CFD在温室室内环境研究中的应用-

1、CFD 在温室室内环境研究中的应用金玲1,刘妍华2*(1华南农业大学水利与土木工程学院,广东广州510642;2华南农业大学工程学院,广东广州510642摘要介绍了计算流体力学(CFD 仿真技术的基本理论和应用方法,认为CFD 仿真主要包括前处理、求解和后处理3个步骤,且目前大多研究者采用将CFD 数值模拟结果与测试数据进行对比的方法,验证应用所建CFD 模型进行数值模拟的可行性。重点分析了CFD 在国内外温室(冬季温室、夏季温室和日光温室热环境研究中及温室流场(温室自然通风流场、有防护网温室流场和温室机械通风流场中的应用现状。在此基础上,提出了今后利用CFD 研究温室室内环境的方向:开展多种

2、类型温室的研究,确定合适的边界条件,并对模拟结果的准确性进行评价;对我国不同地区、不同气候条件下的温室热环境开展CFD 数值分析,使研究更系统、更完善;引入不同作物CFD 模型,研究作物对温室小气候环境的影响,以实现更贴近实际精度的数值模拟。关键词CFD ;温室;数值模拟中图分类号S127文献标识码A 文章编号05176611(2012070441603The Application of Computational Fluid Dynamics (CFD in the Study of Greenhouse Indoor EnvironmentJIN Ling et al (College

3、of Water Conservancy and Civil Engineering ,South China Agricultural University ,Guangzhou ,Guangdong 510642Abstract The basic theory and application methods of Computational Fluid Dynamics (CFD simulation technique were introduced ,it hold that CFD simulation mainly includes three steps of pretreat

4、ment ,solution and aftertreatment ,and at present ,most researchers compared CFD numerical simulation results with test data ,to test and verify the feasibility of established CFD model in numerical simulationWhat s more ,the application status of CFD in thermal environment study of greenhouse at ho

5、me and abroad (winter greenhouse ,summer greenhouse and sunlight greenhouse and greenhouse flow field (greenhouse natural ventilation flow field ,protective screening greenhouse flow field ,mechani-cal ventilation flow field were analyzed emphaticallyBased on this ,the direction of studying greenhou

6、se indoor environment using CFD in the future was proposed :developing all kinds of greenhouses ,determining suitable boundary conditions ,and the veracity of simulated results was evaluated ;furthermore ,developing CFD numerical analysis for greenhouse thermal environment under different areas and

7、different climatic conditions ,to make the study more systematic and more perfect ;moreover ,CFD models of different crops were introduced to study the effects of crops on greenhouse microclimate environment ,to realize numerical simulation with more actual accuracyKey words CFD ;Greenhouse ;Numeric

8、al simulation基金项目国家自然科学基金项目(51108194。作者简介金玲(1980,女,甘肃天水人,讲师,在读博士,从事温室热环境方面的研究,E-mail :jinling_208126com 。*通讯作者,讲师,在读博士,从事温室热环境方面的研究,E-mail :cynthialyh126com 。收稿日期2011-11-29温室是设施农业的主要形式之一,具有较高的经济效益。同时温室又是一个复杂的系统,它的室内环境包括太阳辐射的透过和分布、温室内能量和物质的传递、作物生长时的能量交换及土壤中的热质传递等。传统的研究温室的方法主要有温室模型试验和物理模型模拟2种方法。前者可以得到

9、所需要的各种数据,但试验周期长且试验费用昂贵;后者是把温室内的空气作为总体来建立质量和能量守恒方程,忽略温室内区域间压差和流动的关系来研究温室内的温度分布以及流动情况,但模拟得到的结果只是温室内环境的集总结果。因此传统的研究方法不能有效地模拟温室内环境的传递过程,也就不能很好地指导温室的优化和结构设计1。近年来,计算流体力学(Computational fluid dynamics ,CFD 被广泛应用于温室室内环境的数值模拟中,能够较准确地模拟温室室内速度场、温度场和湿度等环境状态,为温室的优化和设计实现提供了很好途径。1CFD 基本理论及应用方法11基本理论计算流体力学是基于流体控制方程(

10、包括质量、动量和能量守恒方程等对流体问题模型进行求解并把结果图像化的仿真工具。CFD 仿真的过程主要分3个步骤:前处理、求解和后处理2。前处理是把物理模型转化成网格模型的过程;求解是把网格文件导入CFD 求解软件进行求解;后处理是把求解完后的结果采用后处理软件或者直接在已包含后处理功能的求解器中进行图像化并分析3。在CFD 数值模拟中,通过正确的计算域的选择、网格的划分、边界条件的设置以及选择合适的计算模型,即可有效地得到温室室内环境的传递过程,揭示流场的性质,为温室产业提供有效的室内环境信息。12应用方法目前,利用CFD 研究温室室内环境的问题大多采用模拟结果和测试数据对比的方法。即首先建立

