引言

隨著農業的飛速發展，設施農業在我國得到了廣泛的應用。目前，我國設施農業面積達到了 140 萬hm2，已成為世界第一大設施栽培大國。其中，溫室已經達到了 500hm2多，而且每年大型溫室的增長量都達上百公頃，日光溫室在寒冷的北方廣受青睞。冬季為了保持室溫，溫室密閉且不進行通風，室內空氣處于停滯狀態。停滯的空氣會導致植物表面形成境界層，影響作物的生理作用，并且為病害繁殖創造了良好的環境; 在極寒冷的地區，冬季溫室還會引入加熱設備，停滯的空氣使熱量不能有效地擴散，也會造成溫度分布不均勻和溫度偏低等現象，影響植物的正常生長。優化溫室的氣流組織，使溫室內氣體流動，可以在一定程度上解決上述問題，改善溫室環境，提高溫室產量。

1 模型及計算條件

1． 1 溫室幾何模型

實驗采用哈爾濱地區某日光溫室，溫室冬季采用熱水供熱系統。溫室全長 60m，中部被 pc 板隔開，形成兩個溫室環境，實驗選取其中一個。實驗溫室長27． 5m，跨度 7m，脊高 3． 5m，后墻高 2． 5m，后坡水平投影 1． 5m。日光溫室幾何模型如圖 1 所示?！緢D1】


1． 2 溫室 CFD 模型

1． 2． 1 湍流模型

參考相關文獻，加熱條件下溫室內氣流可看成湍流流動。三維湍流數值模擬方法可以分為直接數值模擬方法和非直接數值模擬方法兩種。其中，非直接數值模擬方法又分為大渦模擬、統計平均法和Reynolds 平均法 3 種。Reynolds 平均法對工程實際應用可以取得很好的效果，而且避免了大計算量的問題，因此是目前使用最為廣泛的湍流數值模擬方法。

根據溫室的情況及各數值模擬方法的適用范圍，選取Reynolds 平均法中的標準 k － ε 模型進行數值模擬計算。標準 k － ε 模型的輸運方程為【1】


其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能 k 的產生項; Gb是由于浮力引起的湍動能 k 的產生項; YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻; C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數; σk、σε分別是與湍動能 k 和耗散率 ε 對應的Prandtl 數; Sk、Sε是用戶定義的源項。

高 Re 數的湍流模型針對充分發展的湍流才有效; 對近壁區內的流動，湍流發展并不充分，必須采用特殊處理方式，可以采用低 Re 數 k － ε 模型或壁面函數法。低 Re 數 k － ε 模型要求在近壁面區域劃分比較細密的網格，而壁面函數法不需要在壁面區加密，因此實驗采用壁面函數法處理近壁面區域。

1． 2． 2 基本控制方程

實驗模型選擇的溫室冬季室外氣溫很低，因此并不會開窗通風，室內氣體壓強變化不大。根據溫室內氣流特點，為了便于處理溫差帶來的浮升力項，采用Boussinesq 來簡化加熱空氣產生的自然對流。

流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。如果流動處于湍流狀態，系統還要遵守附加的湍流輸運方程?？刂品匠痰耐ㄓ眯问綖椤?】


其中，Φ為通用變量，可以代表 u 、v 、w 、T 等求解變量; Γ 為廣義擴散系數; S 為廣義源項。

1． 2． 3 輻射模型

溫室受加熱設備的熱輻射影響，同時熱輻射也是溫室夜間熱量損失的重要原因之一，溫室內環境通過輻射相互及與外界進行能量交換。實驗溫室采用熱水供熱系統，傳熱方式主要有輻射和對流，大部分熱量是通過輻射傳遞到周圍環境中的。CFD 可以提供 5種輻射模型，其中離散坐標輻射模型\\( DO 模型\\) 使用范圍最廣，計算范圍涵蓋了從表面輻射、半透明介質輻射到燃燒問題中出現的介入輻射在內的各種輻射問題?？紤]到半透明介質、空氣對輻射的吸收率較低并且需要進行耦合傳熱計算等問題，選取 DO 模型計算輻射的影響。輻射方程為【3】


其中，r→為位置向量; s→為方向向量;\ue5c6→s' 為散射方向; a 為吸收系數; n 為折射系數; σs為散射系數; σ 為斯蒂芬波爾茲曼常數; I 為輻射強度，依賴于 r→、s→; T為當地溫度; F 為相位函數; O' 為空間立體角。

