李卓謙++邱施榮
摘要:本文簡要回顧了國內(nèi)外溫室環(huán)境數(shù)值模擬研究發(fā)展?fàn)顩r,淺析了前人的研究成果,比較了國內(nèi)外研究方向的異同。
關(guān)鍵詞:溫室;環(huán)境數(shù)值模擬研究;現(xiàn)狀分析
1.1前言
溫室作為植物生產(chǎn)的一種保護(hù)性設(shè)施,其主要的功能是實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的可控性。其中環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)包括自然通風(fēng)、濕簾風(fēng)機(jī)通風(fēng)降溫、噴霧降溫和輔助性遮陽網(wǎng)等降溫系統(tǒng)以及熱風(fēng)或熱水取暖和輔助性內(nèi)保溫幕等采暖系統(tǒng)。傳統(tǒng)研究溫室環(huán)境的方法常采用現(xiàn)場實驗測試,再通過統(tǒng)計分析得出有關(guān)環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律。隨著計算機(jī)技術(shù)水平不斷地提高,計算機(jī)模擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于各研究領(lǐng)域。1989年,Okushima首次將數(shù)值模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于溫室室內(nèi)環(huán)境研究。雖然限于當(dāng)時計算機(jī)硬件條件,模擬結(jié)果并不理想,但其為溫室環(huán)境的研究拓寬了思路。此后,溫室環(huán)境數(shù)值模擬研究工作如火如荼,國內(nèi)外研究者針對上述各調(diào)控方式溫室環(huán)境做了許多模擬研究工作,并取得了矚目的成果
1.2 國內(nèi)外溫室環(huán)境數(shù)值模擬研究進(jìn)展
1.2.1國外研究進(jìn)展
在國外, 早期的CFD技術(shù)的研究內(nèi)容相對較單一,最初對溫室的研究對象也是以小型溫室和比例溫室為主,對室內(nèi)的氣流場和溫度場的分布進(jìn)行二維模擬。
1995年VOLLEBREGT等模擬了荷蘭Venlo型溫室壁面與鄰近熱水管道系統(tǒng)之間的輻射和對流傳熱情況。模擬結(jié)果與他人實驗結(jié)果吻合較好,對流傳熱系數(shù)小于2.5%。實際溫室模擬結(jié)果表明,墻體吸收熱源的熱量和從墻體損失的熱量比例分別為20%,30%
1997年MISTRIOTIS等對圓拱型溫室室內(nèi)流場和溫度場分布進(jìn)行研究,并比較不同湍流模型得出RNGκ-ε模型吻合度比標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型要好,而CK模型更能再現(xiàn)室內(nèi)氣流的總體流動特性。
2000年LEE等對圓拱型溫室室外風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)口大小及室內(nèi)植物對通風(fēng)率和流場分布的影響進(jìn)行深入研究,通過引入多孔介質(zhì)作物模型、遮陽網(wǎng)多孔介質(zhì)跳躍模型和輻射模型,考慮了自然對流影響,壁面邊界采用固定溫度邊界條件。
2004年KACIRA等基于CFD驗證模型考慮作物影響,以室內(nèi)流場分布和通風(fēng)率為指標(biāo),對通風(fēng)口進(jìn)行模擬優(yōu)化設(shè)計對2跨連棟人字坡溫室進(jìn)行研究。
2005年Campen利用CFD對熱帶地區(qū)典型溫室類型進(jìn)行模擬優(yōu)化,比較分析了四種不同類型溫室的通風(fēng)效率及室內(nèi)溫度場。
2006年KHAOUA等在驗證CFD模型基礎(chǔ)上,對4跨連棟頂開窗人字坡溫室不同室外風(fēng)速和開窗形式室內(nèi)流場和溫度場分布情況進(jìn)行模擬研究,并以通風(fēng)率為指標(biāo),比較分析不同開窗方式的通風(fēng)效果。
