（机械制造及其自动化专业论文）CFD在温室农业设计中的应用.pdf

海j 、学硕 1 学位论文 摘要 本论文运用c f d 技术对现代农业中的温室与灌溉系统进行了辅助设计，并 通过实验手段对辅助设计计算中相关参数与约束条件进行了修正与确认，从而 建立了一套有效的c f d 辅助设计计算方法。 本文在国内首创开发的自然通风降温系统的屋顶全开型玻璃温室设计过程 中，建立了无植物条件下的c f d 理论模型，模拟了自然通风情况下屋顶全开型 玻璃温室温度场和速度场的分布情况。采用r e a l i z a b l ek s 湍流模型对温室模 型在不同室外风速情况下的温室环境进行了c f d 模拟，预测了温室内部的温度 场和速度场的分布情况，所分析预测的结果成功地应用于温室控制系统的基本 参数体系。并在建成的实际温室中进行了相应的实验研究，通过对实验数据与 理论预测计算的结果比较与分析，重新确认与调整了c f d 理论模型的相关约束 与边界条件，有效地提高了c f d 的分析预测的精度与可信度，并最终确定了 c f d 用于全开型玻璃温室辅助设计与分析的方法。通过c f d 分析得出了屋顶 全开型玻璃温室在自然通风情况下，降温效果良好，可以节约大量能源。其分 析计算结果和试验验证一致。 本文还利用c f d 对实时灌溉混肥系统进行了辅助设计与分析计算，并对其 中的关键零部件( 文丘里泵) 进行了深入研究，通过c f d 理论模型建立、c f d 数 值计算与分析、理论与实验数据的分析比较、c f d 模型约束条件与边界数据调 整，建立了一套完整的混肥文丘里泵的设计方法，并在此基础上完成了相关的 混肥文丘里泵的系列设计。 关键词：温室c f d 自然通风灌溉 v 恕j 、学硕土学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ru s ec f dt od e s i g ng r e e n h o u s ea n di m e r m i x i n gf 色r t i l i z e rs y s t e m a n d a m e n dc o r r ej a t i v e p a r a m e t e r a n dr e s t “c t i o nc o n d i t i o n f h r o u g he x p e r j m e n t c o n s e q l i e n i i y ，f o u n das u i to fv a l i dc f da s s i s t a n td e s i g nc o m p u t a t i o n a lw a y 。 d l l “n gt h ed e s i g no fn a t u r ev e n t i l a t i o nf a l lt e m p e r a t u r es y s t e mr o o f o p e n e dg l a s s g r e e n h o u s e e r e c t i n gn o n - p l a n tc f dm o d e la n ds i m u l a t i n gt e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t y d i s t r i b u t i n go fr o o f - o p e n e dg l a s sg r e e n h o u s ei n n a t u r ev e n t i l a t i o nc o n d i t i o n 。 i n d i f k r e n t v e l o c i t yc o n d i t i o n ， u s i n g r e a l l z a b l e芷一sm o d e lt od oac 1 1 d hm l j a ti o nf o rg l a s s h o u s ec i r c u m s t a n c e ， f o r e c a s tt e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t y d i s t r i b u t i n gc o n d i t i o no fi n n e rg l a s s h o u s e 。 a n dw ed or e l e v a n te x p e r i m e n t a t i o n r e s e a r c hi nt h ea c t u a lg l a s s h o u s e ，t h r o u g hc o n l p a r i n ga n da n a l y z i n ge x p e r i m e n t a t i o n d a t a 。r e n e w e d i ya 行j r m i n ga n da 吐i u s t i n gb o u n d a r yc o n d i t i o no fc f dm o d e l ， e f f b c t i v e l yi n c r e a s ep r e c i s i o no fc f da n a l y s i s ，a n da tl a s te n s u r et h ew a yt h a tc f d i s u s e di nt h ea s s i s t a n td e s i g na n da n a l y s i so f r o o f _ o p e n e dg l a s sg r e e n h o u s e 。