2 網格的劃分及邊界條件選擇

2． 1 計算域網格劃分

網格是 CFD 模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體。網格質量對 CFD 的計算精度和計算效率具有重要的影響。網格分為結構網格與非結構網格兩大類。其中，非結構網格有極好的適應性，對于具有復雜邊界的流場問題尤其有效。根據溫室的情況，采用了非結構四面體網格進行了劃分，并對熱水管道進行了網格的加密。

2． 2 邊界條件

冬季溫室不與外界進行通風，而且內部只存在流固耦合傳熱，邊界條件全部設置為 Wall，地面給定實際測量的固定溫度，墻體及覆蓋材料為對流與外部輻射相結合的邊界類型。實驗溫室模型中沒有考慮植物的影響。

3 CFD 模擬分析

實驗模擬了白天供暖情況下溫室的狀態。通過對比模型所得溫室溫度與實測溫室溫度，來驗證模型的準確性。取室外溫度為－14． 85 ℃ 進行了模擬，選取了 72 個點測量溫度，并與實驗所得各點的溫度值進行了比較，最大誤差為 1． 5℃，可以認為模型建立基本準確。

首先對不通風情況下的溫室模型的速度場進行了分析，結果發現: 在不通風的情況下，溫室內各處速度為零，也就是溫室內只靠熱力的浮升與擴散并不能產生有效的氣流組織，基本沒有氣體流動，選取了 z =16m 斷面的速度場分布圖，如圖 2 所示?！緢D2】


通過對溫室模型的初步分析可以看出: 冬季溫室的速度場分布狀況很不理想，溫室內的氧氣與二氧化碳不能很好地流通，容易造成二氧化碳濃度過高或過低等問題，影響植物的光合作用及呼吸作用，不能為植物的生長提供良好的環境。因此，提出溫室內氣流組織的優化。

4 模型初步優化

冬季溫室并不進行通風換氣，因此在溫室中加入內循環風扇對于形成理想的氣流組織、充分混合室內空氣有很大的幫助。根據實驗溫室的實際情況，結合相關資料，按照每分鐘溫室體積喚起率不低于0． 3 次的要求，在溫室中添加 2 臺內循環風扇，放置于溫室的對角線上。同時，選取截面 z=16m 進行分析，圖 3 為該截面的速度矢量分布圖。從圖 3 可以看出:

由于內循環風扇的作用，在靠近中部下方和傾斜面處的速度最大，速度矢量密集; 在靠近地面附近的速度矢量向上，在傾斜面附近的速度矢量向下，形成了一個循環圈，室內產生了一個較好的速度場?！緢D3】


取 y=0． 25m 的截面進行分析，圖 4 為該截面的速度等值線圖。由圖 4 可以看出: 溫室大部分區域都已經有了速度分布，靠近兩側的等值線密集，速度變化較大，中間部分速度變化平緩?！緢D4略】

對溫室整體的速度場也進行了分析，圖 5 為溫室整體的速度矢量圖。從圖 5 可以看出: 在內循環風扇附近，矢量圖密集，風速較大; 在圖中標注跡線，表明室內的氣體由于內循環風扇的作用，在室內流動形成了循環圈，出現了較好的氣流組織?！緢D5略】

5 結論

從溫室模型模擬結果可以看出: 在不進行通風的情況下，冬季溫室內氣體不流通，沒有形成有效的氣流組織，溫室環境不理想。在溫室中增加內循環風扇進行初步優化后，根據相應的模擬結果可以看出: 溫室內出現較好的氣流組織，不僅改善了氣體停滯狀態，而且有助于改善溫度場的均勻性，使溫室整體環境有了很大的提高，優化了植物的生長環境。選擇最佳的位置安置內循環風扇，使溫室內達到最佳的氣流組織，這是以后研究的主要方向。

參考文獻:

［1］ 齊飛． 我國溫室及配套設備產業現狀及發展趨勢［J］． 上海農業學報，2005，21\\( 1\\) : 53－57．
［2］ 佚名． 溫室內循環風扇之作用與安裝［DB/OL］． \\( 2012－03－01\\) ．
［3］ 趙雯倩． 計算流體力學在溫室通風中的應用研究［J］． 農業科技與裝備，2011\\( 8\\) : 23－27 ．