不同风况和开窗配置对夏季单栋塑料温室微气候的影响

p农 业 机 械 学 报不 同 风 况 和 开 窗 配 置 对 夏 季 单 栋 塑 料 温 室微 气 候 的 影 响 *何科奭 1陈大跃2孙丽娟3刘正鲁41.上 海 交 通 大 学 机 械 与 动 力 工 程 学 院 ， 上 海 200240； 2.上 海 交 通 大 学 电 子 信 息 与 电 气 工 程 学 院 ， 上 海 200240； 3.中国 农 业 科 学 研 究 院 作 物 科 学 研 究 所 ， 北 京 100081； 4.上 海 孙 桥 现 代 农 业 园 区 ， 上 海 201210摘 要 以 华 东 地 区 种 植 着 空 心 菜 的 单 栋 塑 料 温 室 为 研 究 对 象 构 建 其 全 尺 度 计 算 流 体 力 学 模 型 CFD 模 型 。 该 模 型经 现 场 实 验 验 证 ， 其 计 算 值 与 各 测 点 温 度 实 验 值 变 化 趋 势 吻 合 且 差 异 在 1.1C 以 内 。 随 后 ， 通 过 该 模 型 研 究 不 同 开 窗配 置 下 温 室 内 气 流 和 温 度 场 特 征 ， 评 估 开 窗 配 置 对 通 风 率 、 室 内 外 温 差 和 室 内 气 候 均 匀 性 的 影 响 ， 揭 示 不 同 风 况 下 温室 微 气 候 形 成 机 理 。 仿 真 结 果 表 明 ， 不 同 开 窗 配 置 会 产 生 截 然 不 同 的 温 室 微 气 候 场 。 顶 侧 窗 配 置 下 温 室 通 风 率 最 高 ，室 内 外 温 差 最 小 ， 能 产 生 较 均 匀 的 室 内 气 候 ， 因 此 最 适 合 于 温 室 夏 季 通 风 。 不 同 风 况 会 对 温 室 内 气 流 和 温 度 场 产 生 显著 的 影 响 ， 进 而 影 响 温 室 降 温 效 果 和 气 候 均 匀 性 ； 当 外 界 高 温 低 风 速 气 候 条 件 下 ， 热 压 通 风 起 主 导 作 用 ； 顶 侧 窗 通 风能 显 著 地 提 高 温 室 降 温 效 果 ， 有 效 地 降 低 作 物 冠 状 层 气 温 。关 键 词 单 栋 塑 料 温 室 ； 微 气 候 ； 风 况 ； 开 窗 配 置 ； 计 算 流 体 力 学中 图 分 类 号 S625 文 献 标 识 码 A文 章 编 号 （ 编 辑 部 制 作 ）Effects of Wind Regime and Vent Configuration on theMicroclimate in Tunnel Greenhouses in SummerHEKeshi1 CHENDayue2 SUNLijuan3 LIUZhenglu41. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China2. School of Electronics, Ination and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China3. Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China4. Sunqiao Modern Agriculture Development Zone, Shanghai 201210, ChinaAbstract the effects of vent configuration and wind regime on the microclimate in the tunnel greenhousewere numerically investigated. A full scale computational fluid dynamics model CFD model wasconstructed based on a tunnel greenhouse cultivated with a water spinach in eastern China. The model