候模擬，并以此建立預(yù)測模型。國內(nèi)學(xué)者張艷等[11]建立了淺層土壤溫度場的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，模擬日光溫室內(nèi)淺層土壤溫濕度的動(dòng)態(tài)分布；李潔等[12]提出一種適用于冬季的溫室棚，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)比傳統(tǒng)的溫室大棚保溫性能更好；王向軍等[13]通過建模和數(shù)值仿真模擬對真實(shí)環(huán)境的尺寸以及外形進(jìn)行數(shù)值建模，模擬真實(shí)環(huán)境的溫度、壓力以及速度場等參數(shù)，并將模擬結(jié)果進(jìn)行二維和三維立體呈現(xiàn)；高潔等[14]模擬冬季晴朗天氣日光溫室內(nèi)溫濕度分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)日光溫室8∶00左右溫度最低，而14∶00左右溫度最高；陳斌[15]選取冬季晴天和小雪天氣進(jìn)行模擬，以此來分析日光溫室的調(diào)控作用。盡管日光溫室數(shù)值模擬得到了大量的研究，但是對于冬季高海拔地區(qū)日光溫室的溫度分布規(guī)律的掌握，仍然存在很多不足之處。本文以重慶地區(qū)春冬季小型日光溫室為研究對象，探究了冬季晴朗天氣和雨天溫室內(nèi)溫度分布規(guī)律，從而為作物生長環(huán)境的調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 田間試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)作物及地點(diǎn)

日光溫室試驗(yàn)建立在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)(E106°25′45″，N29°49′18″)，重慶市北碚區(qū)春冬季由于日照較少，全年太陽總輻射也很少，2019—2020年冬季，全市平均氣溫為8.8℃，較常年(7.9℃)和2018—2019年同期(7.6℃)分別偏高0.9℃和1.2℃；降水量為92.4mm，較常年(63.9mm)和2018—2019年同期(51.1mm)分別偏多40%和80%；日照時(shí)數(shù)為113.2h，接近常年同期。季內(nèi)出現(xiàn)一段區(qū)域連陰雨和一次區(qū)域強(qiáng)降溫天氣過程，主城區(qū)冬季體感以寒冷為主。

試驗(yàn)選取早期煙苗作為田間作物，由于煙苗是一種喜溫農(nóng)作物，其生長和發(fā)育對環(huán)境溫度的依賴非常敏感，溫度條件對煙苗的生長速度、產(chǎn)量質(zhì)量有很大影響，尤其是生育期的煙草對環(huán)境溫度要求極高。溫度過低會(huì)導(dǎo)致煙苗凍死凍傷，溫度過高則會(huì)抑制煙苗的生長，同時(shí)導(dǎo)致煙葉變粗、變硬，煙堿含量過高不利于大田的種植，在適宜的溫度可以促進(jìn)煙苗的早期發(fā)育。因此，采用小型日光溫室進(jìn)行煙苗早期培育，為煙苗的生長和發(fā)育提供優(yōu)良環(huán)境。

1.2 溫度傳感器布置及測試

本次田間試驗(yàn)選在春冬季節(jié)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2020年12月—2021年2月，試驗(yàn)期間重慶地區(qū)溫度相對較低(平均5～10℃)。因此，對早期煙苗生長發(fā)育開展小型溫棚保溫保濕試驗(yàn)。如圖1所示，為了準(zhǔn)確得出溫室棚內(nèi)的溫度變化情況，選擇棚內(nèi)土壤表面下5cm作為檢測面，在土壤表面均勻布置多個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，將所測溫度的平均值作為最終土壤表面的溫度。試驗(yàn)保持全天候溫度監(jiān)控，采用智能傳感器進(jìn)行棚內(nèi)溫度的無人監(jiān)控和數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存。設(shè)備包括硬件和軟件2方面，硬件由溫度傳感器探頭、電源和無線傳輸模塊等組成；軟件端采用“彭云物聯(lián)”進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，為確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，選擇每10min記錄1次棚內(nèi)溫度。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

