基于CFD的現(xiàn)代化溫室環(huán)境數(shù)值模擬與優(yōu)化研究.pdf

1、溫室作為一個半封閉體系，其內(nèi)部環(huán)境是影響作物生長發(fā)育最直接的因素。CFD(ComputationalFluidDynamics)技術(shù)作為目前國內(nèi)外廣泛采用的數(shù)值模擬技術(shù)，可對不同外界條件及通風(fēng)布局下的溫室內(nèi)流場的分布進(jìn)行模擬分析研究，此外，還可與CAD聯(lián)合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是進(jìn)行溫室物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境調(diào)控參數(shù)優(yōu)化的強(qiáng)有力工具。本文以荷蘭Venlo型現(xiàn)代化玻璃溫室為研究對象，利用CFD數(shù)值模擬軟件和現(xiàn)場試驗(yàn)，對溫室內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行了模擬、驗(yàn)

2、證和預(yù)測，分析了不同工況下的溫室內(nèi)微環(huán)境的分布以及冬季溫室的不同加溫方式。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)為了研究溫室內(nèi)噴霧降溫系統(tǒng)在梅雨季節(jié)的降溫效果，對荷蘭Venlo型玻璃溫室進(jìn)行了噴霧2min降溫試驗(yàn)，定量分析了溫室內(nèi)噴霧系統(tǒng)在南京這種高溫高濕氣候條件下的實(shí)際降溫效果:平均降溫幅度為3.2℃，同時也增加了室內(nèi)空氣的相對濕度，增幅為13.1％，證明了溫室內(nèi)噴霧降溫系統(tǒng)在南京這種高溫高濕的夏季典型氣候環(huán)境條件下也具有一定的降溫能力

3、，但由于溫室內(nèi)原空氣的相對濕度本就較高，所以其降溫效率僅為20％，降溫效率不是很高。
　　(2)理論研究了溫室環(huán)境傳熱機(jī)理，且基于傳熱學(xué)和能量平衡理論，詳細(xì)分析了溫室內(nèi)外各影響因子之間的質(zhì)熱交換關(guān)系，建立了以溫室覆蓋層和四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)作物、室內(nèi)外混合空氣為主要影響因子的數(shù)學(xué)模型，確立了以溫室結(jié)構(gòu)為特征參數(shù)的計(jì)算模型，即能夠用實(shí)際溫室的測試數(shù)據(jù)對CFD模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置。
　　(3)利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(CFD)軟件，建立

4、了與試驗(yàn)溫室同等大小的三維模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理近壁面區(qū)域，選擇DO輻射模型，用多孔介質(zhì)模型去模擬溫室內(nèi)種植的黃瓜作物，將實(shí)際測量數(shù)據(jù)作為模型模擬的邊界條件，模擬研究了溫室內(nèi)部溫、濕度場的分布。將模擬結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證分析，結(jié)果顯示:測點(diǎn)處空氣溫度的模擬值與實(shí)測值的最大相對誤差為10.2％，平均相對誤差為3.6％;相對濕度的模擬值與實(shí)測值的平均相對誤差和最大相對誤差分別為9.2％和5.0％，結(jié)

5、果吻合良好，證明了所建立的CFD模型的有效可行的。
　　對溫室的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將優(yōu)化前后溫室環(huán)境進(jìn)行對比，驗(yàn)證溫室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，溫室內(nèi)部空氣混合較均勻，溫室內(nèi)溫、濕度分布較均勻一致，更有利于作物的生長發(fā)育。
　　(4)在上述連續(xù)相的基礎(chǔ)上，加入離散相模型對溫室內(nèi)噴霧降溫系統(tǒng)進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，結(jié)果表明:溫室內(nèi)測點(diǎn)溫、濕度的模擬值與實(shí)測值之間的平均相對誤差分別為4.9％和5.7％，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，說明所

6、建立的CFD模型和邊界條件時正確的，采用多孔介質(zhì)模型模擬作物和離散相模型模擬噴霧是可行的。
　　根據(jù)上述建立的模型來模擬分析溫室內(nèi)部溫、濕度場的分布情況，結(jié)果表明:在溫室內(nèi)，作物區(qū)的溫度較低，且溫度分層明顯;噴霧1min后，由于霧滴蒸發(fā)帶走熱量，溫室內(nèi)溫度迅速下降，噴頭下方溫度下降最為明顯;隨著太陽輻射和空氣對流的影響，溫室內(nèi)溫度逐漸回升，但由于溫室四周維護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域霧滴分布的比較稀薄，故其溫度上升的比溫室中間快。
　　(5)