互插式連棟溫室優(yōu)化設(shè)計(jì)與通風(fēng)試驗(yàn)研究.pdf

1、我國(guó)商品化溫室的普及率很低，高、中檔次的商品化溫室主要被一些機(jī)關(guān)團(tuán)體、軍隊(duì)、農(nóng)場(chǎng)和科研等單位所采用，普通農(nóng)戶使用最多的是自建的簡(jiǎn)易拱棚，該類拱棚約占我國(guó)溫室總量的60％以上。由于拱棚的覆蓋材料薄膜透氣與通風(fēng)性能較差，夏天只能進(jìn)行露地生產(chǎn)，從而降低了溫室的周年利用率。為此科技工作者需要對(duì)溫室的結(jié)構(gòu)做較為深入的優(yōu)化研究。隨著工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程及產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施，連棟溫室在我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。但是連棟溫室一次性投資大、造價(jià)

2、較高，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和生產(chǎn)成本高，使得農(nóng)戶與一般小型企業(yè)都無(wú)法承受。綜合考慮拱棚的低投入和連棟溫室的高能效，若設(shè)計(jì)出一種面向廣大農(nóng)戶和一般企業(yè)的介于拱棚和連棟溫室之間的新型溫室，該溫室具有低造價(jià)、通風(fēng)性能良好且能在沿江、沿海等多風(fēng)地區(qū)普及應(yīng)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，它必定能很好的為農(nóng)業(yè)和農(nóng)民服務(wù)，且能帶來(lái)顯著的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 互插式連棟溫室屬于華東型簡(jiǎn)易溫室，該溫室是針對(duì)我國(guó)連棟溫室投資成本過(guò)高而特別設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型溫室?；ゲ迨竭B棟溫

3、室的特點(diǎn)是以拱桿互插代替?zhèn)鹘y(tǒng)連棟溫室的立柱，其用鋼量比同結(jié)構(gòu)尺寸的立柱式連棟溫室顯著減少，從而造價(jià)降低。但若在沿海等多風(fēng)地帶推廣應(yīng)用該新型溫室，還需對(duì)其結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，且需對(duì)該溫室的抗風(fēng)載特性和通風(fēng)效果做更深入的模擬與試驗(yàn)研究。 本文以互插式連棟溫室為研究對(duì)象，采用從局部到整體的設(shè)計(jì)思路對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)該溫室的抗風(fēng)載特性進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，且對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了模擬和PIV試驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下： ①對(duì)

4、互插式連棟溫室的主要構(gòu)件——天溝和鋼管進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)溫室整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)。其目的一方面是為了提高溫室的抗風(fēng)、雪荷載的能力，另一方面是為了節(jié)省單位面積溫室的用鋼量，從而降低建造成本。試驗(yàn)表明：在相同荷載作用下，同尺寸的天溝有溝槽比無(wú)溝槽抗彎性能好；在相同壓力作用下，插入角度越大，桿件越穩(wěn)定；在相同拉力作用下，插入角度越大，桿件穩(wěn)定性越差；在多風(fēng)地區(qū)建造溫室大棚時(shí)，在鋼管底部安裝彎頭，可以提高溫室的抗拔和抗壓性能。綜合考慮桿件

5、的抗拉和抗壓性能，彎頭應(yīng)安裝在距鋼管底部100mm左右；以拱頂受均布靜水壓力荷載為例分析了拱頂?shù)姆€(wěn)定性；ANSYS優(yōu)化結(jié)果表明互插式連棟溫室較傳統(tǒng)的立柱式連棟溫室單位面積用鋼量少，造價(jià)低。 ②以單棟溫室為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD軟件模擬其周圍氣流運(yùn)動(dòng)，從而確定通風(fēng)窗位置。模擬結(jié)果表明：溫室利用風(fēng)壓進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)，采用頂窗與側(cè)窗組合通風(fēng)效果較好；運(yùn)用單棟溫室的研究方法對(duì)互插式連棟溫室自然通風(fēng)的效果進(jìn)行了模擬分析。分析表明：當(dāng)風(fēng)速垂直于

6、側(cè)窗時(shí)，頂窗和側(cè)窗組合通風(fēng)效果優(yōu)于肩窗和側(cè)窗組合通風(fēng)，但從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和便于操作角度考慮一般采用肩窗和側(cè)窗組合通風(fēng)方式。運(yùn)用ANSYS軟件，既能優(yōu)化設(shè)計(jì)溫室結(jié)構(gòu)，又能研究溫室內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度分布，為合理建造溫室提供了參考依據(jù)。對(duì)溫室結(jié)構(gòu)的多方案比較設(shè)計(jì)和內(nèi)環(huán)境控制設(shè)計(jì)而言，運(yùn)用ANSYS模擬設(shè)計(jì)可顯著縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和進(jìn)程。 ③在研究常用的流場(chǎng)顯示技術(shù)基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)——PIV技術(shù)對(duì)互插式連棟溫室利用風(fēng)壓通風(fēng)時(shí)室內(nèi)外的流場(chǎng)

