彭淑英 繆智昕

高大空間展覽溫室自然通風CFD模型構建

彭淑英 繆智昕

（上?？睖y設計研究院有限公司 上海 200434）

為了解高大空間展覽溫室自然通風下的氣候特點，以華東地區(qū)某高大空間展覽溫室為例，結合植物多孔介質模型，建立了展覽溫室的全尺度三維自然通風CFD模型，并進行了現(xiàn)場實測?，F(xiàn)場實測與數(shù)值模擬結果表明：晴天工況和陰天工況下，數(shù)值模擬溫濕度場與實測值基本吻合，平均溫度的模擬值與實測值誤差在11.17%以內，平均相對濕度的模擬值與實測值誤差在15.56%以內。建立的高大空間展覽溫室的CFD模型是可行的。

展覽溫室；自然通風；數(shù)值模擬；多孔介質

0 引言

CFD是解析建筑環(huán)境工學中的各種問題和環(huán)境設計的強有力的工具[1]。近幾年CFD技術在設施園藝領域的應用主要集中在溫室微氣候模擬方面。它以流體質量、動量和能量三大守恒方程為數(shù)值計算的理論依據(jù)，結合流體湍流模型對溫室內氣流模式和溫濕度、濃度等因子的空間分布進行二維或三維模擬和預測，并將結果可視化；可以靈活地設定模擬因素的可變及不變；對一些可變因素，如外界氣候條件，溫室類型及尺寸等，可以任意進行變換。其它的研究方法需要完美的試驗設計，精密的儀器及準確的測量才能得到可信的結果，CFD方法則能節(jié)省時間、勞動力及花費[2]。

自然通風是利用溫室內外溫差與風力作用造成室內外空氣壓差，而進行室內外空氣交換以排除室內余熱余濕以及提供植物生長所需的二氧化碳的技術措施。這種通風方式基本上不消耗或很少消耗動力能源。盡管利用自然通風改善建筑熱濕環(huán)境多年來得到了廣泛應用，但如何通過合理設計進出風口的位置、面積來改善高大空間熱濕環(huán)境等方面仍存在許多問題有待于進一步研究，而CFD方法是解決這一問題的有效方法，利用CFD方法可以預測高大空間的溫濕度場從而進一步優(yōu)化改善其熱濕環(huán)境。本文擬采用CFD方法數(shù)值模擬某高大空間展覽溫室自然通風的溫濕度場，并采集了現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對仿真結果進行了驗證。

1 材料與方法

圖1 展覽溫室

該展覽溫室為江蘇省連云港薔薇湖生態(tài)保護區(qū)展覽溫室，位于東經(jīng)118.24°，北緯33.59°。溫室有3個圓形組成，總面積為5225.6m2。溫室左側圓頂?shù)孛姘霃綖?0m，高22m；中間圓頂?shù)孛姘霃綖?0m，高16m；右側圓頂?shù)孛姘霃綖?2m，高19m；中間圓頂?shù)孛鎴A心與左側圓頂?shù)孛鎴A心相距37.992m，兩圓心連線與正南方向夾角為25.18°，右側圓頂?shù)孛鎴A心與中間圓頂?shù)孛鎴A心相距34.61m，與正南方向夾角為87.97°。植物區(qū)面積約有3900m2，建模時植物區(qū)簡化處理，植物區(qū)邊緣距溫室地面圓弧約為4m，高度取植物平均高度3m。溫室頂部開有三個天窗，天窗面積從左至右分別為131.4m2、61.8m2、72.7m2，測試時溫室下部未開窗，自然進風口為西南方向的三個門，門的面積從左至右分別為12.5m2、12.2m2、22m2，溫室左側圓頂北部門未開啟，面積為34.42m2。展覽溫室詳見圖1。該展覽溫室圍護結構為雙層ETFE膜，ETFE膜厚度0.25mm，空氣間層50mm。