本文選擇溫室分布區(qū)域進(jìn)行模擬，在考慮到主要影響因素的條件下，對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，不考慮煙苗對溫度場的影響。幾何結(jié)構(gòu)建立如圖2所示，棚為拱圓型，高度為60cm，土壤厚度為30cm，棚的長與寬分別為100cm×100cm。選擇ICEM-CFD進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，以保證模擬計(jì)算精度。

2.2 控制方程

溫室在日光的照射下內(nèi)部條件會(huì)發(fā)生微小變化，涉及到空氣的低速流動(dòng)，能量的交換與傳遞。本文借助Fluent對溫室進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，模擬計(jì)算過程采用有限體積法進(jìn)行分析，其過程涉及的相關(guān)控制方程如下。

連續(xù)性方程：

(1)

式中，Sm為分散相到連續(xù)相的質(zhì)量；ρ表示密度；ui表示i方向上的速度；xi為i方向上的微元體長度。

質(zhì)量守恒方程：

(2)

式中，p表示靜壓；τij表示應(yīng)力張量；gi表示在i方向上的體積力；Fi表示在i方向上的外部體積力。

能量守恒方程：

(3)

式中，T表示熱力學(xué)溫度；cp代表比熱容；u表示速度；k為傳熱系數(shù)。

2.3 計(jì)算方法

采用Fluent的太陽輻射模型進(jìn)行數(shù)值模擬，為減少模型計(jì)算的誤差，通過采用兩整點(diǎn)之間的太陽輻射參數(shù)平均值作為數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，瞬態(tài)模擬步長360步、時(shí)間步長10s。晴天和雨天分別連續(xù)模型2d，取第2天0∶00—24∶00時(shí)間段作為結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)選用薄膜的厚度為12um、太陽光吸收系數(shù)為0.25、透射系數(shù)為0.75、密度為1360kg·m-3、比熱容為1050J·(kg-1·K-1)、熱導(dǎo)率為0.15W·(m-1·K-1)。土壤密度為2000kg·m-3，比熱容為1800J·(kg-1·K-1)，熱導(dǎo)率為1518W·(m-1·K-1)[11,16-18]。地面表面吸收系數(shù)為0.5，邊界條件設(shè)置周圍環(huán)境及棚內(nèi)空氣溫度為276K，土壤四周及大棚外側(cè)對流換熱系數(shù)20W·(m-2·K-1)，發(fā)射率0.8，土壤初始溫度為276K，土壤底部熱流密度為1W·m-2[19]。太陽輻射強(qiáng)度及方位角如表1所示。

表1 重慶地區(qū)12月27日白天太陽輻射參數(shù)[20]

2.4 數(shù)值模型驗(yàn)證

試驗(yàn)溫度為棚內(nèi)土壤表面下5cm(即-5cm)位置所測平均溫度，模擬溫度表示通過數(shù)值模擬得到的棚內(nèi)土壤內(nèi)部-5cm平面的平均溫度，試驗(yàn)溫度和模擬溫度均選取整點(diǎn)進(jìn)行觀測，為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，選擇典型天氣(晴天、雨天)分別進(jìn)行試驗(yàn)和模擬。圖2為晴天和雨天棚內(nèi)試驗(yàn)溫度和模擬溫度對比，從整體上看，溫室棚內(nèi)土壤溫度的試驗(yàn)值與模擬值保持相同的趨勢，晴天最大誤差ΔTmax1控制在3.5K(1.25%)以內(nèi)；雨天最大誤差ΔTmax2控制在2K(0.7)以內(nèi)。由此可見，模擬與試驗(yàn)結(jié)果誤差均在可接受范圍內(nèi)，建立的數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可信度可以用于棚內(nèi)溫度分布的分析。