wasfirst validated by comparing CFD simulations with experimental temperatures.The simulations have similartrendstothoseoftheexperimentswithlessthan1.1Cdifference.Itwasthenemployedto1investigatethegreenhouseairflow andtemperature patternswith differentvent configurations; 2uate theeffectofventconfiguration on the ventilation rate, the temperature difference between inside and outside, and the insideclimate homogeneity; and 3 reveal the greenhouse microclimate mechanism with different wind regimes.Simulations show that, different vent configurations induce different inside microclimate patterns andventilation perances. The roof plus side opening provides the highest ventilation rate, the minimumtemperature difference and a relatively uni indoor climate, and thus can be recommended for summerventilation.Wind regime has a significant impact on the airflow and temperature patterns in the greenhouse,which considerably affects the cooling perance and the indoor climate homogeneity. With the weatherconditions of high temperature and low wind speed, thermal driven ventilation plays a remarkable effect onthe greenhouse microclimate. The roof and side opening can improve the greenhouse cooling peranceremarkablyandreducetheairtemperatureinthecropcanopyeffectively.K ey words tunnel greenhouse; microclimate; wind regime; vent configuration; computational fluiddynamics收 稿 日 期 2017-3-9 修 回 日 期 2017-4-12基 金 项 目 上 海 市 科 技 兴 农 重 点 攻 关 项 目 （ 沪 农 科 攻 字 （ 2009） 第 8-1 号 ） 和 国 家 高 新 技 术 研 究 发 展 计 划 （ 863 计 划 ） 项 目 （ 2012AA10A505）作 者 简 介 何 科 奭 1981-， 男 ， 博 士 ， 主 要 从 事 温 室 环 境 控 制 、 温 室 微 气 候 数 值 模 拟 研 究 ， E-mail 通 信 作 者 陈 大 跃 1958-， 男 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 主 要 从 事 农 业 装 备 、 温 室 智 能 控 制 研 究 ， E-mail 网络出版时间2017-06-29 133846网络出版地址http// 业 机 械 学 报引 言 单 栋 塑 料 温 室 是 我 国 华 东 地 区 最 主 要 设施 类 型 。 