張傳坤　魏珉　徐平麗　楊寧　劉波　王曉　孔祥華

摘要：為研究塑料薄膜覆蓋日光溫室夜間的保溫原理，運(yùn)用自然對流邊界層理論對日光溫室夜間垂直方向上的溫差分布進(jìn)行研究。結(jié)果表明：①試驗(yàn)溫室地面以上0.10 m內(nèi)、薄膜內(nèi)側(cè)0.10 m內(nèi)溫差積分占垂直方向上總溫差積分的比例分別為45.55%、34.54%;地面以上0.10 m處與薄膜內(nèi)側(cè)0.10 m處之間的距離為4.98 m，其溫差積分占總溫差積分的比例為19.91%。②試驗(yàn)溫室地面和薄膜內(nèi)側(cè)存在速度邊界層，夜間速度邊界層瑞利數(shù)（Ra）為1.66×1010～3.50×1010，為湍流邊界層。③日光溫室除去受到覆蓋物的保溫因素外，內(nèi)部空氣自然對流也產(chǎn)生層流底層，增大了傳熱熱阻，從而實(shí)現(xiàn)保溫作用。④多膜覆蓋、雙層膜、內(nèi)保溫等栽培設(shè)施將空氣分割成不同的空間，空氣在不同的空間內(nèi)分別進(jìn)行自然對流，在增加的膜的兩側(cè)分別產(chǎn)生層流底層，保溫效果優(yōu)于單層膜保溫效果，但保溫效果的增幅隨膜層數(shù)增加而降低。⑤試驗(yàn)期間溫室地面、薄膜內(nèi)側(cè)湍流邊界層厚度范圍為0.13～0.14 m、層流底層厚度范圍為5.01×10-3～5.90×10-3m，薄膜內(nèi)側(cè)層流底層對溫室的保溫作用為0.70～1.49℃。

關(guān)鍵詞：日光溫室;塑料薄膜;自然對流;邊界層;湍流邊界層;層流底層

中圖分類號(hào)：S625.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2020）05-0031-08

Abstract In order to study the heat preservation principle of plastic film at night， the temperature difference distribution in the vertical direction of solar greenhouse was studied with the theory of natural convection boundary layer as research foundation. The results were as follows. ①The proportion of temperature difference integral within 0.1 m above the ground and within 0.1 m under the plastic film was 45.55% and 34.54% respectively to the total temperature difference integral in the vertical direction. The distance from 0.1 m above the ground to 0.1 m under the film was 4.98 m， and the proportion of the temperature difference integral to the total temperature difference integral was 19.91%. ②There was a flow boundary layer close to the ground and the inside of film. The Rayleigh number （Ra） of the velocity boundary layer of the experimental greenhouse was calculated to be 1.66×1010～3.50×1010， which indicated that the velocity boundary layer was a turbulent boundary layer. ③In addition to the heat preservation caused by preservation quilt， the night heat preservation of the plastic film was realized by natural convection of the internal air to form a laminar flow bottom layer， which increased the heat transfer thermal resistance. ④The cultivation facilities such as multi-film mulching， double-layer film and internal heat preservation divided the air into different spaces， and the air flows naturally in different spaces. The laminar bottom layers produced on both sides of the increased film， so the heat preservation effect was better than that of single-layer film. But the increase of temperature preservation declined with the increase of film layers. ⑤The thickness of the turbulent boundary layer above the ground and under the film during the test was 0.13～0.14 m in the tested greenhouse， and that of the laminar flow bottom layer was 5.01×10-3～5.90×10-3 m. The heat preservation effect of the laminar bottom layer under the film was 0.70～1.49℃ during the experiment.

Keywords Solar greenhouse;Plastic film;Natural convection;Boundary layer;Turbulent boundary layer;Laminar bottom layer

塑料薄膜覆蓋栽培因其能夠提高作物生長環(huán)境的溫度、防止低溫冷害而在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。中國從20世紀(jì)50年代中后期開始引進(jìn)塑料薄膜應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，到80年代以日光溫室為主體的園藝栽培設(shè)施得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了地膜覆蓋、多膜覆蓋、雙層膜、日光溫室及其內(nèi)保溫等多種園藝設(shè)施栽培形式，設(shè)施園藝生產(chǎn)已經(jīng)成為中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的重要方面之一[1-5]。

科技人員對塑料薄膜夜間保溫已進(jìn)行了大量研究，如：地膜覆蓋增溫效應(yīng)[6-9]、三膜覆蓋栽培技術(shù)[10-14]、雙層覆蓋應(yīng)用效果及試驗(yàn)研究[15-21]等等。研究發(fā)現(xiàn)塑料大棚內(nèi)每增加一層覆蓋，可以提高夜溫1～2℃，其保溫效果具有累加效應(yīng)[22]。隨著量化方式的改進(jìn)，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)隨著薄膜層數(shù)的增多，多膜覆蓋夜間溫度增幅逐漸降低;塑料薄膜保溫并不是由于自身熱工參數(shù)引起的，而是受到其他因素影響，但對造成保溫的因素沒有進(jìn)一步研究[23]。

