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1、哈爾濱冬季溫室的氣流組織情況分析
引言
隨著農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展,設(shè)施農(nóng)業(yè)在我國得到了廣泛的應(yīng)用。目前,我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積達到了 140 萬hm2,已成為世界第一大設(shè)施栽培大國。其中,溫室已經(jīng)達到了 500hm2多,而且每年大型溫室的增長量都達上百公頃,日光溫室在寒冷的北方廣受青睞。冬季為了保持室溫,溫室密閉且不進行通風(fēng),室內(nèi)空氣處于停滯狀態(tài)。停滯的空氣會導(dǎo)致植物表面形成境界層,影響作物的生理作用,并且為病害繁殖創(chuàng)造了良好的環(huán)境; 在極寒冷的地區(qū),冬季溫室還會引入加熱設(shè)備,停滯的空氣使熱量不能有效地擴散,也會造成溫度分布不均勻和溫度偏低等現(xiàn)象,影
2、響植物的正常生長。優(yōu)化溫室的氣流組織,使溫室內(nèi)氣體流動,可以在一定程度上解決上述問題,改善溫室環(huán)境,提高溫室產(chǎn)量。
1 模型及計算條件
1. 1 溫室?guī)缀文P?
實驗采用哈爾濱地區(qū)某日光溫室,溫室冬季采用熱水供熱系統(tǒng)。溫室全長 60m,中部被 pc 板隔開,形成兩個溫室環(huán)境,實驗選取其中一個。實驗溫室長27. 5m,跨度 7m,脊高 3. 5m,后墻高 2. 5m,后坡水平投影 1. 5m。日光溫室?guī)缀文P腿鐖D 1 所示?!緢D1】 1. 2 溫室 CFD 模型
1. 2. 1 湍流模型
參考相關(guān)文獻,加熱條件下溫室內(nèi)氣流可看成湍流流動。三維湍流數(shù)值模擬方法可以
3、分為直接數(shù)值模擬方法和非直接數(shù)值模擬方法兩種。其中,非直接數(shù)值模擬方法又分為大渦模擬、統(tǒng)計平均法和Reynolds 平均法 3 種。Reynolds 平均法對工程實際應(yīng)用可以取得很好的效果,而且避免了大計算量的問題,因此是目前使用最為廣泛的湍流數(shù)值模擬方法。
根據(jù)溫室的情況及各數(shù)值模擬方法的適用范圍,選取Reynolds 平均法中的標(biāo)準(zhǔn) k - ε 模型進行數(shù)值模擬計算。標(biāo)準(zhǔn) k - ε 模型的輸運方程為【1】 其中,Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能 k 的產(chǎn)生項; Gb是由于浮力引起的湍動能 k 的產(chǎn)生項; YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻; C
4、1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù); σk、σε分別是與湍動能 k 和耗散率 ε 對應(yīng)的Prandtl 數(shù); Sk、Sε是用戶定義的源項。
高 Re 數(shù)的湍流模型針對充分發(fā)展的湍流才有效; 對近壁區(qū)內(nèi)的流動,湍流發(fā)展并不充分,必須采用特殊處理方式,可以采用低 Re 數(shù) k - ε 模型或壁面函數(shù)法。低 Re 數(shù) k - ε 模型要求在近壁面區(qū)域劃分比較細(xì)密的網(wǎng)格,而壁面函數(shù)法不需要在壁面區(qū)加密,因此實驗采用壁面函數(shù)法處理近壁面區(qū)域。
1. 2. 2 基本控制方
5、程
實驗?zāi)P瓦x擇的溫室冬季室外氣溫很低,因此并不會開窗通風(fēng),室內(nèi)氣體壓強變化不大。根據(jù)溫室內(nèi)氣流特點,為了便于處理溫差帶來的浮升力項,采用Boussinesq 來簡化加熱空氣產(chǎn)生的自然對流。
流體流動要受物理守恒定律的支配,基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。如果流動處于湍流狀態(tài),系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程??刂品匠痰耐ㄓ眯问綖椤?】 其中,Φ為通用變量,可以代表 u 、v 、w 、T 等求解變量; Γ 為廣義擴散系數(shù); S 為廣義源項。
1. 2. 3 輻射模型
溫室受加熱設(shè)備的熱輻射影響,同時熱輻射也是溫室夜間熱
6、量損失的重要原因之一,溫室內(nèi)環(huán)境通過輻射相互及與外界進行能量交換。實驗溫室采用熱水供熱系統(tǒng),傳熱方式主要有輻射和對流,大部分熱量是通過輻射傳遞到周圍環(huán)境中的。CFD 可以提供 5種輻射模型,其中離散坐標(biāo)輻射模型( DO 模型) 使用范圍最廣,計算范圍涵蓋了從表面輻射、半透明介質(zhì)輻射到燃燒問題中出現(xiàn)的介入輻射在內(nèi)的各種輻射問題。考慮到半透明介質(zhì)、空氣對輻射的吸收率較低并且需要進行耦合傳熱計算等問題,選取 DO 模型計算輻射的影響。輻射方程為【3】 其中,r→為位置向量; s→為方向向量;→s 為散射方向; a 為吸收系數(shù); n 為折射系數(shù); σs為散射