这 类 温 室 依 靠 自 然 通 风 调 控 室 内 气候 。 华 东 地 区 属 于 亚 热 带 气 候 ， 夏 季 时 常 发 生浮 力 通 风 ， 且 常 遭 遇 高 温 、 高 湿 、 强 辐 射 、 低风 速 天 气 。计 算 流 体 力 学 （ CFD） 技 术 作 为 一 种 工 具用 于 研 究 温 室 自 然 通 风 始 于 L.OKUSHIMA等工 作[1]。 到 90年 代 中 后 期 ， 许 多 学 者 借 助 CFD技 术 研 究 温 室 自 然 通 风 微 气 候 [2-9]。 对 于 华 东地 区 单 栋 塑 料 温 室 ， 沈 明 卫 等 [10-11]通 过 对 不 同风 向 下 单 栋 塑 料 温 室 内 气 流 场 的 仿 真 分 析 得出 了 风 向 对 温 室 内 气 流 分 布 具 有 主 导 作 用 。 王健 等 [12]比 较 了 不 同 开 窗 对 单 栋 塑 料 温 室 内 流场 的 影 响 ， 得 出 了 风 压 通 风 下 天 窗 加 侧 窗 是 最理 想 的 开 窗 方 案 。 陈 加 浪 等 [13]评 估 了 不 同 风 速下 增 开 天 窗 对 单 栋 塑 料 温 室 内 流 场 的 影 响 。 郝飞 麟 等[14-15]揭 示 了 自 然 通 风 下 单 栋 塑 料 温 室内 温 湿 度 场 、 CO2浓 度 场 等 多 物 理 场 特 征 。 当前 ， 依 旧 还 缺 乏 对 极 低 风 速 下 小 于 0.6m/s温室 微 气 候 特 征 的 系 统 揭 示 。 本 文 拟 构 建 单 栋 塑料 温 室 CFD模 型 ， 探 索 开 窗 配 置 对 温 室 内 微 气候 场 的 影 响 ， 通 过 温 室 通 风 效 果 的 评 估 来 优 化开 窗 配 置 。 然 后 ， 研 究 极 低 风 速 尤 其 是 浮 力 通风 时 不 同 风 速 和 开 窗 下 温 室 内 气 流 和 温 度 场分 布 特 征 和 规 律 。1 数 值 建 模1.1 本 构 方 程计 算 流 体 力 学 的 发 展 能 够 使 得 在 计 算 域的 网 格 上 用 有 限 体 积 法 求 解 输 运 方 程 以 获 得流 场 ， 描 述 三 维 空 间 内 自 由 对 流 下 输 运 现 象 的守 恒 方 程 为 [16] \*MERGEAT1式 中  通 用 变 量S 广 义 源 项Г 广 义 扩 散 系 数2 拉 普 拉 斯 算 子u、 v、 w 流 体 速 度 矢 量 的 组 成 部 分x、 y、 z 笛 卡 尔 坐 标式 1在 直 接 计 算 湍 流 运 动 时 对 内 存 空 间 和 计算 速 度 要 求 非 常 高 ， 通 常 引 入 湍 流 模 型 进 行 简化 处 理 。 考 虑 到 单 栋 塑 料 温 室 内 空 气 流 动 通 常是 湍 流 [17]， 本 文 选 择 RNG k  模 型 来 进 行 湍流 模 拟 ， 采 用 标 准 壁 面 函 数 法 来 处 理 近 壁 区 湍流 。 激 活 Boussinesq模 型 ， 把 温 差 引 起 的 浮 力升 项 加 入 到 动 量 守 恒 方 程 的 源 项 。 激 活 组 分 模型 ， 模 型 中 空 气 假 设 为 水 蒸 气 和 干 空 气 的 混 合物 ， 彼 此 之 间 没 有 发 生 化 学 反 应 ， 通 风 过 程 中各 组 分 传 输 满 足 组 分 守 恒 定 律 。 激 活 DO辐 射 模型 来 描 述 温 室 内 外 辐 射 转 移 对 室 内 气 候 的 影响 。 在 参 数 设 置 中 ， 角 度 离 散 选 项 设 为 默 认 值 。Fluent只 求 解 4个 象 限 ， 共 4NθNΦ个 方 向 。 每 次辐 射 迭 代 过 程 中 ， 流 体 迭 代 次 数 设 为 10。