在8∶00—15∶00時(shí)，晴天和雨天溫度變化趨勢相同，室內(nèi)溫度急劇升高并達(dá)到峰值，并在15∶00—20∶00時(shí)急劇降低。這是由于上午太陽輻射增強(qiáng)，進(jìn)入溫室的熱流密度增加，下午太陽輻射強(qiáng)度急劇減弱，溫室內(nèi)熱流密度減弱，溫度下降較快。在0∶00—24∶00時(shí)，晴天的溫度總是高于雨天的溫度，同樣也是受太陽輻射強(qiáng)度的影響，晴天太陽輻射強(qiáng)，地表接收的輻射傳熱更多，土壤溫度更高。此外，可以發(fā)現(xiàn)在半夜到第2天凌晨(24∶00—8∶00)，室內(nèi)溫度下降較為緩慢并在8∶00達(dá)到溫度最低值，這是由于沒有太陽輻射，溫室周圍通過對流和輻射進(jìn)行熱量擴(kuò)散、土壤底部通過導(dǎo)熱進(jìn)行熱量擴(kuò)散，此時(shí)段土壤與周圍環(huán)境的溫差在逐漸降低，因此土壤溫度緩慢降低。

3 結(jié)果與討論

3.1 典型時(shí)刻溫室溫度分布規(guī)律

溫室溫度對農(nóng)作物生長和發(fā)育具有重要影響，適宜的溫度有利于農(nóng)作物的生長和繁殖，溫室溫度過高或者過低均會(huì)造成植物的生長和發(fā)育不良，因此有必要對溫室的峰值溫度進(jìn)行分析，從而更加全面地探究全天的溫度變化規(guī)律。由前文可以得出，8∶00和15∶00是一天中溫室溫度的典型時(shí)刻，圖4為晴天8∶00和15∶00時(shí)土壤表面的溫度分布圖。整體而言，溫室內(nèi)部中心溫度較高，四周溫度分布明顯低于中心溫度，在8∶00和15∶00時(shí)刻中心溫度分別為284K和304K，這是由于棚的周圍存在對流換熱，使得熱量從溫室棚向土壤四圍進(jìn)行擴(kuò)散，中心溫度向周圍傳遞較慢。圖5為晴天8∶00和15∶00時(shí)整個(gè)溫室的溫度分布云圖，對比8∶00和15∶00時(shí)刻的溫度分布得出，15∶00時(shí)溫室的整體溫度分布明顯高于8∶00時(shí)的溫度，這同樣也是由于白天有太陽輻射存在，為溫室溫度升高提供能量。相同的是8∶00和15∶00棚內(nèi)溫度場相似，溫度由溫室棚的中心向四周遞減，土壤溫度相對棚內(nèi)溫度更高，這時(shí)土壤的比熱容遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣的比熱容，具有更好的蓄熱能力，為農(nóng)作物生長提供了良好的溫室環(huán)境。

圖6為雨天8∶00和15∶00時(shí)土壤表面的溫度分布圖，8∶00時(shí)刻溫室內(nèi)土壤表面溫度變化保持在1K以內(nèi)，而15∶00時(shí)刻的整體溫度明顯升高，棚內(nèi)最高溫度可以達(dá)到284K。由圖7可以得出，不管是8∶00和15∶00時(shí)刻，溫室在水平方向上，棚內(nèi)溫度均由中心向四周遞減，在四周邊緣處溫度分布最低，這是由于棚及土壤四周存在對流換熱和導(dǎo)熱的作用，使得熱量擴(kuò)散。在豎直方向上，棚內(nèi)溫度由土壤表面向上下兩端遞減，棚頂?shù)臏囟缺３肿畹?，隨著土壤深度的變化，溫室溫度逐漸遞減；當(dāng)深度達(dá)到20cm時(shí)，土壤的溫度達(dá)到最低且保持不變，這同樣是因?yàn)榕镯敳看嬖谳^大對流換熱，而土壤內(nèi)部熱量通過導(dǎo)熱和對流換熱方式進(jìn)行擴(kuò)散。與晴天相比，雨天的溫度明顯降低，這是因?yàn)橛晏焯栞椛鋸?qiáng)度明顯太弱，但是雨天溫室溫差相對于晴天更小，展現(xiàn)了溫室良好的保溫和蓄熱能力，在低溫條件下為煙苗的生長提供了更好的環(huán)境。