t h r o u g h c f da n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a t i o n ，w et h i n kt h a tt h er o o f - o p e n e dg l a s sg r e e n h o u s e h a v eg o o df a l lt e m p e r a t u r ee f r e c ti nn a t u r ev e n t i l a t i o nc o n d i t i o n 。i t p r o v et h a t r o o f - o p e n e dg l a s sg r e e n h o u s et h a tw ed e s i g nh a sg o o df a l lt e m p e r a t u r ec a p a b i l i t y ， c a ne c o n o m i z em a n y e n e r g ys o u r c e s 。 t h i sp a p e ra l s ou s ec f dt oa n a l y z ea n dc o m p u t er e a l t i m ei r r i g a t i o ni n t e r m i x i n g i 、e r t i l i z e rs y s t e m ，a n dl u c u b r a t ef b rt h ek e yp a n s ( v e n t u r ip u m p ) ，t h r o u 曲e r e c t i n g c f da c a d e m i cm o d e l ，c f dn u m e r i c a iv a l u ec o m p u t ea n da n a l y s i s ，c o n t r a s tb e t w e e n a c a d e m i cd a t aa n de x p e r i m e n t a t i o nd a t a ，a d j u s tc f dc o r r e la t i v er e s t r i c t i o na n d b o u n d a r yc o n d i t i o n 。e r e c t i n gas e ti m a c td e s i g nw a yo ri n t e r m i xf 爸r t i l i z e rv e n t u r i p l i n l p ，a n da c c o m p l j s hs e r i e sd e s i g no fc o r r e la t i v ei n t e r m i x i n gf e r t i l i z e rv e n t u r i p u n l p 。 k e y w o r d s ：g r e e n h o u s e ，c f d n a t l i r ev e n t i 】a t i o n 1 r g a t j o n v 卜海 学倾卜学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期：曲占- l f 石 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盖址导师签名：俎日期： 海大学坝十学位论文 第一章绪论 1 1 温室农业简介及其发展 温室是人类在建筑场所内控制和模拟自然气候从事植物栽培的一种高级园 艺设施。温室的发展经历过一个十分漫长的阶段，具体发展过程请见下表 表1 1 温室发展阶段 2 2 ，2 5 从上表我们可以清晰的了解世界温室发展的过程，我国温室业还处在从传 统温室向现代温室发展阶段。现代温室技术是依靠科技进步而形成的高新技术 产业，是高度专业化、标准化、商品化、社会化的生产，代表了设施农业的最 新发展 1 9 。根据生产作物的生长习性和市场需要，采用人工调控温度、湿度、 ( 臼，气体、光照等环境因子来获得作物最佳生长条件 3 ，4 ，使作物部分的、甚 至完全摆脱自然环境的约束，创造作物生长的最佳的环境条件，由于它不受时 间、气候、区域和土壤等条件限制，因此能够生产出高品质、高产量的产品， 【：海人学硕上学位论文 满足不同消费群体的需要，实现增加作物产量、改善品质、反季节生产目的 6 7 。 1 2 温室农业内容 温室农业涉及到许多相关的技术，其中关键技术有温室大棚，节水灌溉和环 境控制等。 1 2 1 温室大棚 目前国内外常用温室主要有以下几种类型 图1 1 玻璃温室图1 2 塑料温室图1 3 日光温室图1 4 活动屋面室 1 玻璃温室( 图1 1 ) 玻璃温室是以玻璃为透明覆盖材料的温室，透光率一般为6 0 7 0 。玻 璃温室在设施栽培中，是使用寿命最长的一种结构类型，但由于成本较高，安 装维护不方便通常只有在晚秋和冬春季节用来栽培花卉、进行蔬菜育苗或用于 农业科研和观赏示范。 