現(xiàn)場測試分別于2018年5月23號14:30至16:00、2018年5月24號9:30至11:00進行。測試時溫室天窗和西南方向的三個門全開。第一次測試時天氣晴好無云，風向為西南風。第二次測試時天氣為陰，風向為西南風。測試參數(shù)為室內外氣象參數(shù)。測試儀器見表1。測點布置見圖2，植物區(qū)平面坐標以左側圓頂?shù)孛鎴A心為坐標原點，植物區(qū)所有測點離地面約為1m。測試數(shù)據(jù)每半個小時采集一次，測試期間氣象參數(shù)比較穩(wěn)定；植物區(qū)測點溫濕度由干濕球溫度計采集，同時采集該處測點的土壤溫度以及溫室膜表面溫度，土壤溫度以及溫室膜溫度由手持式紅外測溫儀測量；豎向測點由溫濕度記錄儀采集，溫濕度記錄儀置于防輻射罩內；采樣結束后，所有測試數(shù)據(jù)均取均值處理。

圖2 測點布置

表1 測試儀器

2 數(shù)值建模

2.1 基本控制方程及湍流模型

自然對流的計算中，通常采用瑞利數(shù)R作為湍流或層流的判斷依據(jù)。由于溫室尺度很大（高度達22m），使得瑞利數(shù)R遠大于1010，參考相關文獻的試驗數(shù)據(jù)亦可以發(fā)現(xiàn)，自然對流情況下溫室內氣流場瑞利數(shù)R遠大于1010，室內氣流通常可認為是湍流流動[2-7]。自然通風情況下溫室內空氣為不可壓縮理想氣體，溫室內空氣流動同時滿足能量守恒方程、動量守恒方程、質量守恒方程，上述方程可用通用形式描述[3,6,8-15]：

當=1時，該方程為連續(xù)方程；為速度分量時，該方程為動量方程；為溫度時，該方程為能量方程。利用式（1）直接計算求解湍流運動時對內存空間和計算要求非常高，在目前還不可能在實際工程中采用此方法，通常引入湍流模型進行簡化處理[16]。本文選取標準湍流模型進行模擬計算，在溫室通風研究中，該模型收斂性較好，且計算結果和實驗數(shù)據(jù)有較好的吻合度[5,6,10,12,17-23]。近壁區(qū)湍流未充分發(fā)展，需加入標準壁面函數(shù)。激活不可壓縮理想氣體模型描述熱浮力的影響。激活組分輸運模型，模型中空氣假設為水蒸氣和干空氣的混合物，彼此之間沒有發(fā)生化學反應，通風過程中各組分傳輸滿足組分守恒定律。采用DO輻射模型計算室外太陽輻射對室內微環(huán)境的影響，采用solar ray tracing算法計算太陽輻射。

2.2 多孔介質模型

參考國內外文獻，采用多孔介質模型來模擬植物的影響。為了反映植物對空氣有拖動效應，通過基本控制方程的動量方程源項來體現(xiàn)，這個源項有兩部分構成，一部分是粘性損失即Darcy定律，另一部分是內部阻力損失。假設植物為各向同性，對于同質多孔介質來說[24]：

考慮到植物冠狀層內空氣速率很小，因此粘滯阻力通?？梢院雎裕灾恍枰嬎銘T性阻力，即：

動量方程中單位體積植物冠層阻力引起的源項可轉化為：

式中，I為葉面積密度（定義為葉面積指數(shù)與植物高度的比值），C為單位體積植物冠層的慣性損失系數(shù)，C通常由風洞試驗測得,對于不同的形狀和大小的植物差別很小[25]，這里C取=0.32，根據(jù)文獻葉面積指數(shù)取6m2/m2，葉面積密度取2m2/m3，可得慣性阻力系數(shù)為1.28m-1。

室內空氣與植物之間除了質量交換之外還有能量交換。為了反映植物與空氣之間的能量交換，通過基本控制方程的能量方程源項來體現(xiàn)，能量交換包括顯熱和潛熱，可表示為：

