自然通风条件下多塑料大棚群温度场的CFD分析

宋　炜，王新忠，沙刘云

(1.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江　212013；2.昆山市永宏温室有限公司，江苏 昆山　215332)



自然通风条件下多塑料大棚群温度场的CFD分析

宋炜1，王新忠1，沙刘云2

(1.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江212013；2.昆山市永宏温室有限公司，江苏 昆山215332)

摘要：为了研究多个塑料钢管大棚组成的温室群环境温度分布情况，采用标准k-ε湍流模型和DO辐射模型建立相应的温室群数值模型，在自然通风条件下对塑料钢管大棚内温度分布进行了CFD分析和试验验证。结果显示：CFD模拟值与实测值吻合性良好，平均相对误差为4.2%，验证了所建CFD模型的可行性。采用此模型分析了大棚间距对棚内温度分布的影响，结果表明：增加大棚间距能够降低后排室内的平均温度，提高温度分布的均匀性，减小温室之间的平均温差。

关键词：塑料大棚；间距；温度场；CFD模拟

0引言

近年来，我国的温室建造总面积一直处于世界首位[1]，但多以塑料大棚和日光温室等简易温室为主。随着设施农业向规模化发展，各地在建造过程中多呈现出温室群落型的特点，即在有限的土地面积上建造多个同规模的温室形成温室群。这种大型温室群的布局，有利于提高土地利用率，便于统一化管理，提高生产效益，因此近年在长江中下游流域设施农业示范园区内温室群落得到迅速发展。由于温室群布局会影响到室内环境因子，对塑料大棚温室群在自然通风条件下室内温度分布研究有待开展。

目前，在温室温度场分布的研究中，主要以单栋或连栋温室为对象：Ould Khaoua[2]研究了自然通风下不同天窗配置对四连栋温室内温度场的影响，发现开窗配置不同，温度场的分布会有很大差异；Teitel[3]则以风向对四连栋温室自然通风下室内温度场分布的影响展开研究，得出不同风向也会得到不同的温度场分布；沈明卫与郝飞麟[4-6]等人针对单栋塑料温室内温度场的分布进行预测和分析，验证CFD模型能够有效地预测温室环境的变化，指出通风是影响温室温度分布的一个重要因素，并在此基础上针对影响通风的各种因素以及室内作物对室内温度场影响进行了进一步研究；程秀花[7,8]则针对连栋玻璃温室自然通风条件，分析了不同环境因素对温室内温度场的影响。从相关文献[9-11]中不难看出：无论是单栋还是连栋，塑料大棚还是玻璃温室，研究者在研究中多将独立的温室作为对象，简化或者忽略温室周围建筑环境对温度场的影响，针对多个温室大棚之间相对位置对于温度场分布影响的研究相对较少。在温室温度场分布研究方法方面，利用计算流体动力学(CFD)软件已经成为主要的研究手段。相比传统研究方法，CFD能够快速准确地反映出不同状态下室内温度分布情况，并从计算结果中获得丰富数据，方便更深入地进行温室环境的研究，大大缩减了成本和时间。

针对温室群布局中塑料钢管大棚温度场分布问题，采用CFD技术，在自然通风条件下对多种温室间距下的大棚内温度场进行稳态模拟，分析塑料大棚温室群布局下大棚温度场的分布规律。

1试验方案与CFD建模

1.1试验对象

试验对象为江苏省镇江市瑞京示范园内塑料钢管大棚温室群，处于东经119°31′、北纬32°11′，温室群为南北走向，自西向东横向排列，为两排22列。试验对象选取示范园内西北角排头的3栋温室。每栋钢管大棚尺寸为5.2m(宽)×2.4m(高)×28m(长)，肩高1.15m，覆盖材料为塑料薄膜，厚度0.1mm。温室左右两侧均有卷膜侧窗，侧窗下沿离地高度为0.4m，侧窗开启高度为0.6m，侧窗内装有32目防虫网，屋顶为拱形，没有天窗。山墙一侧中央设有山墙门，门尺寸为0.75m(宽)×1.8m(高)，相邻温室的间距为1.65m，如图1所示。其中，取正东方向为X轴正方向，正南方向为Z轴正方向，Y轴为高度方向，西北角为坐标原点。试验期间温室为休整期，内部无种植作物。

图1　大棚温室群几何尺寸模型示意

1.2试验方法

试验时间为2014年10月18日早8:30-16:30，测量期间温室为自然通风状态，侧窗和山墙门全部打开。试验过程中，在每个温室内距地面0.2、0.8、2m处吊装ZDR-3WIS型温度自动记录仪(测量精度为±0.1℃，测量范围-50～100℃)，每个温室内共布置了3层，每层12个测量点，数据记录间隔为3min。传感器布置示意图如图2所示。室外环境采用TYD-ZS2型环境数据记录仪记录数据，该仪器温度测量精度±0.1℃，测量范围-40～80℃，风速精度0.1m/s，测量范围0～70m/s，风向精度1°，测量范围0°～360°，记录时间间隔为1min。取13:00时刻的状态为模拟验证状态，测得此时室外环境风速2m/s，温度27.7℃。其中，A大棚处于上风向，C大棚处于下风向，利用红外测温仪FLUKE Infrared Thermometers 568(红外温度范围-40～800℃，精度：0℃以上时为±1%或±1℃)测量大棚内6个面的温度，每15min记录1次。