2 塑料温室( 图1 - 2 ) 大型连栋式塑料温室是近十几年出现并得到迅速发展的一种温室类型。与 玻璃温室相比而言，其重量轻、骨架材料用量少、结构件遮光率小、造价低、 使用寿命长、环境调控能力基本上可达到玻璃温室的相同水平。 3 日光温室( 图1 3 ) 前坡面用保温层覆盖，东、西、北三面为围护墙体的单坡面塑料温室，统 称为日光温室。其雏型是单坡面玻璃温室，日光温室的特点是保温好、投资低、 节约能源，非常适合我国经济欠发达地区使用。但从长远来看，日光温室的技 术潜力、产量潜力、应用范围都是很有限的，远达不到现代农业以技术替代资 源的要求，只能算“工厂化农业”的初期水平。 4 活动屋面温室( 图1 4 ) 卜海人学硕士学位论文 活动屋面温室是9 0 年代中期发展起来的一种栽培设施，其屋面采用高强度 塑料薄膜或遮阳网，配自动控制拉幕系统，能根据室外条件的变化适时启动拉 幕系统，以达到充分利用自然能源、降低成本、提高效益的目的。 我国的温室大部分为结构简单、设备水平较低，单体面积较小的日光温室。 这种温室与连栋温室相比，占地面积较大，土地利用率低，规模效益差。生产 温室设备的企业还处于自由发展、低水平竞争阶段，还没有形成龙头企业，对 现代化温室还缺乏系统的研究，技术、资金投入不足，与国外的差距较大。 1 2 2 节水灌溉 目前在灌溉方式可分为4 种形式： 1 漫灌 又称为重力灌溉或表面灌溉。采用此种灌溉方式土壤一段时间完全浸泡在 水中，致使作物根部空气短缺( 缺氧) 抑制根部生长，这段时间一般要持续数 小时，甚至数天；而另一方面，在二次漫灌的间隔阶段，由于土壤中的水分越 来越少，作物需从土壤中吸取更多水分。 2 喷灌 喷头均匀地将水洒在整个需灌溉的土地上，其特点是更容易控制用水量和 均匀度，而且可根据作物的需要供水。其最大的优点是使设计者可根据土壤、 作物和气候条件来进行灌溉，允许小流量灌溉，水在土壤中的渗透性更好。 3 微喷灌系统 微喷系统可直接将水喷到作物根部，即只喷水至局部土壤而不是整个土地 面积，大量节约了用水并且使灌溉更易控制。通过微喷头及支承系统可以大大 地提高灌溉效率，达8 5 至9 j 。 4 滴灌系统 滴灌可以使人们将水、肥料按作物的需要输送到作物根部，它可以使根系 的土壤保持近似恒定的湿度，为作物创造了良好的生长条件，可增产3 0 。采 用滴灌与漫灌相比，能节水节电约7 0 ，节约肥料2 0 ，节约劳力5 0 以上。 我国温室灌溉方式普遍采用的是漫灌，采用先进的节水灌溉设备还不多， 水的利用率较低，微灌设备还不配套，滴灌的堵塞、抗老化问题还没有从根本 街大学硕士学位论文 上解决，制造水平低，灌水均匀度差。 1 2 3 环境控制 温室环境的控制系统包括以下几个方面： 1 加温及保温系统 温室的加温设备一般有热水锅炉、燃油风炉、电加热器及太阳能加热器等 几种形式。这些设各通过热风或散热器向温室提供热量。为了改善温室内植物 的生长环境，一般温室都有保温幕设旋。 2 通风降温系统 温室的自然通风系统可分为天窗通风以及将覆盖围护打开进行通风。天窗 通风的结构有抽拉式、翻动式、扬落式及升降式等多种型式。在一些夏季较为 炎热的地区，玻璃温室设计有屋面可全部打开式机构，其机构一般为水平推拉 式或利用铰链推开式。 | 营养液配制及其灌溉系统 营养液是无土栽培的重要条件，营养液配制和供给得是否合理，对植物生 长发育有着重要影响。新的营养液控制系统是将各种化肥单独配制，各占一个 营养液罐，营养液控制系统，一天内分几次自动地对栽培系统回流的营养液进 行取样，经过液相色谱仪分析后，将结果输入计算机，计算机根据环境条件和 植物的需要综合分析，给不同营养液罐下达指令，按不同的比例将各种元素和 水混合成营养液，供根系吸收。 2 7 我国温室自动控制系统还属起步阶段，虽然已开展了这方面的开发和研究 工作，并取得了一定的成果，但距离工业化生产还有较大的差距。由于缺少温 室环境的自动控制装备，温室农业的优势没有得到充分的发挥。 2 8 1 3 自然通风条件下温室环境研究 温室通风目的主要是为了排除温室的余热及温室内的水分，调整温室内空 气成分，排除有害气体，使温室内的环境温度、湿度和空气等条件适宜植物生 长的要求。 海上学硕l 学位论文 1 3 1 温室通风的主要类型 温室内通风主要有自然通风和机械通风两种。 1 自然通风 温室大部分时间依靠自然通风调节室内环境。大型生产性玻璃温室的结构 形式般为双坡面连栋温室，通风形式为在侧墙和屋脊设置通风窗。其通风总 面积，1 i 小于温室地面面积的1 5 ，最好大于3 0 。屋脊风窗开启时，窗扇最好 可以超过水平面向上倾斜，全打开时与水平面形成1 0 0 角，则可获得良好的通 风效果。自然通风的通风量与风速、风向、通风窗位置、通风窗面积及温室内 外温度差有关。 2 强制通风 温室虽然大部分时间依赖自然通风来调节环境，但在夏季气温较高时，尤 其室外温度超过3 3 以上的炎热天气，单靠自然通风难以满足温室降温要求时， 采用强制通风并配合其它措施进行降温是生产中常用的手段。强制通风是采用 风机将电能或其它机械能转化为风能，强迫空气流动来进行温室换气并达到降 温效果。 1 3 2 自然通风原理 温室中的自然通风，关键在于室内、外空气之间存在着压力差。形成空气 压力差的原因有二：一是热压作用；另一个是风压作用。 