為避免拱棚內(nèi)外空氣溫度差異所造成的不確定性影響[23]，本試驗(yàn)以夜間日光溫室內(nèi)部空氣自然對流邊界層為研究對象，對溫室內(nèi)部垂直方向上的溫差分布進(jìn)行研究，揭示塑料薄膜夜間保溫的影響因素，闡明塑料薄膜夜間的保溫原理，為新型內(nèi)保溫材料研發(fā)、新型設(shè)施栽培模式推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)溫室位于山東省泰安市（36°11′07″N，117°06′51″E），為寬厚土墻下挖式溫室，下挖深度為0.5 m，東西長度50 m，跨度9.3 m;前屋面為鋼架結(jié)構(gòu)，利得膜覆蓋;北墻高4.5 m，上部寬2.0 m，下部寬3.5 m;夜間前屋面覆蓋保溫被，保溫被材料為無紡布內(nèi)加一薄層泡沫塑料，厚度約3 cm;采用電動(dòng)卷簾機(jī)卷放。溫室內(nèi)種植番茄，9月15日定植，大小行栽培，大行距80 cm，小行距60 cm，株距50 cm;試驗(yàn)期間番茄處于盛果期，株高約210 cm。

1.2 自然對流原理及速度邊界層量化方法

1.2.1 自然對流及其驅(qū)動(dòng)力流體內(nèi)部溫度不均勻引起的流動(dòng)稱為自然對流[24]。自然對流在建筑節(jié)能、電子元器件冷卻、太陽能集熱器設(shè)計(jì)、核反應(yīng)器設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中已經(jīng)得到普遍應(yīng)用 [25-29]。日光溫室夜間薄膜內(nèi)側(cè)空氣溫度低于地面空氣溫度，薄膜內(nèi)側(cè)空氣密度大于地面空氣密度，在重力作用下薄膜內(nèi)側(cè)空氣向地面流動(dòng)，在浮力作用下地面空氣向薄膜內(nèi)側(cè)流動(dòng)，溫室空氣形成自然對流。

薄膜內(nèi)側(cè)空氣流動(dòng)到地面與地面發(fā)生對流換熱后溫度升高、密度變小，流動(dòng)方向發(fā)生改變，轉(zhuǎn)為向上流動(dòng)。地面空氣流動(dòng)到薄膜內(nèi)側(cè)與薄膜內(nèi)側(cè)發(fā)生對流換熱后溫度降低、密度變大，流動(dòng)方向也發(fā)生改變，轉(zhuǎn)為向下流動(dòng)。夜間薄膜內(nèi)側(cè)空氣與地面空氣溫差、密度差持續(xù)存在，因而溫室空氣自然對流持續(xù)存在。徐豐等[30]在側(cè)加熱腔內(nèi)的空氣自然對流中對于密度差引起的空氣流動(dòng)使用驅(qū)動(dòng)來表示，本文也引入驅(qū)動(dòng)概念進(jìn)行研究，即日光溫室內(nèi)部空氣自然對流是冷面在上（薄膜內(nèi)側(cè)）、熱面在下（地面）引起的Rayleigh-Benard對流，由溫度差引起的密度差成為空氣自然對流的驅(qū)動(dòng)力。夜間日光溫室內(nèi)部空氣流動(dòng)如圖1所示。

1.2.2 自然對流邊界層溫室空氣流到地面和薄膜時(shí)，受地面和薄膜阻擋，空氣流動(dòng)方向由上下流動(dòng)轉(zhuǎn)為貼著地面、薄膜內(nèi)側(cè)流動(dòng)，此時(shí)溫室空氣與地面、薄膜內(nèi)側(cè)產(chǎn)生摩擦，空氣流速降低直至在地面、薄膜內(nèi)側(cè)降低為零，溫室空氣在地面、薄膜內(nèi)側(cè)形成速度邊界層[24]，速度邊界層厚度為從U0開始降低至0.99U0的位置到地面、薄膜之間的法線距離。

速度邊界層分為層流邊界層和湍流邊界層，湍流邊界層又分為層流底層和湍流區(qū)。對于層流邊界層，法線方向上的熱量傳遞依靠傳導(dǎo);對于湍流邊界層，層流底層法線方向上的熱量傳遞也依靠傳導(dǎo);由于空氣的導(dǎo)熱率較低[20℃時(shí)為0.024 W/（m·K）]，流動(dòng)邊界層熱阻較大，兩側(cè)積聚溫差。

1.2.3 U0的計(jì)算溫室空氣流動(dòng)遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒定律，把動(dòng)量守恒微分方程無量綱化[31]，可以得到微分方程：

（1）選用試驗(yàn)期間夜間外界溫度較高、較低時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對日光溫室垂直方向上的溫差分布進(jìn)行定性分析，以確定薄膜內(nèi)側(cè)、地面存在速度邊界層。

（2）用Matlab軟件對試驗(yàn)期間外界溫度與垂直方向上各段溫差之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以試驗(yàn)期間外界溫度變化范圍為積分區(qū)間，對擬合函數(shù)進(jìn)行積分運(yùn)算，計(jì)算試驗(yàn)期間薄膜內(nèi)側(cè)、地面速度邊界層的溫度變化范圍;計(jì)算瑞利數(shù)大小，確定速度邊界層狀態(tài);計(jì)算湍流邊界層、層流底層厚度范圍。

（3）本研究溫度采用JTNT-C多通道溫度熱流測試儀測定。溫度傳感器技術(shù)參數(shù)：溫度范圍-20～85℃;精度±0.5℃，常溫可達(dá)±0.2℃;溫度分辨率為0.

