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哈尔滨冬季温室的气流组织情况分析

时间:2014-09-17 来源:未知 作者:小韩 本文字数:2917字
论文摘要

  引言

  随着农业的飞速发展,设施农业在我国得到了广泛的应用。目前,我国设施农业面积达到了 140 万hm2,已成为世界第一大设施栽培大国。其中,温室已经达到了 500hm2多,而且每年大型温室的增长量都达上百公顷,日光温室在寒冷的北方广受青睐。冬季为了保持室温,温室密闭且不进行通风,室内空气处于停滞状态。停滞的空气会导致植物表面形成境界层,影响作物的生理作用,并且为病害繁殖创造了良好的环境; 在极寒冷的地区,冬季温室还会引入加热设备,停滞的空气使热量不能有效地扩散,也会造成温度分布不均匀和温度偏低等现象,影响植物的正常生长。优化温室的气流组织,使温室内气体流动,可以在一定程度上解决上述问题,改善温室环境,提高温室产量。

  1 模型及计算条件

  1. 1 温室几何模型

  实验采用哈尔滨地区某日光温室,温室冬季采用热水供热系统。温室全长 60m,中部被 pc 板隔开,形成两个温室环境,实验选取其中一个。实验温室长27. 5m,跨度 7m,脊高 3. 5m,后墙高 2. 5m,后坡水平投影 1. 5m。日光温室几何模型如图 1 所示。【图1】
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  1. 2 温室 CFD 模型

  1. 2. 1 湍流模型

  参考相关文献,加热条件下温室内气流可看成湍流流动。三维湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法两种。其中,非直接数值模拟方法又分为大涡模拟、统计平均法和Reynolds 平均法 3 种。Reynolds 平均法对工程实际应用可以取得很好的效果,而且避免了大计算量的问题,因此是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。

  根据温室的情况及各数值模拟方法的适用范围,选取Reynolds 平均法中的标准 k - ε 模型进行数值模拟计算。标准 k - ε 模型的输运方程为【1】
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  其中,Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生项; Gb是由于浮力引起的湍动能 k 的产生项; YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献; C1ε、C2ε、C3ε为经验常数; σk、σε分别是与湍动能 k 和耗散率 ε 对应的Prandtl 数; Sk、Sε是用户定义的源项。

  高 Re 数的湍流模型针对充分发展的湍流才有效; 对近壁区内的流动,湍流发展并不充分,必须采用特殊处理方式,可以采用低 Re 数 k - ε 模型或壁面函数法。低 Re 数 k - ε 模型要求在近壁面区域划分比较细密的网格,而壁面函数法不需要在壁面区加密,因此实验采用壁面函数法处理近壁面区域。

  1. 2. 2 基本控制方程

  实验模型选择的温室冬季室外气温很低,因此并不会开窗通风,室内气体压强变化不大。根据温室内气流特点,为了便于处理温差带来的浮升力项,采用Boussinesq 来简化加热空气产生的自然对流。

  流体流动要受物理守恒定律的支配,基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动处于湍流状态,系统还要遵守附加的湍流输运方程。控制方程的通用形式为【2】
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  其中,Φ为通用变量,可以代表 u 、v 、w 、T 等求解变量; Γ 为广义扩散系数; S 为广义源项。

  1. 2. 3 辐射模型

  温室受加热设备的热辐射影响,同时热辐射也是温室夜间热量损失的重要原因之一,温室内环境通过辐射相互及与外界进行能量交换。实验温室采用热水供热系统,传热方式主要有辐射和对流,大部分热量是通过辐射传递到周围环境中的。CFD 可以提供 5种辐射模型,其中离散坐标辐射模型( DO 模型) 使用范围最广,计算范围涵盖了从表面辐射、半透明介质辐射到燃烧问题中出现的介入辐射在内的各种辐射问题。考虑到半透明介质、空气对辐射的吸收率较低并且需要进行耦合传热计算等问题,选取 DO 模型计算辐射的影响。辐射方程为【3】
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  其中,r→为位置向量; s→为方向向量;→s' 为散射方向; a 为吸收系数; n 为折射系数; σs为散射系数; σ 为斯蒂芬波尔兹曼常数; I 为辐射强度,依赖于 r→、s→; T为当地温度; F 为相位函数; O' 为空间立体角。