1.2 数 值 建 模 和 网 格 生 成选 择 Gambit 2.3.16 作 为 CFD 前 处 理 器 进行 数 值 建 模 和 网 格 生 成 。 数 值 建 模 时 ， 考 虑 到自 然 通 风 下 单 栋 塑 料 温 室 微 气 候 受 大 气 边 界层 气 候 的 影 响 ， 故 计 算 域 将 温 室 外 区 域 包 括 在内 ， 其 范 围 应 以 不 影 响 室 内 流 场 特 性 为 准 。 三维 CFD 模 型 计 算 域 长 为 100m（ 迎 风 向 长 为 20m， 背 风 向 长 为 50m） ， 宽 为 40m， 高 为 20m。迎 风 向 长 、 背 风 向 长 、 高 度 分 别 是 温 室 脊 高 的6 倍 、 15 倍 、 6 倍 ， 能 满 足 文 献 [18]所 规 定 的 外围 计 算 域 迎 风 向 长 度 、 背 风 向 长 度 和 高 度 至 少是 温 室 脊 高 的 3 倍 、 7 倍 和 5 倍 的 要 求 。 网 格划 分 时 ， 温 室 外 区 域 采 用 Cooper 法 以 网 格 密 度较 疏 的 六 面 体 单 元 划 分 以 减 少 不 必 要 计 算 时间 ； 温 室 内 区 域 采 用 TGrid 法 以 网 格 密 度 较 密的 四 面 体 单 元 划 分 以 捕 捉 温 室 内 流 场 分 布 ； 作物 冠 状 层 采 用 Map 法 以 网 格 密 度 更 密 的 六 面体 单 元 划 分 ； 考 虑 到 近 壁 面 流 场 变 化 梯 度 大 ，故 生 成 四 层 边 界 层 ； 网 格 走 势 呈 现 从 内 向 外 辐射 状 。 最 终 ， 总 网 格 数 约 180 万 左 右 ， 其 中 温室 内 网 格 数 为 50 万 ， 作 物 冠 状 层 网 格 数 为 5万 。 当 实 际 风 向 和 温 室 朝 向 垂 直 时 ， 三 维 CFD模 型 通 常 简 化 为 二 维 来 处 理 以 减 小 不 必 要 的计 算 量 。 二 维 CFD模 型 外 围 计 算 域 尺 寸 为 40m20m。 其 中 ， 迎 风 向 长 、 背 风 向 长 、 高 度 分别 是 温 室 脊 高 的 10 倍 、 10 倍 、 6 倍 ， 能 满 足文 献 [18]要 求 。 在 网 格 划 分 上 ， 整 个 计 算 域 中温 室 外 区 域 以 尺 寸 为 0.33 m 的 四 边 形 网 格 来划 分 ， 共 生 成 7300 个 网 格 ， 网 格 走 势 呈 现 从内 向 外 辐 射 状 。 温 室 内 区 域 以 尺 寸 为 0.04m 的三 角 形 网 格 来 划 分 ， 共 生 成 36106 个 网 格 。 作物 冠 状 层 内 网 格 做 进 一 步 加 密 ， 以 尺 寸 为 0.02m的 四 边 形 网 格 来 划 分 ， 该 区 域 内 共 生 成 6,500个 网 格 。 温 室 壁 面 加 上 四 层 边 界 层 网 格 。 最 终 ，      2u v w Sx y z           整 个 计 算 域 内 共 生 成 约 50016 个 网 格 。1.3 边 界 条 件进 口 空 气 假 设 为 不 可 压 缩 的 ； 计 算 域 （ 迎风 向 ） 入 口 为 速 度 进 口 边 界 ， 大 气 边 界 层 的 风剖 面 符 合 对 数 规 律 ， 即 [19]\*MERGEAT2其 中 \* MERGEAT 3式 中 Uw 外 界 风 速u* 摩 擦 速 率uh 参 考 风 速 参 考 高 度 2.0m处 的 测量 风 速 h 参 考 高 度 ， 取 2.0mK 冯 卡 门 系 数 ， 取 0.42z 离 地 高 度zo 地 面 粗 糙 度 ， 根 据 有 关 标 准 [19]，取 0.015计 算 域 出 口 （ 背 风 向 ） 流 体 假 设 已 充 分 发展 , 即 压 力 出 口 ； 计 算 域 顶 部 （ 天 空 ） 设 为 非滑 移 半 透 明 壁 面 以 加 载 太 阳 辐 射 。 室 内 外 地 面设 为 不 透 明 的 散 射 壁 面 。 