3.2 不同位置溫度分布規(guī)律

圖8為不同土壤深度溫室內(nèi)溫度的動(dòng)態(tài)變化曲線，晴天和雨天變化趨勢相同，均在土壤表面(0cm)的溫度達(dá)到最高，在0～10cm的溫度逐漸降低，晴天在0cm、5cm、10cm位置最高溫度分別為296K、294K、292.5K，雨天對應(yīng)溫度分別為282.5K、281K、280K。這是因?yàn)橄蚺镯斂拷耐瑫r(shí)，棚四周與外界環(huán)境接觸的相對表面積越大，對流換熱增強(qiáng)，使得熱擴(kuò)散加劇導(dǎo)致溫度的快速降低。在溫室的土壤內(nèi)部，隨著土壤深度的增加，溫室溫度同樣也逐漸降低，晴天在0cm、-5cm、-10cm、-15cm、-20cm、-25cm、-30cm位置最高溫度分別為296K、292.5K、289K、286K、283.5K、282.1K、281.9K，雨天對應(yīng)的最高溫度分別為282.5K、281.8K、279.5K、278.6K、278.1K、277.7K、277.5K。同時(shí)隨著土壤深度的增加，溫度波動(dòng)的幅度也隨之降低，時(shí)間延遲也會(huì)增加，晴天和雨天的溫度波動(dòng)幅度均表現(xiàn)為0cm>-5cm>-10cm>-15cm>-20cm>-25cm>-30cm，即靠近土壤表層的日溫差較大。晴天的土壤溫度波動(dòng)比雨天大，晴天0cm處溫度波動(dòng)為15K左右，而雨天在相同位置溫度波動(dòng)保持在6K以內(nèi)。隨著土壤深度的增加，溫度波動(dòng)逐漸減小，溫度在土壤深度為0～-10cm范圍內(nèi)的波動(dòng)幅度很大，而在-10～-20cm范圍內(nèi)的變化幅度較緩慢，在低于-20cm溫度變化幅度趨于平穩(wěn)。因此，根據(jù)不同土壤層的溫度波動(dòng)大致可以分為3層，即多變層、緩變層和平穩(wěn)層，為植物的栽培提供了參考。

圖9和圖10分別為晴天和雨天1d不同時(shí)刻溫室內(nèi)部溫度分布云圖。圖9為溫室在晴天4∶00、8∶00、12∶00、16∶00、20∶00、24∶00時(shí)刻XY平面的溫度分布情況，根據(jù)溫度可以分為2個(gè)階段，分別是蓄熱和放熱時(shí)間。由9可知，12∶00和16∶00時(shí)刻內(nèi)部溫度明顯較高，其中土壤表面溫度最高，這是由于晴天具有較高的太陽輻射強(qiáng)度，透過薄膜進(jìn)入到溫室內(nèi)部，將熱量儲(chǔ)存在土壤內(nèi)部。另外，發(fā)現(xiàn)溫度分布出現(xiàn)了偏移，在12∶00時(shí)刻右半側(cè)溫度明顯高于左半側(cè)，這是由于在此時(shí)居于偏左側(cè)位置；相反在16∶00時(shí)刻溫室左側(cè)溫度高于右半側(cè)溫度，這是由于到了下午太陽位置發(fā)生變化，太陽輻射更加集中在左半側(cè)。因此在8∶00—20∶00太陽輻射傳熱始終存在，這個(gè)階段認(rèn)為是蓄熱階段，土壤將太陽輻射能量儲(chǔ)存起來。晴天4∶00、8∶00、20∶00、24∶00時(shí)刻溫度分布大致相似，棚內(nèi)溫度可以分為2個(gè)區(qū)域，即棚內(nèi)上部的低溫區(qū)和土壤高溫區(qū)。上部棚內(nèi)的溫度梯度較大，相對而言土壤內(nèi)溫度梯度較小，這是由于棚周圍與空氣接觸通過對流換熱，熱量擴(kuò)散較快，土壤內(nèi)部通過導(dǎo)熱和對流換熱，同時(shí)土壤比熱容很小，熱量的傳遞相對較慢。20∶00—8∶00范圍內(nèi)土壤溫度高于棚內(nèi)溫度，熱量從土壤向空氣中傳遞。圖10為雨天4∶00、8∶00、12∶00、16∶00、20∶00、24∶00時(shí)刻XY平面的溫度分布情況，與晴天的溫度分布相似，同樣是白天通過太陽輻射進(jìn)行蓄熱，晚上進(jìn)行熱量的釋放，為煙苗的生長提供適宜的溫室環(huán)境。