1 热压作用 空气受热后温度升高，密度减小；相反，若空气温度降低，则密度增大， 这种热胀冷缩的现象是人们熟知的。这样，当室内气温高于室外气温时，室外 空气因较重而通过建筑物下部的门、窗口流人室内，并将较轻的室内空气从上 部的窗口排出去。进入室内的空气被加热后，又变轻上升，被新流入的室外空 气所代替而排出。因此，室内空气形成白下而上的流动。这种现象是因温度差 而形成，常称为热压作用。热压的大小取决于室内、外空气温度差所导致的空 气密度差和进出气口的高度差。 2 风压作用 风压作用是风作用在建筑物上产生的压力差。当自然界的风吹到建筑物上 e l 海人学硕十学位论叟 时，在迎风面上，由于空气流动受阻，速度减小，使风的部分动能变成静压， 使建筑物迎风面上的压力大于大气压，形成正压区。在建筑物的背风面、屋顶 和两侧，由于气流的曲绕，这些面上的压力小于大气压，形成负压区。如果在 建筑物的正、负压区都设有门窗口，气流就从正压区流向室内，再从室内流至 负压区，形成室内空气的流动。显然，形成风压的关键因素是室外风速，确切 地晓，是作用到建筑物上的风速。 1 3 3 温室自然通风系统类型 自然通风系统通过侧窗通风和项窗通风或两者结合等方式，来调节温室内 的温度和湿度。侧窗有转动式、卷帘式和移动式三种类型。玻璃温室通常采用 转动式或移动式侧窗，塑料温室多采用卷帘式侧窗。屋顶通风设施有单向窗、 双向窗、屋脊处开窗、天沟处开窗、连续开窗和间隔开窗等类型。对于锯齿型 温室，顶窗也可采用卷帘式。 li 图1 5 屋脊处图1 6 屋脊处图17 排水槽处 开窗单向窗示意开窗双向窗示意开窗示意 顶窗通风除了采用转动式结构外，也可采用双排水槽温室结构，在上下排 水槽之间用卷帘式结构。在特别炎热多雨的地区，可将屋脊进行重叠布置，留 出永久性通风口，即使在降雨时也可以使室内外的空气进行持续的交换。通风 窗面积是自然通风的一个重要参数。n e d e r h o f r ( 1 9 8 5 ) 和b a r b e r ( 1 9 8 4 ) 分别从实 际上和理论上用二氧化碳等气体浓度变化来分析温室的自然通风效果的可行 性。采用上述方法，p a p a d a k i s ( 1 9 8 6 ) 测量和分析了带有顶窗和侧窗的温室的 空气交换速率，其结果表明空气交换率取决于室外风速和开窗面积的大小，并 认为项窗或顶窗加侧窗通风效果要好于只用侧窗的结构。在温室顶窗的具体结 构上，若通风窗宽度小于半个屋顶，因顶窗边框的存在会阻断薄膜冷凝水的连 续流动，而使其直接滴落下来。有些温室制造者采用开窗面积为5 0 的顶窗。 海大学 ! l 学位论文 一方面可以提高顶窗的通风率，另一方面可以使冷凝水直接流到回水槽，避免 卣接滴落。但这样的通风窗其结构强度和运行可靠性受风速的影响较大。在室 外风速较大时，为了保证通风窗不受损坏，通常都要对其开度进行适当的设置， 因此，在一定程度上会影响空气交换和通风降温的效果，限制了带该结构温室 空气交换潜力的发挥。 2 7 1 4 温室自然通风研究现状 在人们开始对温室环境进行模型研究时，主要还是停留在一维模型上。随 着计算机和数值模拟技术的发展，逐渐对温室环境进行二维和三维的研究。由 于一般的温室都是很多跨的，在横向上温度和速度分布比较均匀，所以为了计 算的方便，人们一般考虑温室的纵方向上剖面进行研究。 i9 8 9 年，o k u s h i m a 等人第一次用计算流体力学( c f d ) 来研究温室的通风 问题。尽管他们的结果和实验结果吻合得不是很好，但是，这和当时的计算机 水平有很大关系，重要的是，他们将c f d 方法引入到这个研究领域里来，并 且他们的研究还使人们获得温室内部气体流型的一些重要信息。【l 】 1 9 9 3 年，r i c h a r d s 等讨论了在茁一s 湍流模型下自然通风下温室内部流场。 2 】 19 9 6 年，s h o r t 采用标准的r s 湍流模型三维模拟分析自然通风下二连跨 锯齿型连栋温室内部流场，并对二连跨锯齿温室在有侧窗和无侧窗的情况下进 行的模拟比较。 3 1 1 9 9 7 年，m j s 州o t i s 采用三个不同的湍流模型，除了标准的r s 湍流模型， 还使用了双尺度r n g 和c k 湍流模型，对不考虑浮力影响的自然通风拱型屋 面温室内部环境进行了的研究。采用了实物大小的三维c f d 模型，计算域为温 室周围的一个9 3 s m 5 4 m 1 4 5 m 的区域。结果证明对于自然通风，双尺度湍 流模型较标准的r 一占湍流模型实验数据吻合得很好。 4 】 1 9 9 7 年，b o u l a r d 使用标准的芷一s 湍流模型分析了自然通风下圆拱型连栋 温室内部流场，研究温室长度对温室流场的影响，从计算结果当中发现温室长 度小于5 0 m 时有较高得通风率。f 5 1 9 9 7 年，b o u l a r d 二维分析了单跨封闭的v e n j o 型温室在浮力作用下的内 海大学硕上学位论文 部流场环境，使用1 2 比例的模型，得到湍流动能和温度的分布并和实验数据 进行了对比。f 6 1 1 9 9 8 年，h a x a i r e 等二维分析了单跨封闭的v e n l o 型温室的内部环境，使 用1 2 比例的模型研究了单面和双面通风在浮力作下用的情况，模拟了流场和 温度的分布。 