【文章內(nèi)容簡介】 童莉(2003年)建立了無植物條件下濕簾機(jī)械通風(fēng)的華北型連棟塑料溫室三維數(shù)值模擬模型，得到了合理的速度場分布和溫度場分布數(shù)值模擬結(jié)果，并與試驗(yàn)值進(jìn)行了比較。與試驗(yàn)值相比，模擬結(jié)果誤差成5%，，入口氣溫小于26℃(熱浮力影響較小)的情況下效果更好。并討論了入口風(fēng)速和濕簾高度對溫室可控距離的影響:提高入口風(fēng)速可以增大溫室的可控距離，濕簾高度越大，可控距離越大。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳忠購(2004年)利用CFD方法建立了華北型連棟塑料溫室實(shí)物大小的三維CFD模型，采用穩(wěn)態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)kε湍流模型對實(shí)驗(yàn)溫室在不同濕簾高度和安裝高度情況下的溫室環(huán)境進(jìn)行了CFD模擬，預(yù)測了實(shí)驗(yàn)溫室內(nèi)部的流場和溫度場的分布情況，實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值吻合得比較好，由此驗(yàn)證了CFD模型對華北型連棟塑料溫室的可行性和有效性。浙江工業(yè)大學(xué)的陳曉(2008年)建立了無植物條件下的機(jī)械通風(fēng)的venlo型溫室的三維穩(wěn)態(tài)的CFD模型，采用標(biāo)準(zhǔn)kε湍流模型、DO輻射模型以及SIMPLE算法對實(shí)際大小的溫室環(huán)境進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。模擬值與實(shí)測值的對比結(jié)果證明了CFD模型的有效性。并討論了內(nèi)遮陽的設(shè)置、風(fēng)機(jī)與濕簾的安裝高度、濕簾的高度以及溫室長度的協(xié)調(diào)配置等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了深入研究。 國內(nèi)外溫室CFD模擬的研究現(xiàn)狀從該領(lǐng)域第一篇論文的出現(xiàn)到現(xiàn)在，能夠看到在溫室研究領(lǐng)域CFD模擬的復(fù)雜性和真實(shí)性的一個清晰的發(fā)展歷程。這主要是由于隨著時間的推進(jìn)，新的、更快速和更高性能的硬件對更復(fù)雜的情況預(yù)測更具有準(zhǔn)確性；同時，CFD軟件包擁有越來越多的算法庫和計(jì)算方法而變得更強(qiáng)大和復(fù)雜，從而也增加了它的應(yīng)用范圍。大部分小型溫室和比例溫室模型的 CFD 初步研究都是用來研究溫室內(nèi)部環(huán)境的。后者的研究是為了通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，因?yàn)轱L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)無法對實(shí)際大小的溫室進(jìn)行測量。絕大多數(shù)溫室的研究都是在無植物條件下進(jìn)行的。大多數(shù)的研究人員認(rèn)為應(yīng)將植物和結(jié)構(gòu)的因素考慮進(jìn)來。如果要對溫室內(nèi)部氣候環(huán)境進(jìn)行真實(shí)的模擬，則植物和氣候環(huán)境間的交互作用是不可以被疏忽的。然而，一些模擬將植物當(dāng)作內(nèi)部環(huán)境的一部分，植物被視為多孔介質(zhì)，植物模型中包括二氧化碳的吸收。需要更詳細(xì)和具體的植物模型，其中可能包括太陽輻射、濕度和溫度的影響。模型的細(xì)化必須注意研究下面幾方面的平衡，包括模型復(fù)雜性，對模擬技術(shù)、計(jì)算能力以及模擬輸出結(jié)果必要的準(zhǔn)確性。大部分的研究是采用二維模擬。與三維模擬相比，它減少了模擬過程的復(fù)雜性，也大大地減少了計(jì)算量。從某種程度來說，三維模擬是必需的，因?yàn)槎S模擬達(dá)不到需要的準(zhǔn)確性；而三維模擬的主要缺點(diǎn)對硬件的計(jì)算能力要求高。