1℃。

測定時(shí)間為2016-01-14—2016-02-07。數(shù)據(jù)記錄從每天下午18∶00到第2天凌晨06∶00，間隔時(shí)間為5 min，以每小時(shí)測定的12個(gè)數(shù)據(jù)的均值作為該時(shí)刻該測點(diǎn)的溫度;以13個(gè)平均溫度的均值為該天夜間溫度。

選用試驗(yàn)期間夜溫較高（2016-01-04， 3.63℃）和夜溫較低（2016-01-23，-13.94℃）的數(shù)據(jù)對溫室垂直方向上的溫差分布進(jìn)行定性分析;選用整個(gè)試驗(yàn)期間的測定數(shù)據(jù)對垂直方向上各段溫差進(jìn)行定量分析。

3 討論

地膜覆蓋、多膜覆蓋、雙層膜、日光溫室內(nèi)保溫等園藝設(shè)施栽培形式雖然存在差別，但其共同點(diǎn)都是利用保護(hù)設(shè)施切斷設(shè)施內(nèi)外空氣之間的流動(dòng)，空氣在設(shè)施內(nèi)部進(jìn)行自然對流，產(chǎn)生層流底層，層流底層的導(dǎo)熱方式發(fā)生改變，體現(xiàn)為具有保溫作用。

地膜覆蓋是空氣自然對流在地面和地膜內(nèi)側(cè)產(chǎn)生層流底層，減少土壤熱量向外部散失，體現(xiàn)為提高土壤溫度;多膜覆蓋、雙層膜、內(nèi)保溫等栽培設(shè)施是由于增加的膜切斷了膜兩側(cè)的空氣流動(dòng)，空氣被分割在不同空間內(nèi)分別進(jìn)行自然對流，在每一層膜的兩側(cè)分別產(chǎn)生層流底層，設(shè)施傳熱熱阻增大，保溫性能進(jìn)一步增加。

多膜覆蓋栽培設(shè)施隨著薄膜使用層數(shù)的增多，在每一層膜的兩側(cè)都會(huì)形成層流底層，減少設(shè)施內(nèi)部熱量向設(shè)施外的散失，提高設(shè)施內(nèi)部保溫效果。但是層流底層的形成是建立在設(shè)施內(nèi)外溫度差產(chǎn)生的密度差的基礎(chǔ)上，隨著薄膜使用層數(shù)增多，各封閉空間內(nèi)引起空氣自然對流的溫差降低，進(jìn)而影響到各層薄膜兩側(cè)層流底層的保溫效果，這可能就是隨著薄膜使用層數(shù)的增多多膜覆蓋夜間保溫增幅逐漸降低的原因。

本文把薄膜內(nèi)側(cè)相當(dāng)于冷面，是考慮到盡管薄膜內(nèi)側(cè)不是平面，但不會(huì)對空氣的流速產(chǎn)生影響，因而不會(huì)影響層流底層的產(chǎn)生。

本試驗(yàn)中使用的溫度傳感器探頭有一定尺寸，所以T8測定的溫度并不是真正意義上的薄膜內(nèi)側(cè)溫度，只是非常相近;實(shí)際形成的溫差中，薄膜內(nèi)側(cè)溫差會(huì)略大于0.70～1.49℃。

4 結(jié)論

（1）塑料薄膜夜間保溫是通過內(nèi)部空氣自然對流形成層流底層，增大傳熱熱阻來實(shí)現(xiàn)的;日光溫室除受到覆蓋物的保溫因素外，內(nèi)部空氣自然對流產(chǎn)生層流底層，也具有保溫作用。

（2）多膜覆蓋、雙層膜、內(nèi)保溫等栽培設(shè)施將空氣分割成不同的空間，空氣在不同的空間內(nèi)分別進(jìn)行自然對流，在增加的膜的兩側(cè)分別產(chǎn)生層流底層，保溫效果優(yōu)于單層膜保溫效果。但隨著薄膜使用層數(shù)增加，各分割空間內(nèi)引起自然對流的溫差降低，會(huì)影響層流底層的保溫效果，使得多膜覆蓋夜間保溫的增幅隨膜層數(shù)的增加而降低。

（3）本試驗(yàn)期間溫室地面、薄膜內(nèi)側(cè)湍流邊界層厚度為0.13～0.14 m，層流底層厚度為5.01×10-3～5.90×10-3 m。

（4）本試驗(yàn)期間溫室薄膜內(nèi)側(cè)層流底層對溫室的保溫作用為0.70～1.49℃。

參 考 文 獻(xiàn)：

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