7、進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明：在時(shí)均流場(chǎng)中，當(dāng)互插式連棟溫室采用肩窗加側(cè)窗組合通風(fēng)時(shí)，互插式連棟溫室室外頂部風(fēng)速最大，天溝處風(fēng)速最?。粶厥覂?nèi)部流場(chǎng)風(fēng)速較小，且頂部風(fēng)速最小，因而溫室室內(nèi)通風(fēng)效果不好，熱量會(huì)聚集在屋頂。在瞬時(shí)流場(chǎng)中，分析渦的瞬態(tài)過(guò)程，得到了回流渦的運(yùn)動(dòng)情況；根據(jù)溫室室外渦量分布圖，計(jì)算出了溫室的阻力系數(shù)C<,D>=0.565；從互插式連棟溫室室內(nèi)渦旋運(yùn)動(dòng)圖中可以看出，渦旋在拱1中的變化較拱2、拱3慢，因而拱1的空氣流通效果較差

8、，可以考慮在拱1中安放風(fēng)扇，以增強(qiáng)空氣流通，同時(shí)也不至于增加太多成本；在時(shí)均流場(chǎng)狀態(tài)下，比較了肩窗加側(cè)窗通風(fēng)方式與頂窗加側(cè)窗通風(fēng)方式，得出采用頂窗加側(cè)窗通風(fēng)效果優(yōu)于肩窗加側(cè)窗通風(fēng)效果。但采用頂窗和側(cè)窗通風(fēng)時(shí)溫室所受風(fēng)荷載較大，同時(shí)采用肩窗加側(cè)窗通風(fēng)設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單易行，因而實(shí)際中互插式連棟溫室多采用肩窗加側(cè)窗通風(fēng)方式。 ④以風(fēng)洞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，在不同風(fēng)向角和是否安裝遮陽(yáng)幕情況下對(duì)互插式連棟溫室的風(fēng)壓分布進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)

9、雷諾數(shù)大于3×10<'6>時(shí)，雷諾數(shù)對(duì)風(fēng)壓分布的影響不大。盡管雷諾數(shù)不同，但溫室屋面風(fēng)壓分布趨勢(shì)大致相同；互插式連棟溫室屋面風(fēng)壓以負(fù)壓為主，最大負(fù)壓一般出現(xiàn)在拱頂，風(fēng)對(duì)溫室的作用主要是向上的升力；通風(fēng)窗關(guān)閉時(shí)的風(fēng)壓系數(shù)顯著高于通風(fēng)窗開(kāi)啟時(shí)的風(fēng)壓系數(shù)，且風(fēng)壓系數(shù)的變化范圍較大，因而計(jì)算溫室表面風(fēng)壓時(shí)，風(fēng)壓系數(shù)要選用通風(fēng)窗關(guān)閉時(shí)的風(fēng)壓系數(shù)；當(dāng)風(fēng)向角為15°-90°，變化角度△ =15°時(shí)，互插式連棟溫室的通風(fēng)窗都開(kāi)啟時(shí)整個(gè)溫室屋面以負(fù)壓為主

10、，風(fēng)壓變化劇烈的區(qū)域出現(xiàn)在迎風(fēng)面。針對(duì)溫室某部位最不利風(fēng)向角的風(fēng)壓，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化或改進(jìn)：當(dāng)氣流流經(jīng)溫室屋面時(shí)，氣流強(qiáng)弱、方向均發(fā)生變化，有遮陽(yáng)幕時(shí)正負(fù)壓交替出現(xiàn)，風(fēng)壓分布比無(wú)遮陽(yáng)幕時(shí)復(fù)雜；在計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，不能以某一種狀態(tài)下的風(fēng)載體型系數(shù)來(lái)計(jì)算，而應(yīng)該取兩種狀態(tài)下較大值，以確保溫室的安全性；由風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的整體風(fēng)載體型系數(shù)比規(guī)范所給出的圓拱形溫室風(fēng)載體型系數(shù)數(shù)值更精確，計(jì)算互插式連棟溫室的風(fēng)壓時(shí)，應(yīng)將有遮陽(yáng)幕和無(wú)遮陽(yáng)幕兩種狀態(tài)下的

11、風(fēng)載體型系數(shù)結(jié)合在一起考慮，即選取兩種工況的較大值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。 ⑤以CFD理論為基礎(chǔ)，建立了互插式連棟溫室周圍空氣繞流的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定了流體的邊界條件。運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)互插式連棟溫室的風(fēng)壓分布進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果表明風(fēng)對(duì)溫室的作用力主要是向上的升力；風(fēng)壓系數(shù)沿溫室跨度方向分布的數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本吻合；上風(fēng)向和下風(fēng)向風(fēng)壓系數(shù)沿溫室高度方向呈二次曲線分布，相關(guān)系數(shù)分別為0.975和0.990；最后將模擬所得