模擬一個標(biāo)準(zhǔn)尺寸的商業(yè)連棟溫室需要一個超級計(jì)算機(jī)才能完成。對CFD研究的探討中發(fā)現(xiàn)，在這個工作中適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)參數(shù)的選擇和充分正確的邊界條件的設(shè)定對結(jié)果的正確性是至關(guān)重要的。其中，一個例子就是湍流模型的選擇。對于自然通風(fēng)的溫室，雙尺度湍流模型的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)的 kε模型有著較好的結(jié)果；而對于機(jī)械通風(fēng)的溫室，二者的效果相差不多。除了湍流、對流、傳導(dǎo)和輻射外，傳熱傳質(zhì)過程也是一些模擬研究的主題。在不同的模擬中，變量一般有氣流速度和方向、溫度、二氧化碳濃度和空氣濕度。在自然通風(fēng)下不同類型和大小的溫室中，對受熱壓作用的通風(fēng)如零風(fēng)速和低風(fēng)速情況以及受風(fēng)壓作用的通風(fēng)的模擬都較為成功。得到結(jié)論是側(cè)窗的存在增加了空氣交換率，從而也降低了室內(nèi)溫度。對于地中海型溫室、其他一些拱型和鋸齒型溫室，一般的結(jié)論是如果溫室的跨數(shù)較多則意味著通風(fēng)效率的減少和作物水平的溫度較高，并且觀察得到增加通風(fēng)口開放面積確實(shí)增加了空氣交換，同樣增加了風(fēng)速，在所有的通風(fēng)情形中情況都是如此。如果沒有側(cè)窗，在下風(fēng)通風(fēng)的情況下，在開著天窗的 Venlo型溫室當(dāng)中的作物水平高度存在逆流。一種嘗試對大型商業(yè) Venlo型溫室的一個代表性區(qū)段進(jìn)行的模擬不能達(dá)到期望的準(zhǔn)確性。因此，對完全的和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的溫室進(jìn)行模擬成為必要。 CFD軟件簡介目前，有關(guān)溫室領(lǐng)域CFD 模擬的研究論文都是采用商業(yè)CFD 軟件包或?yàn)榛谙嗤睦碚摵蛿?shù)學(xué)方法的程序在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行的。自從1981 年英國CHAM公司首先推出求解流動與傳熱問題的商業(yè)軟件PHOENICS 以來，迅速在國際軟件產(chǎn)業(yè)中形成了通稱為CFD 軟件產(chǎn)業(yè)市場。到目前為止，全世界至少已有50 余種這樣的流動與傳熱問題的商業(yè)軟件，在促進(jìn)CFD 技術(shù)在工業(yè)實(shí)際中的應(yīng)用起著重要的作用。下面介紹國內(nèi)有關(guān)高等院校和研究院所引進(jìn)的5 種軟件。1) CFX。該軟件采用有限容積法、拼片式塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在非正交曲線坐標(biāo)（適體坐標(biāo)）系上進(jìn)行離散，變量的布置采用同位網(wǎng)格方式?？捎?jì)算的物理問題包括不可壓縮及可壓縮流動、耦合傳熱問題、多相流、粒子運(yùn)輸過程、化學(xué)反映、氣體燃燒、熱輻射等，同時還可以處理滑移網(wǎng)格，用來計(jì)算透平機(jī)械中葉片間的流場。2) FIDAP。該軟件是世界上第一個使用有限元法（FEM）的CFD 軟件。其可以計(jì)算可壓縮及不可壓縮流、凝固與熔化、層流與湍流、單相與兩相流、牛頓流體及非牛頓流體的流動問題等。3) FLUENT。這一軟件是繼PHOENICS 軟件后第二個投放市場的基于有限容積法的軟件，包含有結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩個版本。其可以計(jì)算的物理問題類型有：定常與非定常流動，不可壓縮與可壓縮流動，含有粒子/液滴的蒸發(fā)、燃燒的過程、多組份介質(zhì)的化學(xué)反映過程等。4) PHOENICS。