温 室 薄 膜 覆 盖 物 设 为有 一 定 厚 度 的 半 透 明 壁 面 ， 其 漫 反 射 分 数 设 为20。 所 有 壁 面 温 度 设 为 固 定 且 均 匀 分 布 。 在固 体 壁 面 上 对 所 有 组 分 均 使 用 零 扩 散 通 量 。 考虑 太 阳 辐 射 的 热 效 应 ， 材 料 光 学 属 性 对 所 有 波长 的 辐 射 假 设 都 为 常 数 ， 即 漫 灰 辐 射 。 数 值 模型 边 界 条 件 来 自 于 现 场 实 验 数 据 ， 如 表 1所 示 。表 1CFD模 型 的 边 界 条 件Tab.1 Boundary condition used in the CFD model参 数 边 界 条 件 值2010.8.4 2010.8.29进 口 空 气 空 气 温 度 /C 36.0 30.0重 力 加 速 度 /g 9.81 9.81密 度 ρ/kg·m-3 1.246 1.165比 热 Cρ/Jkg·K-1 1006.7 1006.7导 热 系 数 λ/Wm·K-1 0.025 0.0263热 扩 散 系 数 β/K-1 3.23510-3 3.29910-3粘 度 动 力 μ/kg·m-1·s-1 1.89610-5 1.86810-5湍 流 强 度 / 5 5湍 流 尺 度 /m 3 3温 室 外 部 土 壤 温 度 /C 38.5 28.4温 室 内 部 土 壤 温 度 /C 45.9 29.6薄 膜 温 度 /C 40.7 28.2太 阳 辐 射 /Wm-2 792 110净 辐 射 /Wm-2 102 36风 风 速 u/m·s-1 0.6 1.6风 向 / 176 87辐 射 模 型 求 解 中 ， 所 需 要 材 料 光 学 和 热 学属 性 见 表 2。 表 2 材 料 的 光 学 和 热 学 属 性Tab.2 Material optical and thermal parameters防 虫 网 在 CFD模 型 中 以 多 孔 介 质 来 处 理 ，其 产 生 的 阻 力 可 由 Darcy-Forcheimer方 程 来 表示 ， 防 虫 网 的 惰 性 因 子 和 渗 透 率 可 以 分 别 按 照以 下 经 验 公 式 来 计 算 [21] 9 1.63.44 10pK  \* MERGEAT 42 2.134.3 10FC   \* MERGEAT 5式 中 Kp 惰 性 因 子CF 渗 透 率α 孔 隙 率 ， 0.67温 室 空 心 菜 对 室 内 微 气 候 的 影 响 主 要 是 通过 CFD模 型 边 界 条 件 的 设 置 来 体 现 。 温 室 作 物 冠状 层 在 CFD模 型 中 以 多 孔 介 质 来 处 理 ， 其 产 生 的动 量 源 项 可 以 由 Darcy-Forcheimer方 程 来 表 示 。 作物 对 周 围 空 气 的 阻 力 是 由 粘 滞 阻 力 和 惯 性 阻 力组 成 [22]。 考 虑 到 作 物 冠 状 层 内 空 气 速 率 很 小 ， 因此 粘 滞 阻 力 通 常 可 以 忽 略 ， 所 以 只 需 要 计 算 惯 性阻 力 。 惯 性 阻 力 是 由 空 气 速 度 U、 叶 面 积 密 度 ILA和 作 物 冠 状 层 阻 力 系 数 Cd决 定 。 叶 面 积 密 度 ILA可以 根 据 实 验 测 量 得 到 。 作 物 冠 状 层 阻 力 系 数 Cd可以 通 过 风 洞 测 试 得 到 。 对 于 不 同 形 状 和 大 小 的 作物 差 别 很 小 [23-24]， 这 里 取 Cd 0.26。作 物 冠 状 层 与 室 内 空 气 的 能 量 交 换 是 通过 作 物 蒸 腾 作 用 来 实 现 。 