  2 网格的划分及边界条件选择
  
  2. 1 计算域网格划分

  网格是 CFD 模型的几何表达形式,也是模拟与分析的载体。网格质量对 CFD 的计算精度和计算效率具有重要的影响。网格分为结构网格与非结构网格两大类。其中,非结构网格有极好的适应性,对于具有复杂边界的流场问题尤其有效。根据温室的情况,采用了非结构四面体网格进行了划分,并对热水管道进行了网格的加密。

  2. 2 边界条件

  冬季温室不与外界进行通风,而且内部只存在流固耦合传热,边界条件全部设置为 Wall,地面给定实际测量的固定温度,墙体及覆盖材料为对流与外部辐射相结合的边界类型。实验温室模型中没有考虑植物的影响。

  3 CFD 模拟分析

  实验模拟了白天供暖情况下温室的状态。通过对比模型所得温室温度与实测温室温度,来验证模型的准确性。取室外温度为-14. 85 ℃ 进行了模拟,选取了 72 个点测量温度,并与实验所得各点的温度值进行了比较,最大误差为 1. 5℃,可以认为模型建立基本准确。

  首先对不通风情况下的温室模型的速度场进行了分析,结果发现: 在不通风的情况下,温室内各处速度为零,也就是温室内只靠热力的浮升与扩散并不能产生有效的气流组织,基本没有气体流动,选取了 z =16m 断面的速度场分布图,如图 2 所示。【图2】
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  通过对温室模型的初步分析可以看出: 冬季温室的速度场分布状况很不理想,温室内的氧气与二氧化碳不能很好地流通,容易造成二氧化碳浓度过高或过低等问题,影响植物的光合作用及呼吸作用,不能为植物的生长提供良好的环境。因此,提出温室内气流组织的优化。
  
  4 模型初步优化

  冬季温室并不进行通风换气,因此在温室中加入内循环风扇对于形成理想的气流组织、充分混合室内空气有很大的帮助。根据实验温室的实际情况,结合相关资料,按照每分钟温室体积唤起率不低于0. 3 次的要求,在温室中添加 2 台内循环风扇,放置于温室的对角线上。同时,选取截面 z=16m 进行分析,图 3 为该截面的速度矢量分布图。从图 3 可以看出:

  由于内循环风扇的作用,在靠近中部下方和倾斜面处的速度最大,速度矢量密集; 在靠近地面附近的速度矢量向上,在倾斜面附近的速度矢量向下,形成了一个循环圈,室内产生了一个较好的速度场。【图3】
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  取 y=0. 25m 的截面进行分析,图 4 为该截面的速度等值线图。由图 4 可以看出: 温室大部分区域都已经有了速度分布,靠近两侧的等值线密集,速度变化较大,中间部分速度变化平缓。【图4略】
  
  对温室整体的速度场也进行了分析,图 5 为温室整体的速度矢量图。从图 5 可以看出: 在内循环风扇附近,矢量图密集,风速较大; 在图中标注迹线,表明室内的气体由于内循环风扇的作用,在室内流动形成了循环圈,出现了较好的气流组织。【图5略】
  
  5 结论

  从温室模型模拟结果可以看出: 在不进行通风的情况下,冬季温室内气体不流通,没有形成有效的气流组织,温室环境不理想。在温室中增加内循环风扇进行初步优化后,根据相应的模拟结果可以看出: 温室内出现较好的气流组织,不仅改善了气体停滞状态,而且有助于改善温度场的均匀性,使温室整体环境有了很大的提高,优化了植物的生长环境。选择最佳的位置安置内循环风扇,使温室内达到最佳的气流组织,这是以后研究的主要方向。

  参考文献:

  [1] 齐飞. 我国温室及配套设备产业现状及发展趋势[J]. 上海农业学报,2005,21( 1) : 53-57.
  [2] 佚名. 温室内循环风扇之作用与安装[DB/OL]. ( 2012-03-01) .
  [3] 赵雯倩. 计算流体力学在温室通风中的应用研究[J]. 农业科技与装备,2011( 8) : 23-27 .

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