2008年KIM等對單棟頂開窗人字坡溫室進(jìn)行研究,分別模擬分析了噴霧降溫和噴霧降溫+冷卻除濕工況室內(nèi)空氣相對濕度的分布。
2010年FIDAROS等模擬了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種情況室內(nèi)熱環(huán)境(包括溫度場和光合有效輻射PAR分布) 結(jié)果表明非穩(wěn)態(tài)模擬更能反映溫室通風(fēng)的真實情況。
1.2.2國內(nèi)研究進(jìn)展
國內(nèi)關(guān)于溫室CFD數(shù)值模擬的研究起步較晚,大部分成果都集中在近10年內(nèi)。
2004年李永欣等模擬Venlo型溫室研究室外遮陽系統(tǒng)與屋頂噴淋對室內(nèi)溫度場的影響。Standardκ-ε; 3D 提出了噴淋、遮陽網(wǎng)等邊界條件的處理方法,并采用瞬態(tài)模擬;模擬結(jié)果的平均誤差為5%。
2005年朱文見;對采用圓翼型加熱方式的連棟圓拱型溫室夜間熱環(huán)境進(jìn)行了二維和三維模擬,并分析了散熱器和保溫幕布置方式與供暖效率的關(guān)系。
2006年楊振超研究自然通風(fēng)情況下日光溫室室內(nèi)流場分布規(guī)律,并模擬分析了通風(fēng)面積比對溫室性能的影響。同年,傅寧等對單棟人字坡溫室運(yùn)用Airpak模擬機(jī)械通風(fēng)有作物情況下溫室溫度場和速度場。
2008年陳曉研究了Venlo型溫室濕簾風(fēng)機(jī)安裝高度、距離及內(nèi)遮陽對溫度場分布的影響。
2009年李本卿對Venlo型溫室模擬了在機(jī)械通風(fēng)下作物對溫度場和速度場的影響。
2010年吳飛青等對Venlo型溫室模擬夜間熱風(fēng)采暖溫室熱環(huán)境,并考慮作物影響;程秀花等對Venlo型溫室自然通風(fēng)工況,溫室內(nèi)濕空氣流場模擬,并考慮作物生理活動的影響
2011年何國敏;在自然通風(fēng)的條件下對Venlo型溫室模擬研究室內(nèi)溫度場和濕度場。
2012年穆大偉等對圓拱型連棟溫室及溫室群采用1:5三維模型,模擬分析室外風(fēng)速大小和方向?qū)厥沂覂?nèi)外流場的影響
2013年譚勝男等研究了在自然通風(fēng)條件下Venlo型溫室噴霧措施對室內(nèi)溫度場和濕度場的影響,引入濕空氣組分模型,提出了噴頭邊界條件的處理方法。
1.3總結(jié)
綜合國內(nèi)外關(guān)于CFD技術(shù)應(yīng)用于溫室環(huán)境系統(tǒng)的研究成果,主要包括兩方面:一是利用CFD技術(shù)優(yōu)化指導(dǎo)溫室物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計。二是在一定模式下如自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)、噴霧降溫等,研究溫室CFD模擬的有效性,并以此為基礎(chǔ)對溫室進(jìn)行環(huán)境預(yù)測。
此外,國內(nèi)外研究方向及重點(diǎn)也存在差異。(1)國內(nèi)學(xué)者對Venlo型溫室的模擬研究較多,模擬其他溫室如鋸齒型、哥特式型溫室的較少;(2)在對不同通風(fēng)工況研究方面,國外學(xué)者對溫室自然通風(fēng)工況的模擬研究較多,對機(jī)械通風(fēng)工況的模擬研究主要是針對畜禽舍環(huán)境,而國內(nèi)情形卻相反。原因可能與氣候環(huán)境條件有關(guān),我國大部分地區(qū)夏季都存在極端高溫天氣,自然通風(fēng)不能滿足降溫要求,溫室采用機(jī)械通風(fēng)降溫不可避免。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介 : 李卓謙,女(1989——),華南農(nóng)業(yè)大學(xué),碩士在讀,農(nóng)業(yè)建筑規(guī)劃與設(shè)施環(huán)境工程。
邱施榮,男(1988——),華南農(nóng)業(yè)大學(xué),碩士在讀,農(nóng)業(yè)建筑規(guī)劃與設(shè)施環(huán)境工程。endprint