7 】 1 9 9 8 年，k a r c i a 使用标准的r s 湍流模型二维分析了自然通风下锯齿型连 栋温室内部流场，模拟了六种不同的通风形式，得出的结论说明上风向的侧窗 和下风的天窗的组合在所有的情况空气交换率时最高的。8 1 1 9 9 8 年，s h o n 使用标准的r s 湍流模型二维分析了4 5 连跨双层充气聚 乙烯膜的圆拱型屋面温室的自然通风情况，采用多孔介质来模拟遮阳网，研究 了遮阳网对温室通风的影响。【9 】 1 9 9 8 年，l e ea n ds h o r t 使用标准的j r s 湍流模型二维分析了4 5 连跨双层 充气聚乙烯膜的圆拱型屋面温室的自然通风情况，采用多孔介质来模拟遮阳 网，研究了在迎风面和背面通风下，风速从在0 1 到6 s 之问时，温室的空气 交换率。 1 0 1 1 9 9 9 年，l e ea 1 1 ds h o r t 二维分析了4 连跨双层聚乙烯膜的圆拱型屋面温室 的自然通风情况，研究了无植物情况下风速，开窗大小，温室跨度，风速和风 向对温室自然通风的影响。【1 1 1 9 9 9 年，h a x a i r e 等使用标准的r s 湍流模型三维分析了自然通风条件下 温室内部流场，温室内种有番茄，利用三维超卢波风速计对整栋温室内部的流 场进行了测量。 1 2 】 2 0 0 0 年，l e ea n ds h o r t 二维分析了5 连跨双层聚乙烯膜的圆拱型屋面温室 的自然通风，采用多孔介质来模拟遮阳网研究了在迎风面和背面通风的情况 f ，风速从在o 1 到6 s 之间时温室的空气交换率。除此之外，研究了通风口 的大小及苗床上植物的存在对空气通风交换率的影响。 1 3 2 0 0 0 年，h a x a i r e 使用标准的k 一占湍流模型分析了自然通风的圆拱型温室 的内部，采用实物大小的三维c f d 模型，考虑内部植物，多孔介质被用来模拟 遮阳网对气流的影响。预测的内部流场，温度，湿度等和实验测量数据进行了 比较。先采用较粗的网格求解温室周围的三维空间环境，再采用较细的网格来 上海人学钡上学位论文 求解温室内部环境。【1 4 】 ：0 0 0 年，l e e 分析了天窗通风的温室v e n i o 型温室的内部流场，采用l 1 6 比例的三维模型在风洞中进行了连栋温室的通风实验，实验中采用p i v 技术测 量流场，并将测试结果和c f d 模拟的结果进行了比较发现吻合的很好。l5 2 0 0 0 年，r c i c h r a t h 对采用自然通风的种植番茄的温室内部流场的进行了二 维简单模拟。用三个作物层来模拟室内植物，模型中的参数包括植物对气流的 阻力，二氧化碳吸收率，壁面温度。暖气管和外界空气温度，二氧化物流入率 和周围环境的浓度。 1 6 2 0 0 1 年，r c i c h r a t h 采用标准尺度二维，标准r s 湍流模型和r n g 湍流模 型分析了大型商业v e n l o 型连栋温室的内部环境，得出计算域的选择的增大减 少了来自边界的影响，并通过现场实测来对模拟进行实验验证。 1 7 1 2 0 0 2 年，l e e 分析了天窗通风的连栋温室的内部流场，采用三维比例模型 利用p i v 技术在大尺寸风洞中对利用天窗通风的连栋温室的室内流动情况进行 了测试，并将测试结果与模拟结果进行了比较。 1 8 2 0 0 4 年，李永欣用r e a l i l z a b j er 一占湍流模型进行了v e n l o 型温室自然通风 降温的实验研究与c f d 三维模拟，讨论了室外气候条件和温室开窗方式等因素 对v e n l o 型连栋温室自然通风的影响。【2 1 】 通过以上对温室c f d 数值模拟的发展过程的了解，我们发现对温室的c f d 模拟的发展趋势：从温室的二维c f d 模拟到三维的c f d 模拟；从小型或按比 例缩小的温室进行c f d 模拟到对实际尺寸的大型商业连栋温室的c f d 模拟； 从无植物条件下的c f d 模拟到对有植物条件下温室的c f d 模拟；从对确定边 界条件的温室c f d 模拟到对不确定边界条件的温室的c f d 模拟。从前面大量 的c f d 研究的探讨中发现在这个工作中适当的数学参数的选择和充分正确的 边界条件的设定对结果的正确性是至关重要的，其中一个例子就是湍流模型的 选择。对于自然通风的温室，双尺度湍流模型的应用发现比标准的模型有较好 的结果。在不同的模拟中，变量一般有气流速度和方向，空气温度，二氧化碳 浓度和空气湿度。在自然通风下不同类型和大小的温室中，对受热压作用的通 风以及受风压作用的通风的模拟都很成功。 虽然c f d 对温室的自然通风模拟可以比较准确的得到温室内的温度，风速 海人学硕上学位论文 等环境参数的分布情况，证明了c f d 分析有一定的可靠性。但是大多数都是二 维模拟，少数的三维模拟也只是对小型温室和比例温室模型分析。对于大型的 商业温室的环境，这些分析是远远不够的，不能了解温室内部流场的复杂性， 也不能给出温室内详细的环境参数的分布图。这些温室内部环境参数是对温室 进行精确控制和优化设计的必须数据，因而对大型商业温室的全尺寸三维c f d 分析是必不可少的。 1 5 本文主要工作 1 5 1 本文研究内容 本文研究的是屋顶全开型玻璃温室的c f d 辅助设计方法，其对象是国内第一 座全丌型玻璃温室。