這是世界上第一個投放市場的CFD 商用軟件（1981），可以算是CFD/NHT 商用軟件的鼻祖。這一軟件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，對以后開發(fā)的商用軟件有著較大的影響。5) STARCD。這是基于有限容積法的一個通用軟件。在網(wǎng)格生成方面，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，還可以與目前通用的CAD/CAE 軟件相連接，如ANSYS，IDEAS，NASTRAN,PATRAN 等，在適應(yīng)復(fù)雜計(jì)算區(qū)域的能力方面具有特別的優(yōu)勢。應(yīng)用這一軟件可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動，牛頓流體及非牛頓流體的流動，多孔介質(zhì)中的流動，亞音速及超音速流動，涉及導(dǎo)熱、對流與輻射換熱的流動問題，涉及化學(xué)反應(yīng)的流動與傳熱問題及多相流的數(shù)值分析等。 研究的主要內(nèi)容本課題主要研究Venlo型日光溫室內(nèi)的速度場CFD模擬。1）利用計(jì)算流體力學(xué)原理，構(gòu)建venlo型日光溫室的三維模型。2）合理劃分網(wǎng)格。 3）綜合考量溫室材質(zhì)以及室內(nèi)外各種變化因素，合理設(shè)置邊界條件。4）進(jìn)行速度場的模擬，并對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和分析，提出合理建議。2 Venlo型溫室概述 溫室框架結(jié)構(gòu)溫室結(jié)構(gòu)形式為venlo型玻璃溫室。溫室采用熱鍍鋅鋼制骨架，覆蓋材料為4mm厚浮法玻璃，透光率接近100%。溫室頂部及四周為專用鋁型材。溫室頂部為雙向開窗，齒輪齒條副傳動venlo型玻璃溫室具有外形美觀、吊掛能力強(qiáng)，透光性好等優(yōu)點(diǎn)。適合大面積蔬菜及花卉種植。一個完整的溫室系統(tǒng)通常包括下列各個部分或其中的部分內(nèi)容:溫室框架結(jié)構(gòu)主要由基礎(chǔ)、立柱、析架、凜條椽子、天溝、門、電動天窗。溫室跨度:16m，每跨小屋頂數(shù):2。 遮陽和保溫系統(tǒng)內(nèi)保溫系統(tǒng):溫室配置齒輪/齒條傳動內(nèi)保溫系統(tǒng)，用于冬季熱能的儲存和夏天遮光保護(hù)作物免遭強(qiáng)光灼傷。控制箱及減速電機(jī)，既可手動，又可自動控制。分3套布置在溫室的3個獨(dú)立單元，3套分別獨(dú)立控制。外遮陽系統(tǒng):溫室配置齒輪/齒條傳動外遮陽系統(tǒng)?？刂葡浼皽p速電機(jī)，既可手動，又可自動控制。幕簾采用國產(chǎn)黑色聚乙烯折疊網(wǎng)，遮陽率70%，正常使用壽命5年。 計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)，上位機(jī)為工控機(jī)，下位機(jī)為單片機(jī)。配套測控單元，溫度、濕度、光照傳感器，室外氣象站，可根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)自動控制天窗、側(cè)窗、外遮陽機(jī)構(gòu)、內(nèi)保溫幕機(jī)構(gòu)、濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)等各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部的小氣候環(huán)境，也可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行人工手動控制。圖1 venlo型溫室模型3 溫室的數(shù)學(xué)模型控制方程及湍流模型: 為簡化問題, 認(rèn)為自然通風(fēng)情況下溫室內(nèi)空氣為定常不可壓縮牛頓流體, 且具有較高的湍流特性。流體在流動過程中遵循基于雷諾時均的質(zhì)量、動量和能量守恒方程, 其一般形式為： （1）（1）式中:為通用傳輸量。為流體密度。t為時間。為速度矢量。為廣義擴(kuò)