图2　温度传感器布置示意图

2CFD数值模型

2.1计算域与网格划分

为避免人为加载的边界条件改变边界空气流动状态的情况出现，设置外部计算域以消除这种影响。采用ICEM CFD14.0软件对试验对象进行1:1数字建模，数字模型的计算域尺寸设为100m(宽)×10m(高)×145m(长)。其中，山墙门距离计算域边界为58m，侧窗距离边界40m。综合考虑模拟精度和计算机工作性能，对模型采用四面体网格划分，网格单元最大尺寸为500mm，在空气流动较为复杂的侧窗和山墙门处加大网格密度，对侧窗生成5层边界层，网格划分总数666.5万，其中3个大棚的网格总数为55.6万。

2.2边界条件与材料属性选择

塑料钢管大棚内空气运动的雷诺数普遍偏大[12]，所以数字模型采用标准k-ε湍流模型。假设空气流动符合标准壁面函数，选择DO辐射模型加载到覆盖层计算太阳辐射的影响。迎风向入口设为速度进风口条件，背风向出口设为风速流出条件。大棚各面的温度为13:00时刻的试验记录值，其材料属性如表1所示。

表1　大棚CFD模型中材料属性相关参数

3结果与讨论

3.1模型的验证

建立CFD模型后，在ANSYS FLUENT14.0环境下进行计算，并对大棚内各试验测点采用测量值与模拟值进行对比。图3分别表示大棚内不同高度上布点的实测值与模拟值比较。

图4(a)、(b)、(c)分别表示大棚内0.2、0.8、2.0m高度平面上实测值与模拟值的比较。从图4中可以看出：在0.2m高度平面，模拟值与实测值的最大差值为2.4℃，平均温差0.95℃，最大相对误差和平均相对误差分别为6.5%、2.6%；在0.8m高度平面，模拟值与实测值之间的最大差值为3.7℃，平均温差为1.85℃，最大相对误差和平均相对误差分别为9.74%、5.03%；在2.0m高度平面上，模拟值与实测值的最大差值为4.2℃，平均温差2.1℃，最大相对误差和平均相对误差为10.5%和5.3%。在3个平面上，温度的模拟值与实测值基本吻合。模拟值与实测值之间所产生的差值是因为室内气流的风向风速受室外风环境影响较大，在通风过程中是不断变化的，所模拟的稳态与实际瞬时状态有所区别。另外，大棚内部的地表面介质均为土壤，在作物种植区域土壤是裸露的，过道间的土壤表面铺盖有塑料薄膜，地表面的热辐射会有差异。加上大棚的长期使用，防虫网的渗透率和覆盖薄膜的透光率较理论值都会发生改变，这些都是导致模拟结果与实际测量值之间产生误差的原因。

但其整体上温度的模拟值与实测值较为一致，变化趋势也基本相同，模拟结果能够较为准确地反映温室内的温度分布，同时模拟精度能够达到目前CFD模型的平均水平[13]。因此，可以认为本模型所采用的边界条件是有效的，所建立的模型是可行的。

图3　不同高度平面温度的实测值与模拟值

3.2不同棚间距下温度场的分布

利用验证后的CFD模型，分析不同棚间距变化对大棚温室群棚内温度场的影响。由于通风进出口分布在0.4～1.0m高度范围内，温度在这个范围内变化较为明显，选取0.8m高度的平面温度云图来进行分析。1.6m间距时，从图4(a)中可以看出：A大棚中高温分布的面积要明显大于其他两个大棚，说明A大棚内的平均温度要高于B和C两个大棚；高温主要集中在南墙到中部区间，最高温度能达到37℃，平均温度约为34.1℃；在B、C棚中高温主要分布在南墙附近，北墙附近的温度明显低于南墙附近温度，大棚两侧温度相差巨大，最大温差分别达到4.1℃和3.8℃，平面平均温度分别为32.4℃和32.8℃。2.6m间距时，由图4(a)可知：A棚中高温部分发生移动，主要集中分布在室内中部，范围相比间距为1.6m时明显缩小，平面平均温度为31.8℃，比1.6m时下降了2.3℃；在B大棚中北墙附近的温度上升，与南墙的最大温差减小为2.5℃，在分布上，虽然相对高温的范围有所扩散，但平均温度变化不大，为32.1℃，不过室内温度分布均匀；C大棚中温度的变化与B相似，北墙附近的低温区域减小，南北温差减小，平均温度为31.2℃。3.6m间距时，由图4(c)可知：3个棚内高温范围面积进一步减小，在A和B大棚的北墙附近出现低温区，而C棚东北角附近温度较之前过渡平稳，没有温度突变的情况发生；3个大棚的平均温度较间距为1.6m时分别下降了2.4、1.1、0.6℃，的温差由1.6m时的1.7℃(A和B)、1.3℃(A和C)和0.4℃(B和C)，变为0.4℃(A和B)、0.5℃(A和C)和0.9℃(B和C)，大棚之间室内的平均温度趋于一致。