这是一种铰链设置在每个屋顶两侧的天沟位置，从屋顶最高 点向两侧打开的真正的屋顶全开温室，它使用一套简单而可靠的齿轮齿条驱动 系统，能同时将一个屋顶的两个屋面全部打开或关闭，温室的南部设置有侧窗， 从而能实现1 0 0 空气和阳光，没有过多的热量聚积，同时也使维护成本最小。 屋顶全开型玻璃温室提供更佳的环境条件，提高园艺产品的品质和产量， 提高作物的抵抗力，满足特定栽培技术措施的需要，减少农药的使用，降低使 用成本，提高栽培者的效益。因此，非常有必要开发该类型温室。传统现代化 温室生产在具有大幅度提高土地资源，水资源利用率，提高劳动生产率，能多 年为社会提供优质，无公害产品生产和推动相关产业发展，培育新的经济增加 点等优点的同时，也带来了土壤盐渍化，能耗高，无法充分利用太阳能等缺点。 而对于越来越多的从事育苗和观赏植物栽培，需要将植物移出温室外进行炼苗 这一关键技术环节的栽培者来说，更是期待着一种全新的屋顶全开型温室的出 现。当室外条件不利时是环境可控的温室，需要炼苗时或外界条件理想时又能 将屋顶全开型温室全部打开，让温室作物与大自然气候充分接触。且这种温室 在夏季的能耗几乎为零，却能获得比强制通风温室更好的降温换气效果。 本文的主要任务是直接参与屋顶全开型玻璃温室的开发设计，采用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 研究方法对屋顶全开型玻璃温室在夏季自然通 风条件下温室室内流场进行数值模拟。并对屋顶全开型玻璃温室进行实地试验 卜恕夫学硕 j 学位论文 测试。在试验研究的基础上，c f d 分析结果与试验测试结果进行对比和分析， 进而修正整个辅助设计的方法、特别是参数的设置，形成了一种可用于屋顶全 开型玻璃温室辅助设计的方法。同时我们还运用c f d 对屋顶全开型玻璃温室内 的实时灌溉系统的关键零部件文丘里泵的流量进行数值模拟，构建了相关的 c f d 辅助设计方法，并在此基础上完成了混肥文丘里泵的系列设计。 1 5 2 论文选题的意义 通风是影响温室内气候的重要因素，它对温室内部环境之间物质和热量交 换有着很大贡献。设计合理的通风设施不仅能改进温室环境的控制，而且有利 于提高能量利用效率。此外，通风设施还能控制好温室中温度、湿度和气体浓 度( 如：二氧化碳) 的变化。 随着计算机能力的不断提高和流体流动模型的不断完善，使得计算流体力 学( c f d ) 成为分析温室内气流状况的有力工具。而且，c f d 方法分析的结果 可帮助人们设计出更为有效的温室通风设施。通过模拟温室内流动状况，可以 使通风设施的尺寸、位置和形状达到最佳，使得空气在温室内实现均匀的温度、 湿度。 由于c f d 的预测结果和实验的数据有很好的吻合，所以c f d 是研究温室 内气候环境的有力工具。一些研究已经显示c f d 能对不同的温室情况和控制方 面( 如通风口的开放大小和位置，不同速度等) 进行比较，这就是c f d 模拟优 于实验测试的方面，而且实验费用昂贵，耗时长。如果一个c f d 模型计算结果 被验证是可信的，那么可以利用该c f d 模型对温室内部气候其他方面进行分析 研究。有了c f d 模型，将产生一个虚拟的真实的模拟，这将会非常实用而且花 费要便宜很多。以后可以通过c f d 在温室设计，操作，控制方面带来很大改变。 还可以将c f d 模型数据与温室室内环境控制相结合，来改善控制系统对温室环 境的反应，从而来调节温室内的风速，温度和湿度。 我国温室设计一般都参照国外设计规范，很少能对温室的整个系统进行设 计优化。通过c f d 分析可以为温室的优化设计提供理论指导和依据。温室的 c f d 模型作为温室室内环境与室外环境，控制设备之间的定量描述，无论在温 室设计，环境控制还是科研中都可以起到重要作用。在温室设计中，可以在新 晦人学硕士学位论文 的设计方案或原有的设计方案改进中，运用c f d 分析辅助设计，只要对模型尺 寸和边界条件稍加修改，就可以很快的得到所需要的信息。 1 5 3 论文主要包括下面几个方面 1 针对屋顶全开型玻璃温室采用自然通风条件下的降温过程，采用c f d 方法对温室内空气温度分布进行数值模拟，并对屋顶全开型玻璃温室在自然通 风条件下进行现场测试室外气候条件和室内空气温度和速度的分布，分析屋顶 全开型玻璃温室采用自然通风降温形式的降温效果。数值模拟结果与现场测试 结果进行验证，并最终构建出一套c f d 在全开型温室开发过程中的辅助设计方 法。 2 针对屋顶全开型玻璃温室内的实时灌溉系统的关键零部件文丘里泵，采 用c f d 方法对文丘里泵的流量进行分析，设计出不同规格的文丘里泵。将c f d 模拟的文丘里泵的流量和现场实验测试结果进行对比和验证。 3 通过对屋顶全开型玻璃温室和文丘里泵的分析设计，验证了c f d 设计 的可靠性，可以将这种方法推广到其他领域。 卜坶人学 i _ j ! j 。