11、应用于温室的CFD 模拟所需的模型,确定此温室CFD 数值计算的控制方程、湍流运动方程、边界条件处理以及控制方程求解的规律;其次对不同外部环境条件、不同工作状况下的温室内热环境进行试验测试,并分析温室的热环境状况;再次将CFD 数值模拟结果与现场试验测试结果进行对比和验证,以证明应用所建CFD 模型进行模拟的可行性;最后利用所建立的CFD 模型对温室进行进一步的研究分析或预测,为温室的优化提供理论依据。2CFD 在温室热环境研究中的应用21在冬季温室温度场中的应用研究对于温室热环境的研究大多集中于研究冬季温室室内的温度场分布情况,且大多采用k 湍流模型。1995年,Vollebergt 等为了

12、研究Venlo 型温室侧墙附近垂直热管的传热问题,将墙体与空气分别划分为许多块,并将墙体附近的热传导系数与辐射系数代入于热平衡方程进行计算,通过CFD 计算得到了所研究温室区域内部的温度与责任编辑姜丽责任校对卢瑶安徽农业科学,Journal of Anhui AgriSci2012,40(7:44164418空气流动的分布情况,并计算出了对外的热损失4。朱文见利用软件FLUENT,以北京地区冬季供暖条件下圆翼型连栋温室夜间热环境为研究对象,对不同天气状况下采用和不采用保温幕情况下温室内热环境进行了测试,建立了连栋温室的CFD理论模型,利用该模型对连栋温室流场和温度场的分布情况进行数值模拟。结果

13、表明,地板供暖效果较好,同时应设置多层保温幕以起到保温节能的效果,这为散热器与保温幕的设计使用提供了理论依据5。陈教料等以浙江地区Venlo型玻璃温室为研究对象,在夜间加热条件下采集温室室内热环境数据,并建立CFD模型,采用标准k湍流模型和PSIO算法的有限体积法对流场微分方程进行离散,利用Fluent软件对热风供热的玻璃温室三维温度场进行了模拟,结果验证了CFD模型的正确性,及采用Huent软件进行温室热环境数值模拟的可行性6。吴飞青等研究了有作物的条件下Venlo型玻璃温室冬季夜间加热时的温度场分布规律,并用多孔介质替代作物,采用三维CFD技术对其规律进行了数值模拟和分析7。吴飞青研究了V

14、enlo型智能玻璃温室在有作物条件下的传热机理及室内流场和温室边界的特征,建立了三维动力学模型并对玻璃温室流场和温度场进行数值模拟,同时利用三维CFD技术对不同温室结构和加温参数的流场、温度场进行数值模拟并建立了优化的三维CFD模型,为温室加温节能降耗提供了指导8。朱惠斌等研究了冬季昆明地区燃油热风加温条件下Venlo型3屋脊PC 板温室温度场的数值模拟问题;对温室室内温度进行现场实测,并建立了数学模型,利用CFD技术对温室进行全尺度数值模拟,研究分析了单点热风加温的分布特点,为该地区加温温室的设计和优化提供了依据9。22在夏季温室温度场中的应用研究李永欣等用CFD方法对Venlo型温室夏季结

15、合室外遮阳和屋顶喷淋措施的自然通风降温过程进行了研究,结果表明,室外遮阳和屋顶喷淋措施可以明显降低温室室内温度,CFD模拟的温室室内温度分布趋势也和试验测试结果一致10。程秀花等以未种植作物的Venlo型2连栋空玻璃温室为研究对象,基于CFD 数值方法分析了室内温度时空分布规律,结果模拟得到的室内温度空间呈梯度分布,温室纵向温度分布南北两侧较高,横向则东侧温度高于西侧,在作物区温度分布比较均匀一致11。吴飞青等以浙江地区大型Venlo型玻璃温室为研究对象,采集夏季机械通风条件下的温室温度和速度,并在考虑了作物、太阳辐射和热辐射因素下建立CFD数学模型,采用标准k湍流模型和SIMPLE算法的有限