从 能 量 平 衡 角 度 看 ，参 数 覆 盖 物 土 壤 作 物密 度 /kg·m-3 923 1,600 700热 导 率 /WmK-1 0.33 0.30 0.17比 热 /Jkg·K-1 2,300 890 2,310吸 收 率 0.37 0.85 0.46散 射 系 数 0.3 1.0 0折 射 率 1.52 1.92 2.77发 射 系 数 0.70 0.95 0.65* ln ow oz zuU K z     * ln /ho oKuu h z z 温 室 作 物 吸 收 太 阳 辐 射 能 后 ， 一 部 分 通 过 蒸 腾作 用 扩 散 到 空 气 中 去 ， 另 外 一 部 分 通 过 对 流 作用 与 周 边 空 气 进 行 热 量 交 换 。 因 此 ， 室 内 作 物吸 收 的 辐 射 量 等 于 作 物 与 温 室 内 空 气 的 潜 热和 显 热 交 换 量 ， 可 表 示 为 [25]abs sen latR Q Q  6其 中 2 c isen LA p aT TQ I C r  7c alat LA a sw wQ I r r   8式 中 Rabs 辐 射 量 蒸 发 潜 热Qsen、 Qlat 显 热 和 潜 热 交 换 量ra、 rs 叶 片 空 气 动 力 学 阻 力 和 气 孔 阻力 Tc、 Ti 作 物 叶 片 表 温 和 作 物 附 近 气 温wc、 wa 作 物 和 附 近 空 气 的 绝 对 湿 度ILA 叶 面 积 密 度 空 气 密 度Cp 固 定 大 气 压 下 空 气 比 热对 于 叶 片 空 气 动 力 学 阻 力 和 气 孔 阻 力 而 言 ，其 值 依 赖 于 作 物 冠 状 层 内 空 气 速 度 和 气 候 环 境 。叶 片 空 气 动 力 学 阻 力 和 空 气 速 率 有 关 ， 其 表 达 式可 以 参 照 文 献 [26]。 气 孔 阻 力 表 达 式 可 以 参 照 文献 [27]。作 物 冠 状 层 动 量 、 质 量 和 能 量 转 移 过 程 可 以通 过 源 项 加 载 到 基 本 控 制 方 程 中 来 体 现 。 这 些 源项 通 过 用 户 自 定 义 函 数 （ userdefinefunction） 耦合 到 CFD模 型 中 。1.4 求 解 步 骤求 解 过 程 是 利 用 分 离 求 解 器 以 求 解 压 力 耦合 方 程 组 的 半 隐 式 方 法 进 行 迭 代 计 算 求 解 。 选择 体 积 力 加 权 法 进 行 压 力 离 散 。 求 解 时 ， 首 先以 一 阶 迎 风 格 式 计 算 ， 到 收 敛 后 再 以 二 阶 迎 风格 式 计 算 直 到 再 次 收 敛 为 止 。 在 纯 浮 力 通 风（ 外 界 风 速 为 0.0m/s） 下 ， 为 了 快 速 收 敛 ， 求解 首 先 是 以 低 瑞 利 数 开 始 ， 为 此 将 重 力 加 速 度减 小 3 个 数 量 级 ， 即 设 为 0.0098m/s2， 方 程 离散 格 式 设 为 一 阶 离 散 计 算 至 收 敛 。 在 第 一 步 基础 上 重 力 加 速 度 设 为 9.8m/s2， 离 散 格 式 依 旧不 变 ， 求 解 器 设 为 非 稳 态 分 析 ， 计 算 至 收 敛 。最 后 ， 求 解 器 设 为 稳 态 分 析 ， 离 散 格 式 设 为 二阶 离 散 ， 计 算 至 收 敛 。 求 解 时 ， 能 量 残 差 收 敛标 准 设 为 10-6， 其 他 变 量 残 差 收 敛 标 准 设 为10-3。 数 值 仿 真 时 ， 选 择 ANSYSWorkbench12.0的 ANSYSFluent 作 为 通 用 CFD 解 算 器 。 所 有仿 真 在 AMDphenomIIX4965,4GB内 存 的 计算 机 上 进 行 。 每 个 仿 真 算 例 计 算 需 要 10h 才 能至 完 全 收 敛 。2 实 验2.1 实 验 温 室实 验 温 室 位 于 上 海 市 浦 东 新 区 孙 桥 现 代农 业 园 区 （ 东 经 121.63， 北 纬 31.18） ， 屋 脊为 南 北 朝 向 ； 温 室 长 30.0m， 宽 7.9m， 脊 高3.3m； 侧 窗 长 28.0m， 宽 1.2m， 配 有 防 虫 网 ；南 北 门 宽 1.9m， 高 2.0m； 覆 盖 材 料 为 低 聚 乙烯 薄 膜 ， 温 室 内 种 植 着 3 排 空 心 菜 ， 高 度 略 有差 异 。 