学位论义 2 1c f d 概述 第二章c f d 基础及理论 2 1 1 计算流体动力学 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lr l l l i dd y n a m i c s ，简称c f d ) ，是通过计算 机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所 做的分析，c f d 的基本思想可以归纳为：把原来在时间域和空间域上连续的物 理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代 替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的关系的代数 方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看作是在流体基本方程( 质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒 方程) 控制下对流体的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到在极其复杂 问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度，压力，温度，浓度等) 的分布， 以及这些物理量随时间的变化情况。还可以据此算出相关的其他物理量，如旋 转式流体机械的转矩，水力损失和效率等。此外，与c a d 联合，还可以进行结 构优化设计等。 图2 1 三维流体力学示意图 c f d 方法与传统的理论分析方法，试验测量方法组成了研究流体流动问题 的完整体系。图2 1 表示了三者之间的“三维”流体力学示意图。 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见， 每人学碗十学位论文 是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计 算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流 动才能给出解析结果。 实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基 础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸，流场扰动，人身安全 和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，试验还会遇 见经费投入，人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。 而c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计 算，就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算并将其结 果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节：如激波的运动，强度，涡的生成 与传播，流动的分离，表面的压力分布，受力大小及其随时间的变化等。数值模 拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有多大区别。但目前受到边界条件及计 算机计算精度等因素的影响，c f d 计算还是有一定的误差。 2 1 2 计算流体动力学的工作步骤 c f d 可以应用于所有与流体相关的领域。无论在哪个领域中，为了得到满 意的答案，c r d 的研究通常应该遵循以下的步骤： 第一，问题的界定和流动区域的几何描述。应明确要解决的问题中流场的 几何形状，流动条件和对于数值模拟的要求。几何形状通常来源于对于已知流 动区域的测量。如果处于设计阶段，流场的几何形状肯定不是完全确定的，在 这种情况下，必须知道对于流场的几何形状有哪些限制条件，并根据这些限制 条件或其他初步设计手段确定流场的假定形状，然后根据模拟的结果对几何形 状进行不断调整，在多次模拟的过程中，逐步确定最终几何形状。流动条件可 以包括流动的雷诺数，马赫数，边界处的速度，压力等等。对于数值模拟的要 求包括：数值模拟的精度和所花费的时间，所感兴趣的流动参数等。 第二，选择主控方程和边界条件。主控方程指在数值计算过程中要求解的 方程。在问题确定后，必须选择流动的主控方程和边界条件。一般认为，在牛 顿流体范围内，所有的重要流动现象都可阻用n a v i e rs t o k e s 方程来描述。但 是，为了提高计算的效率，有时可以选择经过简化的数学模型( 如果这种简化 舟久学硕l 学位论文 仍然保留流动的物理本质，满足对于数值模拟的要求的话) 。简化模型包括势流 方程，f ? u l e r 方程，边界层方程，薄层近似的一s 方程等等。根据问题的特点， 可以考虑定常或非定常，可压或不可压得流动模型。边界条件可以有固体壁面 条件，进流，出流条件，周期条件，对称条件等。边界条件通常依赖于主控方 程，如在固体壁面，n lc r 方程要求采用不可渗透条件，而n s 方程要求无滑 移条件。如果有必要，我们还需要采用一些附加的物理模型，最典型的例子就 是湍流模型。虽然ns 方程可以描述湍流流动，但是直接采用原始的、一s 方程 计算湍流流动( 称为直接数值模拟) 要求网格点的数量非常多，因而计算量非 常大，这是目前的计算机所不能承受的。所以人们通常采用经过r e y n o l d s 平均 的一s 方程，为了封闭这个方程就必须采用某种湍流模式。 第三，确定网格划分策略和数值方法。在c f d 中，网格划分可以有各种不 同的策略，如结构网格，非结构网格，组合网格，重叠网格等。