16、体积法,对室内流场和温度场进行了数值模拟12。23在日光温室温度场中的应用研究日光温室是我国一种特有的温室形式,国内有一些研究是利用CFD的方法研究日光温室的热环境。邢兰以均匀供热系统条件下,高温度严寒地区倾斜式加热日光温室为研究对象,建立温室CFD 理论模型,对不同夯实黏土厚度墙体、不同材料墙体和不同材料采光面对温室热环境的影响进行了深入的研究,利用FLUENT软件对温室进行三维数值模拟,结果表明,利用CFD方法可以对温室内部温度场进行准确的预测与分析13。佟国红等以沈阳地区日光温室为研究对象,采用CFD技术模拟日光温室温度场动态变化规律,在模拟过程中以天空辐射温度、室外空气温度、空气相对湿

17、度、太阳辐照度和风速等室外气象因子以及温室围护结构外表面的对流辐射换热系数、温室内1m深土壤温度等作为边界条件,研究结果为日光温室的设计和热环境预测提供了依据14。随后,他们又以温室夜间各表面的温度为边界条件,采用CFD 软件对温室温度环境进行二维及三维空间的稳态模拟求解并与测试结果进行对比,结果表明,用二维模型模拟温室中间横剖面温度是可行15。之后,他们又补充了边界条件冷风渗透产生的潜热损失及温室表面因冷凝产生的潜热,对复合墙、全砖墙及全苯板墙的12m跨度日光温室的温度环境进行了模拟,结果表明,采用动态模拟模型可以优选温室墙体结构设计研究以达到节能的目的,同时还可预测不同墙体温室的室内温度1

18、6。常丽娜以济南地区土质墙体被动式日光温室为例,对顶部自然通风的被动式日光温室的热湿环境进行了研究;建立了温室热湿环境的三维非稳态CFD模型,对温室内温湿度分布进行了数值模拟。结果表明,温室通风时,室外风速和风向对室内温湿度场有明显的影响,且风速对温度的影响更显著17。3CFD在温室流场研究中的应用研究31在温室自然通风流场中的应用研究1989年开始,国内外许多研究者采用CFD技术对温室流场进行了研究。荷兰研究者Mistriotis等对典型地中海温室的自然通风过程进行研究,采用标准k湍流模型、双尺度RNG模型和CK模型分别对温室环境进行模拟,结果表明,双尺度RNG湍流模型的模拟结果比标准的k模

19、型吻合性更好,但CK模型的模拟结果能很好地再现温室的总体流动;长度小于50m的温室有更好的通风率;温室的通风率不仅取决于他的设计特性还取决于当地的气候条件18。Lee等研究了室外风速、风向、窗口尺寸和作物对45个跨度的双层聚乙烯温室的影响,结果表明,当所有窗口全部打开时,东风引起的空气流动性比西风好;侧窗开口尺寸影响空气交换率;侧窗关闭、天窗打开时比天窗关闭和侧窗打开的通风性能更好19。土耳其研究者Kacira等利用CFD技术对哥特式连栋温室的通风问题进行了研究,结果表明,当侧窗和顶窗都打开通风时,通风率达到最大。如果忽略热压的作用,通风率将会随着室外风速增加呈线性增加;通风率随着温室跨度的增

20、加而减少且呈指数衰减20。他们还研究了窗口配置、作物和外界风速对温室气流模式和作物叶冠层通风情况的影响,结果表明,温室和叶冠层的通风率与外界风速呈正比;当侧窗和天窗完全打开时,温室达到最大的通风率21。沈明卫等分别研究了单栋和连栋温室流场的分布情况,结果表明,平行屋脊单栋温室气流在温室内对称性较好;顶窗配置形式对3连栋塑料温室的自然通风有较大影响,其中配置小屋脊温室流场分布情况最好,半拱顶窗次之,谷间顶窗最差2223。樊琦等建立了华东型连栋塑料温714440卷7期金玲等CFD在温室室内环境研究中的应用室的二维、稳态的湍流模型,分别对开普通齿条顶窗温室和开法国式大窗顶窗温室流场进行模拟比较,结果

21、表明,普通齿条开窗的可控的跨数较大,法国式大开窗温室通风较均匀24。程秀花等以栽有番茄的Venlo型2连栋玻璃温室为研究对象,分析温室内气流分布情况,结果表明,室外气流由南侧天窗和侧窗南部以较高流速进入室内时,温室南部气流紊流程度高,存在流涡区;北侧流速均匀;温室中部作物区及冠层上方气流流动平缓,流速较低;靠近侧窗的温室空间以风压通风为主,作物冠层及侧窗上部空间热压作用明显25。32在有防护网温室流场中的应用研究摩洛哥研究者Fatnassi等先后以摩洛哥型番茄温室和玫瑰温室为研究对象,使用CFD对不同的防护网进行分析,结果表明,防护网能使温室的温湿度增加2627。沈明卫等以连栋塑料温室自然通风