溫差表示一天中最高溫度和最低溫度的差值，如圖11所示為不同土壤深度層次的溫差圖。由圖11可知，伴隨棚內(nèi)向上高度增加，棚內(nèi)氣溫差降低，晴天在高度為10cm、5cm的溫差分別為12.84K和14.26K，雨天分別為4.56K和5.17K；隨著土壤深度的增加，土壤溫差逐漸降低，晴天在土壤深度為0cm、-5cm、-10cm、-15cm、-20cm、-25cm、-30cm的溫差分別為16.69K、14.41K、7.51K、5.06K、3.7K、3.19K、3.08K，雨天對應(yīng)的溫差分別為6.1K、4.35K、3.01K、2.19K、1.74K、1.65K、1.55K。就整體而言，晴天的溫度波動(dòng)遠(yuǎn)大于雨天，這主要是晴天獲得的太陽輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雨天，導(dǎo)致晴天溫室棚內(nèi)的溫差較大。不管是晴天還是雨天，土壤上部氣溫的溫差總是大于土壤的溫差，這是因?yàn)榕c空氣相比，土壤具有更大的熱容量，能夠緩沖上部傳遞的熱量。另外，隨著土壤深度的增加，土壤溫差遞減且具有明顯的層次感，在0～-10cm范圍內(nèi)溫差急劇下降，在-10～-20cm范圍內(nèi)緩慢下降，在-20～-30cm范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。因此，可以大致分為3層，即多變層、緩變層和平穩(wěn)層。

4 結(jié)論

本文建立了三維瞬態(tài)模型對晴天和雨天條件日光溫室進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，探究了典型時(shí)刻溫室日光溫室溫度場分布和不同土壤深度的溫度變化情況，得到相關(guān)結(jié)論如下。

晴天和雨天的日溫度變化趨勢保持一致，但晴天受到太陽輻射的影響，其溫差大于雨天溫差，晴天溫度波動(dòng)幅度可達(dá)到20K，雨天可保持在8K以內(nèi)，8∶00和12∶00分別為1d內(nèi)溫度的最低值和最高值。

不管是晴天還是雨天，溫室內(nèi)溫度從土壤表面向上下遞減，從中心向四周遞減，不同深度土壤處溫度變化趨勢相同，隨時(shí)間呈現(xiàn)出周期性變化，隨著土壤深度的增加，溫度的波動(dòng)幅度減小，當(dāng)深度達(dá)到30cm后，土壤溫度基本保持穩(wěn)定。

根據(jù)不同土壤深度的溫度變化規(guī)律，可以把土壤分為3個(gè)特征區(qū)域，多變層(0～10cm，波動(dòng)：晴天16～7.51K，雨天6～3.01K)，緩變層(10～20cm，波動(dòng)：晴天7.51～3.7K，雨天3.01～1.74K)，平穩(wěn)層(20～30cm，波動(dòng)：晴天3.7～3.08K，雨天1.74～1.55K)。

溫室棚劃分為2個(gè)階段，白天蓄熱階段和晚上放熱階段，白天溫室棚內(nèi)溫度分布情況受太陽方位影響，土壤晚上進(jìn)行熱量釋放，為煙苗的生長提供適宜的溫室環(huán)境。