7、系數(shù); σ 為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù); I 為輻射強度,依賴于 r→、s→; T為當(dāng)?shù)販囟? F 為相位函數(shù); O 為空間立體角。
2 網(wǎng)格的劃分及邊界條件選擇 2. 1 計算域網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格是 CFD 模型的幾何表達形式,也是模擬與分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對 CFD 的計算精度和計算效率具有重要的影響。網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類。其中,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有極好的適應(yīng)性,對于具有復(fù)雜邊界的流場問題尤其有效。根據(jù)溫室的情況,采用了非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進行了劃分,并對熱水管道進行了網(wǎng)格的加密。
2. 2 邊界條件
冬季溫室不與外界進行通風(fēng),而且內(nèi)部只存在
8、流固耦合傳熱,邊界條件全部設(shè)置為 Wall,地面給定實際測量的固定溫度,墻體及覆蓋材料為對流與外部輻射相結(jié)合的邊界類型。實驗溫室模型中沒有考慮植物的影響。
3 CFD 模擬分析
實驗?zāi)M了白天供暖情況下溫室的狀態(tài)。通過對比模型所得溫室溫度與實測溫室溫度,來驗證模型的準(zhǔn)確性。取室外溫度為-14. 85 ℃ 進行了模擬,選取了 72 個點測量溫度,并與實驗所得各點的溫度值進行了比較,最大誤差為 1. 5℃,可以認(rèn)為模型建立基本準(zhǔn)確。
首先對不通風(fēng)情況下的溫室模型的速度場進行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在不通風(fēng)的情況下,溫室內(nèi)各處速度為零,也就是溫室內(nèi)只靠熱力的浮升與擴散并不能產(chǎn)生有效的氣
9、流組織,基本沒有氣體流動,選取了 z =16m 斷面的速度場分布圖,如圖 2 所示?!緢D2】 通過對溫室模型的初步分析可以看出: 冬季溫室的速度場分布狀況很不理想,溫室內(nèi)的氧氣與二氧化碳不能很好地流通,容易造成二氧化碳濃度過高或過低等問題,影響植物的光合作用及呼吸作用,不能為植物的生長提供良好的環(huán)境。因此,提出溫室內(nèi)氣流組織的優(yōu)化?! ? 模型初步優(yōu)化
冬季溫室并不進行通風(fēng)換氣,因此在溫室中加入內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇對于形成理想的氣流組織、充分混合室內(nèi)空氣有很大的幫助。根據(jù)實驗溫室的實際情況,結(jié)合相關(guān)資料,按照每分鐘溫室體積喚起率不低于0. 3 次的要求,在溫室中添加 2 臺內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇,放
10、置于溫室的對角線上。同時,選取截面 z=16m 進行分析,圖 3 為該截面的速度矢量分布圖。從圖 3 可以看出:
由于內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇的作用,在靠近中部下方和傾斜面處的速度最大,速度矢量密集; 在靠近地面附近的速度矢量向上,在傾斜面附近的速度矢量向下,形成了一個循環(huán)圈,室內(nèi)產(chǎn)生了一個較好的速度場?!緢D3】 取 y=0. 25m 的截面進行分析,圖 4 為該截面的速度等值線圖。由圖 4 可以看出: 溫室大部分區(qū)域都已經(jīng)有了速度分布,靠近兩側(cè)的等值線密集,速度變化較大,中間部分速度變化平緩?!緢D4略】 對溫室整體的速度場也進行了分析,圖 5 為溫室整體的速度矢量圖。從圖 5 可以看出:
11、 在內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇附近,矢量圖密集,風(fēng)速較大; 在圖中標(biāo)注跡線,表明室內(nèi)的氣體由于內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇的作用,在室內(nèi)流動形成了循環(huán)圈,出現(xiàn)了較好的氣流組織?!緢D5略】 5 結(jié)論
從溫室模型模擬結(jié)果可以看出: 在不進行通風(fēng)的情況下,冬季溫室內(nèi)氣體不流通,沒有形成有效的氣流組織,溫室環(huán)境不理想。在溫室中增加內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇進行初步優(yōu)化后,根據(jù)相應(yīng)的模擬結(jié)果可以看出: 溫室內(nèi)出現(xiàn)較好的氣流組織,不僅改善了氣體停滯狀態(tài),而且有助于改善溫度場的均勻性,使溫室整體環(huán)境有了很大的提高,優(yōu)化了植物的生長環(huán)境。選擇最佳的位置安置內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇,使溫室內(nèi)達到最佳的氣流組織,這是以后研究的主要方向。
參考文獻:
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