22、的流场作为研究对象,通过CFD方法分析了防虫网对温室流场的影响,结果表明,防虫网减弱了温室的整体自然通风效果,设置防虫网后通风主要动力由风压通风占主导地位变为由热压通风占主导地位28。33在温室机械通风流场中的应用研究童莉等采用CFD软件对机械通风和太阳辐射同时作用下华北型联栋温室的三维气流场和温度场进行了数值模拟研究,研究中不考虑植物存在的影响,结果得到了合理的速度场分布和温度场分布,同时发现,通过改变入口风速和湿帘高度可以调控温室内气温;提高入口风速和湿帘高度,可以增大温室的可控距离29。4CFD在温室室内环境研究上的应用展望近年来的研究中,CFD的预测结果和试验数据有着很好的吻合性,说明

23、应用CFD研究温室内的气流场及温度场的变化时具有较高的准确性。总结前人的研究成果,认为还可以利用CFD进行更加全面细致的温室室内环境研究:前人的研究涉及了Venlo型温室、连栋温室和日光温室等,对于其他类型的温室还需要加以研究,确定合适的边界条件,并对模拟结果的准确性进行评估。应对我国不同地区、不同气候条件下的温室热环境进行CFD数值分析,使研究更系统、更完善。引入不同作物CFD模型,考虑作物对温室小气候环境的影响,以实现更贴近实际精度的数值模拟。5结语CFD技术具有方便、省时、成本低和运用范围广等优点,应用于温室环境领域可以对温室内部温度场、流场、湿度等参数进行准确地预测与分析,必将成为温室

24、研发的有力武器。参考文献1陈晓机械通风条件下Veulo型温室内温度场与流场的数值模拟研究D杭州:浙江工业大学,20082SMALE N J,MOUREH J,CORTELLA GA review of numerical models ofairflow in refrigerated food applicationsJInternational Journal of Refrig-eration,2006,29:9119303陶文铨数值传热学M2版西安:西安交通大学出版社,20024VOLLEBERGT H J M,Van de BRAAK N JAnalysis of radiative

25、 and con-vective heat exchange at greenhouse wallsJAgrie Eng Res,1995,60(2:991065朱文见冬季供暖条件下连栋温室夜间热环境的CFD模拟D北京:中国农业大学,20056陈教料,胥芳,张立彬,等基于CFD技术的玻璃温室加热环境数值模拟J农业机械学报,2008,39(8:1141187吴飞青,胥芳,张立彬,等基于多孔介质的玻璃温室加热环境数值模拟J农业机械学报,2011,42(2:1801858吴飞青温室冬季热环境数值分析与实验研究D杭州:浙江工业大学,20109朱惠斌,杨薇,白丽珍热风加温下Venlo型温室温度场的CFD

26、数值模拟J农机化研究,2010,4(4:11411810李永欣,李保明,李真,等Venlo型温室夏季自然通风降温的CFD数值模拟J中国农业大学学报,2004,9(6:444811程秀花,毛罕平,伍德林,等玻璃温室自然通风热环境时空分布数值模拟J农业机械学报,2009,40(6:17918312吴飞青,张立彬,胥芳,等机械通风条件下玻璃温室热环境数值模拟J农业机械学报,2010,41(1:15315813邢兰倾斜式日光温室冬季热环境的模拟研究D哈尔滨:哈尔滨工业大学,200614佟国红,李保明,CHRISTOPHER D M,等用CFD方法模拟日光温室温度环境初探J农业工程学报,2007,23(

27、7:17818515佟国红,CHRISTOPHER D M,李天来,等日光温室二维及三维模拟对温度模拟结果的影响J上海交通大学学报:农业科学版,2008,26(10:42042316佟国红,CHRISTOPHER D M墙体材料对日光温室温度环境影响的CFD模拟J农业工程学报,2009,25(3:15315717常丽娜被动式日光温室热湿环境实验与数值模拟研究D济南:山东建筑大学,201118MISTRIOTIS A,BOT G P A,PICUNO P,et alAnalysis of the efficiencyof greenhouse ventilation using computat

28、ional fluid dynamicsJAgricul-tural and Froest Meteorology,1997,85:21722819LEE I B,SHORT T HVerification of computational fluid dynamic tem-perature simulations in a full-scale naturally ventilated greenhouseJASAE Paper,2001,44(1:11912720KACIRA M,SASE S,OKUSHIMA LEffects of side vents and span num-bers on windinduced natural ventilation of a Gothic Multi