基于CFD的现代化温室环境数值模拟与优化研究

摘要

温室作为一个半封闭体系，其内部环境是影响作物生长发育最直接的因素。CFD(ComputationalFluidDynamics)技术作为目前国内外广泛采用的数值模拟技术，可对不同外界条件及通风布局下的温室内流场的分布进行模拟分析研究，此外，还可与CAD联合，进行结构优化设计，是进行温室物理结构设计和环境调控参数优化的强有力工具。本文以荷兰Venlo型现代化玻璃温室为研究对象，利用CFD数值模拟软件和现场试验，对温室内微环境进行了模拟、验证和预测，分析了不同工况下的温室内微环境的分布以及冬季温室的不同加温方式。主要研究内容如下:
　　(1)为了研究温室内喷雾降温系统在梅雨季节的降温效果，对荷兰Venlo型玻璃温室进行了喷雾2min降温试验，定量分析了温室内喷雾系统在南京这种高温高湿气候条件下的实际降温效果:平均降温幅度为3.2℃，同时也增加了室内空气的相对湿度，增幅为13.1％，证明了温室内喷雾降温系统在南京这种高温高湿的夏季典型气候环境条件下也具有一定的降温能力，但由于温室内原空气的相对湿度本就较高，所以其降温效率仅为20％，降温效率不是很高。
　　(2)理论研究了温室环境传热机理，且基于传热学和能量平衡理论，详细分析了温室内外各影响因子之间的质热交换关系，建立了以温室覆盖层和四周围护结构、室内作物、室内外混合空气为主要影响因子的数学模型，确立了以温室结构为特征参数的计算模型，即能够用实际温室的测试数据对CFD模型进行边界条件设置。
　　(3)利用计算机流体力学(CFD)软件，建立了与试验温室同等大小的三维模型，采用标准k-ε湍流模型，并采用标准壁面函数法处理近壁面区域，选择DO辐射模型，用多孔介质模型去模拟温室内种植的黄瓜作物，将实际测量数据作为模型模拟的边界条件，模拟研究了温室内部温、湿度场的分布。将模拟结果与试验测试结果进行对比验证分析，结果显示:测点处空气温度的模拟值与实测值的最大相对误差为10.2％，平均相对误差为3.6％;相对湿度的模拟值与实测值的平均相对误差和最大相对误差分别为9.2％和5.0％，结果吻合良好，证明了所建立的CFD模型的有效可行的。
　　对温室的物理结构进行优化设计，将优化前后温室环境进行对比，验证温室进行优化设计后，温室内部空气混合较均匀，温室内温、湿度分布较均匀一致，更有利于作物的生长发育。
　　(4)在上述连续相的基础上，加入离散相模型对温室内喷雾降温系统进行了CFD数值模拟，结果表明:温室内测点温、湿度的模拟值与实测值之间的平均相对误差分别为4.9％和5.7％，模拟结果与实验结果吻合良好，说明所建立的CFD模型和边界条件时正确的，采用多孔介质模型模拟作物和离散相模型模拟喷雾是可行的。
　　根据上述建立的模型来模拟分析温室内部温、湿度场的分布情况，结果表明:在温室内，作物区的温度较低，且温度分层明显;喷雾1min后，由于雾滴蒸发带走热量，温室内温度迅速下降，喷头下方温度下降最为明显;随着太阳辐射和空气对流的影响，温室内温度逐渐回升，但由于温室四周维护结构区域雾滴分布的比较稀薄，故其温度上升的比温室中间快。
　　(5)利用CFD方法对三种不同的加温方式进行模拟分析研究，结果表明，圆翼型加温系统基本满足温室设计的目标，室内温度场达到植物在最低温度生长的要求，但是在栽培层温度较低，影响植物生长;光管加热器加温系统由于其是双层加热器分布可以使温度在很小的范围内及时得到调整，温度波动范围要小得多，自然也就越省运营成本;热风机加温系统相比于热水加温系统，运行费用较高，但其一次性投资小，安装简单，主要使用在冬季采暖时间短的地区，尤其适合于小面积单栋温室。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 设施农业发展概况

1．2．1 国外设施农业概况

1．2．1 我国设施农业发展的现状及问题

1．3 国内外温室CFD模拟研究现状

1．3．1 国外温室的CFD模拟研究现状与发展

1．3．2 国内温室的CFD模拟研究现状及面临的挑战

1．4 研究内容与整体方案

1．4．1 研究内容

1．4．2 课题来源与技术路线

1．5 本章小结

第二章 温室环境的CFD数学模型

2．1 温室环境的简化分析

2．2 温室的CFD数值模拟模型

2．2．1 基本控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 辐射模型

2．2．4 多孔介质模型

2．2．5 组分传输模型

2．2．6 离散相模型

2．3 本章小结

第三章 温室气候环境测试

3．1 试验温室概述

3．2 试验内容及方法

3．3 试验结果及分析

3．3．1 室外气候特征分析

3．3．2 喷雾降温

3．4 本章小结

第四章 温室温湿度场的CFD数值模拟

4．1 温室物理结构及计算域的选取

4．1．1 温室物理结构

4．1．2 温室CFD建模及计算域的确定

4．1．3 网格的划分

4．2 边界条件设置

4．2．1 湍流参数的选定

4．2．2 温室壁面边界条件

4．3 CFD模拟求解策略

4．3．1 微分方程的离散

4．3．2 微分方程的求解及控制参数设定

4．4 模拟结果验证

4．4 温室结构优化

4．5 本章小结

第五章 喷雾系统的数值模拟及试验验证

5．1 喷雾降温系统

5．1．1 喷雾降温系统的工作原理

5．1．2 喷雾对温室环境的影响

5．2 喷雾系统的数值模拟

5．2．1 喷雾系统的研究方法

5．2．3 模拟结果的试验验证

5．3 本章小结

第六章 冬季温室加温系统的模拟分析

6．1 冬季温室加温系统

6．2 温室加温系统的模拟分析

6．2．1 翼型加热器加温系统

6．2．2 光管加热器加温系统的模拟与分析

6．2．3 热风机加温系统的模拟与分析

6．3 本章小结

第七章 研究工作总结和展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读研究生期间发表的论文