网格可以是静 止的，也可以是运动的，还可以根据数值动态调整( 自适应网格) 。c f d 中的数 值方法有有限差分法，有限体积法，有限元法，谱方法等。数值方法和网格划 分方法策略是互相关联的。例如，如果采用有限差分方法，通常要采用结构化 网格：而有限体积方法和有限元方法则可以适应于结构和非结构网格。根据网 格划分策略和数值方法，最终应该形成数值求解基本方程和边界条件的计算机 程序或软件。这些程序，可以是针对某一问题自行编制的，也可以应用已有的 程序和商业软件。 第四，数值解的评价和解释。通过在计算机上调试，运行上述软件得到数 值解。对数值解进行分析是c f d 中非常重要的环节，也称为后处理。后处理包 括计算感兴趣的力，力矩；包括应用流场可视化的软件对于流场进行显示，分 析；包括对于数值方法和物理模型的误差进行评估等等。 2 1 3 计算流体动力学的特点 c f d 作为一个比较新的学科，还有其他一些鲜明的特点。 首先，c f d 的发展及应用与计算机技术的发展直接相关。c f d 发展的一个基 本条件是高速，大容量的电子计算机。随着对c f d 的了解的不断深入，我们将 对这一点有越来越清楚的认识。今天，计算机技术的迅速发展，已经使得采用 卜晦大学硕十学位论文 c f d 方法研究一些工程问题成为可能。例如，通过求解三维r e v n o l d s 平均的 a v i 盯吼t ，k 。s 方程进行对与流体运动有关的过程和装置的分析和设计正在成 为航空航天和其他工业领域的新的研究手段。最近l o 年以来，计算流体动力学 的商业( 1 f 1 ) 软件不断涌现，极大的促进了c i ? d 在工业领域的应用。但是，还有 很多问题，如高雷诺数条件下湍流的直接数值模拟，由于对于计算机速度和容 量的要求极高，目前和近期还无法用c i ? d 方法解决。所以，计算机技术的发展， 已经为c f ? d 的广泛应用提供了一定可能，而c f d ( 和其他基于大规模数值计算的 学科) 的发展还不断对计算机技术的进一步提高提出新的要求。 第二，c f d 与应用数学有密切的关系。在c f d 中，要把流体力学基本方程 中积分和微分的运算化为离散的代数运算。这样，就产生了一系列的数学问题。 ( ) 离散的代数方程逼近原来的积分或微分方程的程度如何? 数值解逼近微分或 积分方程精确解( 如果存在的话) 的程度如何? 这些就是所谓c f d 方法的精确和 误差估计问题。( 2 ) 当离散点的数量趋近于无穷大，间距趋于无穷小时，数值解 是以有限的字长( 有效数字) 进行的，例如计算机不能无限精确的表示一个无理 数，因此，计算机得到的数值解是“近似的”数值解。由于机器字长有限产生 的误差称为“舍入误差”。舍入误差对于数值计算结果的影响如何，是不是会 无穷增长以至于得不到有意义的数值解? 这就是数值方法的稳定性问题。( 4 ) 在可压缩流动中，会出现激波等间断现象。为了正确描述这一现象，必须对微 分方程解的定义进行扩充，扩充后的解称为广义解或弱解。那么，广义解和物 理上的真j 下解是什么关系，要保证广义解是有物理意义的真实解必须满足什么 条件? 这些问题以及未列出的其他众多相关问题，都是应用数学研究的重要内 容，也是c f d 研究的中心内容。一方面，这些问题的研究已经取得了很多进展， 并促进了c ? d 的迅速发展。另一方面，流体运动方程是非线性的，数值方法也 必须体现非线性的特点，而涉及非线性的许多问题还没解决。比如非线性问题 的稳定性，收敛性和误差估计，一般意义下广义解的唯一性条件还是c f d 和应 用数学研究的难点问题。由于c f d 在理论上还不成熟，并且受到计算机计算精 度和边界条件扰动的影响，在一定程度上也妨碍了c f d 的广泛应用。 第三，c f d 的发展在很大程度上依赖于实验和理论流体力学的发展。由于 缺乏对数值解误差进行估计的严格理论，c f d 计算结果的验证通常依赖于和实 卜海大学硕| _ 学位论文 验结果的对比。c f d 研究原则上可以采用各种数学模型，而这些数学模型则是 理论流体力学研究的直接结果。比如，湍流流动的数值计算，在大多数情况下要 引入所谓“湍流模式”，而这些模式，无论是基于r e y n o l d s 平均方程的湍流模式 还是最近得到迅速发展的“大涡模拟”中的亚网格尺度模式，都是理论流体力 学研究中非常活跃的课题。对湍流流动的准确预测，与这些模式的有效性密切 相关。因此，c r d 的发展不可能取代理论或实验流体力学，他们之间是一种相 互补充，相互促进的关系。 第四，c f d 研究呈现出明显的学科交叉性。c f d 的生命力在于广泛应用于 多个工业领域，解决其中涉及的与流体运动相关的问题。为了解决这些问题， c f d 研究必须和这些领域的研究密切交叉和融合。 2 2 流体动力学基本方程 流体动力学的基本方程包括描述流体流动的质量守恒定律，动量守恒定律 和能量守恒定律方程。 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可以表述为：单位时间内 流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照 这定律，可以得出质量守恒方程( 眦s s ( ：o n s e r v a c i 。ne q u a t i o n ) ： 塑+ 型+ 型+ 型：o2 1 。l 孤 西 也 上面给出的是瞬态