(a)　大棚间距1.6m　　 　　　　　　　　　　　 (b)　大棚间距2.6m　　　　　　　　　　　 (c)　大棚间距3.6m

4结论

1) 利用标准k-ε湍流模型和DO辐射模型建立了塑料大棚温室群模型，模拟了自然通风条件下的温度分布。模拟结果显示：3个不同高度平面上温度模拟值与实测值最大差值为3.7℃，平均温差为1.85℃，最大相对误差和平均相对误差为9.74%和5.03%。由此说明模拟值与实测值较为吻合，能够准确地反映温度分布，验证了CFD数值模型的有效性。

2)3个大棚内温度的分布在沿长度方向上均表现为中部温度最高，北墙附近的温度最低，温度分布存在梯度。大棚的相对位置会对自然通风产生一定影响。间距较小时，上风向的大棚会对下风向大棚的通风产生一定的遮挡作用，不利于后排A棚内的自然通风，室内温度要高于B、C室内温度。

3)增加大棚之间的间距不仅能够有效地降低下风向棚内的温度，减小棚内南北两侧的温度差，使棚内环境分布更加均匀，且在增加间距的过程中，棚与棚之间温度差也逐渐减小，环境条件趋于一致。

参考文献：

[1]齐飞,周新群,张跃峰,等.世界现代化温室装备技术发展及对中国的启示[J].农业工程学报,2008,24(10):279-285.

[2]Khaoua S A O, Bournet P E, Migeon C, et al. Analysis of greenhouse ventilation efficiency based on computational fluid dynamics[J].Biosystems Engineering, 2006, 95(1): 83-98.

[3]Teitel M, Ziskind G, Liran O, et al. Effect of wind direction on greenhouse ventilation rate, airflow patterns and temperature distributions[J].Biosystems Engineering, 2008,101(3):351-369.

[4]郝飞麟,沈明卫,张雅.单栋塑料温室内温度场CFD三维稳态模拟[J].农业机械学报,2012,43(12):222-228.

[5]郝飞麟,沈明卫,何勇，等.单栋塑料温室内多因子综合CFD稳态模拟分析[J].农业机械学报,2014,45(9):297-304.

[6]沈明卫,郝飞麟.两种风向下单栋塑料大棚内自然通风流场模拟[J].农业工程学报,2004,20(6):227-232.

[7]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):179-183.

[8]程秀花,毛罕平,倪俊.基于CFD的自然通风玻璃温室湿热环境模拟与测试[J].扬州大学学报：农业与生命科学版，2010,31(3):90-94.

[9]童莉,张政,陈忠购，等.机械通风条件下连栋温室速度场和温度场的CFD数值模拟[J].中国农业大学学报,2003,8(6):33-37.

[10]樊琦,俞永华,杨祥龙.连栋塑料温室自然通风系统数值模拟研究[J].农机化研究,2006(8):60-62.

[11]张起勋,于海业,张忠元，等.利用CFD模型研究日光温室内的空气流动[J].农业工程学报, 2012,28(16):166-171.

[12]Sase S, Takakura T, Nara M. Wind tunnel testing on airflow and temperature distribution of a naturally ventilated greenhouse[C]//International Symposium on Energy in Protected Cultivation 148，1983: 329-336.

[13]Ozcan S E, Vranken E, Berckmans D.A critical comparison of existing ventilation rate determination techniques for building opening and prospect for future[C]//Proceeding of the International Symposium on Air Quality and Waste Management for Agriculture，2007.

CFD Analysis of Temperature Distribution for Multi Naturally Ventilated Plastic Greenhouses

Song Wei1， Wang Xinzhong1， Sha Liuyun2

(1.School of Agricultural Equipment Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China; 2.Kunshan Yonghong Greenhouse Co.Ltd, Kunshan 215332,China)

Abstract：In order to research the temperature distribution in multi plastic pipe greenhouses, the standard k-ε turbulent model and DO radiation model were used for homologous numerical model. The measurement was conducted to validate the numerical model and CFD analysis was done for temperature distribution under natural ventilation. The results showed the simulated values and measured values matched well, the average relative error was 4.2%. Then the numerical model was used to predict the temperature distribution for different distances between greenhouses, the results showed increasing the distance between greenhouses could reduce the average temperature in the leeward greenhouse and increase homogeneity. The difference in average temperature among greenhouses cloud also decrease.

Key words：plastic greenhouse; distance; temperature distribution; CFD simulation

文章编号：1003-188X(2016)05-0204-04

中图分类号：S625.5+1

文献标识码：A

作者简介：宋炜(1987-)，男，河南洛阳人，硕士研究生，(E-mail) kimigly@126.com。通讯作者：王新忠(1969-)，男，石家庄人，教授，(E-mail) wangxinzhong@gmail.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD08B03)；江苏高校优势学科建设工程项目(苏政办发〔2014〕37号)

收稿日期：2015-04-25