其中，內部氣流速度小于0.1ms-1，取

采用多孔介質模型來模擬植物對空氣流動的拖動效應通過源項加載到動量方程中體現(xiàn)。溫室內植物在自然通風條件下將截獲的太陽輻射以顯熱和潛熱的形式與周圍空氣進行質熱交換，溫室中植物冠層與室內空氣存在溫差，植物—環(huán)境之間顯熱交換量主要由植物冠層的空氣動力學特性決定，植物和環(huán)境之間的顯熱和潛熱交換是一個動態(tài)過程，顯熱交換以能量的形式進行，計算所得的顯熱能量在能量控制方程中以源項的形式進行自定義。植物吸收太陽輻射通過蒸騰作用轉化成汽化潛熱，并影響溫室內相對濕度的分布，以自定義源項的形式增加到組分方程中求解。

2.3 離散化及邊界條件

計算域的選取和網(wǎng)格劃分的精細程度會對計算精度產(chǎn)生直接影響?？紤]到展覽溫室尺寸較大以及計算機的實際計算能力，以溫室實際空間為計算域建立模型。本文利用ICEM CFD 18.0劃分非結構化四面體網(wǎng)格，并在天窗及入口處進行加密處理，以適應流場梯度變化大的要求，經(jīng)反復嘗試，最終生成4486075個網(wǎng)格。

邊界條件依據(jù)實驗數(shù)據(jù)設置，見表2。第一次測試時風向為西南風，溫室入口位于西南方向。因此本文并未采用多數(shù)文獻直接給出入口處風速的做法，而是將入口處風速轉換成風壓，嘗試采用以通風口入口（vent-inlet）設定風壓給定邊界條件的方法來對通風狀況下溫室內環(huán)境進行模擬[26]，避免擴大計算域導致的運算量較大的問題，天窗邊界條件設置為通風口出口（vent-outlet）邊界。風速轉換成風壓的公式為：

表2 邊界條件

材料的熱學和光學屬性見表3所示。

表3 材料光學和熱學屬性

2.4 求解方法

求解過程是利用分離求解器以求解壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）進行迭代計算求解。選擇體積力加權法進行壓力離散。求解時，求解器設為穩(wěn)態(tài)分析，以一階迎風格式計算，能量殘差收斂標準設為10-6，其他變量殘差收斂標準設為10-3。數(shù)值仿真以ANSYS Fluent 18.0作為通用CFD求解器。

3 結果與分析

3.1 CFD模型驗證

圖3給出了溫室內各測點的溫度實驗值和模擬值。從圖3可以看出第一次時溫度模擬值與實測值偏差在0.1～2.1℃之間，最大誤差為7.95%，平均誤差2.64%；相對濕度模擬值與實測值偏差在0～9%之間，最大誤差為15.56%，平均誤差9.81%。第二次測試時溫度模擬值與實測值偏差在0～2.3℃之間，最大誤差11.17%，平均誤差3.04%；相對濕度模擬值與實測值偏差在0%～10%之間，最大誤差14.29%，平均誤差為6.58%。距地面1m的平面測點1～測點20的溫度模擬值較實測值大，其原因在于數(shù)值模型中忽略了溫室地面蒸發(fā)作用和溫室景觀水池水面蒸發(fā)作用，豎向測點21～測點29溫度模擬值較實測小，可能的原因儀器懸掛在高空，無樹木遮擋，受到太陽輻射作用使測量值升高；因溫濕度的耦合作用，相對濕度的情況相反。數(shù)值模擬結果能夠較真實有效地反映實際溫室內溫、濕度情況。

3.2 溫室內流場分析

（1）溫室內溫濕度、速度水平分布

（a）晴天工況

（b）陰天工況

圖4 溫室內距地1m處橫向溫濕度分布

Fig.4 The air temperature and RH at the=1m plane

晴天工況和陰天工況下溫室內距地1m處水平面溫濕度分布見圖4。由圖可知，受作物冠層阻力作用，溫室入口處溫濕度梯度明顯，因溫室外溫度比溫室內溫度要高，溫室入口處的溫度較高，受溫室內植物產(chǎn)濕影響，室內相對濕度遠大于室外相對濕度，在左側圓頂中部附近相對濕度達到最大。陰天工況下相對濕度遠大于晴天工況下的相對濕度。

晴天工況和陰天工況下溫室內距地1m處水平面速度分布見圖5。由圖5可知，進風口至植物區(qū)附近速度梯度明顯，整個植物區(qū)速度較小，表明自然通風情況下植物的阻力作用對溫室內氣流有明顯影響。

（a）晴天工況

（b）陰天工況

圖5 溫室內距地1m處水平面速度分布

Fig.5 The air velocity and RH at the=1m plane

（2）溫室內溫濕度、壓強、速度垂直分布

分別選取溫室入口中點處過對應圓頂?shù)孛鎴A心垂直截面，晴天工況下其溫濕度、壓強、速度矢量垂直分布見圖6。由圖6可知，溫室內熱壓作用明顯，出現(xiàn)明顯的垂直壓力梯度。由于溫室高度達22m，而自然通風進風口位于底部且開口不大，因而中和面位置接近天窗；中部圓頂天窗以下均為負壓，導致中部圓頂天窗出現(xiàn)回流，受回流影響中部圓頂室內空氣溫度較其他區(qū)域高，相對濕度較其他區(qū)域低。室外空氣溫度高于室內空氣，進風氣流直接受熱浮力作用攀升進而由天窗排出。

圖6 晴天工況下溫濕度垂直分布

Fig.6 Vertical distribution of temperature and relative humidity under clear weather conditions

陰天工況下溫室內溫濕度、壓強、速度矢量垂直分布見圖7。由圖7可知，陰天工況下溫室內通風主要受風壓作用影響。由于入口風速較小，室外空氣對溫室氣流的影響主要在進風口處，溫室內大部分區(qū)域溫濕度較為均勻，溫度大致在22℃左右，相對濕度大致在75%～80%。室外空氣溫度高于室內空氣，進風氣流直接受熱浮力作用攀升進而由天窗排出。

晴天工況與陰天工況下，進風口附近溫濕度均出現(xiàn)明顯的梯度，溫室最底部即植物冠層內部氣流流速明顯減弱，冠層上方流速較快，表明植物作物冠層的阻力作用對室內氣流分布模式有影響。

圖7 陰天工況下溫濕度垂直分布

Fig.7 Vertical distribution of temperature and relative humidity under cloudy weather condition

4 結論

（1）構建了高大空間展覽溫室自然通風CFD模型，通過現(xiàn)場2組實驗表明了CFD計算值與各測點平均溫濕度實測值基本吻合，平均溫度的模擬值與實測值誤差在11.17%以內，平均相對濕度的模擬值與實測值誤差在15.56%以內。采用多孔介質模型和組份傳輸模型所建立的CFD數(shù)值模型有效。

（2）進風口附近溫濕度出現(xiàn)明顯的梯度，植物冠層內部氣流流速明顯減弱，冠層上方流速較快，表明植物作物冠層的阻力作用對室內氣流分布模式有影響。

（3）晴天室內溫度較陰天時略高，相對濕度則略低，太陽輻射強度對植物蒸騰影響明顯。晴天溫室內通風受熱壓作用影響顯著，陰天工況室內通風主要受風壓作用影響。晴天和陰天工況下進風溫度均比室內溫度高，進風氣流直接受熱浮力作用攀升進而由天窗排出。

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CFD Modelling of Natural Ventilation of the Large Space Exhibition Greenhouse

Peng Shuying Miao Zhixin

( Shanghai survey and design research institute Co., Ltd, Shanghai, 200434 )

In order to understand the climatic characteristics under natural ventilation in a large space exhibition greenhouse, a three-dimensional natural ventilation CFD model was established for a large space exhibition greenhouse in East China. The numerical simulation results show that:the numerical simulation of temperature and humidity field is basically in agreement with the measured value. The error between simulated and measured values of average temperature is less than 11.17%, and the error between simulated and measured values of average relative humidity is less than 15.56%. The CFD model of large space exhibition greenhouse established in this paper is feasible.

Exhibition Greenhouse; Natural Ventilation; Numerical simulation; Porous media

TU831

A

1671-6612（2019）05-542-08

彭淑英（1966-），女，本科，高級工程師，E-mail：534251190@qq.com

2018-10-16