现 场 实 验 温 室 见 图 1。图 1 华 东 地 区 单 栋 塑 料 温 室Fig.1Tunnel greenhouse in eastern China2.2 实 验 方 法 、 步 骤 和 过 程整 个 实 验 总 共 分 2 组 进 行 ， 第 1 组 实 验 的测 试 日 期 为 2010 年 8 月 4 日 ， 华 东 夏 季 晴 天高 温 天 气 。 当 前 风 向 为 南 风 （ 即 与 温 室 朝 向 垂直 ） ， 风 速 为 0.6m/s。 期 间 ， 单 栋 塑 料 温 室 内种 植 着 南 北 朝 向 、 高 度 略 有 差 异 的 3排 空 心 菜 。这 些 空 心 菜 的 叶 面 积 指 数 由 作 物 冠 层 分 析 仪测 量 得 6.0m2/m2。 现 场 实 验 从 上 午 11 00 开始 ， 期 间 温 室 所 有 门 窗 都 处 于 完 全 打 开 状 态 。外 界 气 象 参 数 由 室 外 温 湿 度 、 风 向 风 速 、 辐 射等 传 感 器 自 动 采 集 ， 这 些 传 感 器 放 在 自 制 的 支架 上 。 该 支 架 放 于 迎 风 向 距 离 温 室 20m 远 处 ，离 地 高 2.0m。 现 场 实 验 是 在 温 室 南 北 中 间 截面 内 。 温 室 内 实 验 测 点 位 置 见 图 2。1.2 m 1.2 m1.2 m T1T2T4T5 T31.0 m T6T7 T8 T9T10 nbsp; nbsp;空 气 温 湿 度 测 点 表 温 测 点T1 T111.2 m 1.2 m1.3 m0.6 m0.6 m T2T3 T4T5T6T7 T102.5 m 2.5 m nbsp; nbsp;空 气 温 湿 度 测 点 表 温 测 点T8 T9图 2 单 栋 塑 料 温 室 实 验 测 点 位 置 图2010年 8 月 4 日 Fig.2 Measured position in the tunnel greenhouse4,August,2010从 图 2 中 看 出 ， 空 气 温 湿 度 传 感 器 （ T1 T3， T4 T6） 分 别 放 置 在 温 室 内 距 离 左 右 两 侧窗 2.5m 远 处 ， 离 地 高 为 0.6、 1.2、 2.5m， 用来 监 测 温 室 内 空 气 温 湿 度 的 垂 直 梯 度 变 化 。 铂电 阻 T7T9粘 贴 在 薄 膜 背 面 ， 用 来 测 量 温 室 薄膜 覆 盖 物 温 度 ； 铂 电 阻 T10被 粘 贴 在 地 面 ， 用来 测 试 温 室 内 地 面 温 度 ； 铂 电 阻 T11粘 贴 在 叶片 的 背 面 ， 用 来 测 量 作 物 叶 片 的 温 度 。 所 有 传感 器 均 连 接 到 自 制 的 端 子 板 ， 通 过 并 口 线 连 接到 PCI9112/9118 数 据 采 集 卡 进 行 数 据 采 集 。 现场 工 作 是 Norco 工 控 机 ， 运 行 在 工 控 机 上 的 是基 于 LabVIEW 平 台 的 采 样 程 序 。 其 采 样 频 率为 10Hz， 采 样 时 间 为 0.5h。 实 验 期 间 ， 外 界气 候 变 化 稳 定 。 采 样 结 束 后 ， 所 有 气 象 数 据 均取 均 值 处 理 。第 2 组 实 验 的 测 试 日 期 为 2010 年 8 月 29日 ， 华 东 多 云 天 气 ， 当 前 风 向 与 温 室 朝 向 几 乎垂 直 ， 太 阳 处 于 最 大 高 度 角 。 现 场 实 验 是 在 温室 南 北 中 间 截 面 内 。 温 室 内 测 点 位 置 见 图 3。图 3 单 栋 塑 料 温 室 实 验 测 点 位 置 图（ 2010年 8 月 29 日 ）Fig.3 Measured position in the tunnel greenhouse29,August,2010由 图 3 可 得 ， 温 室 中 间 截 面 内 沿 水 平 方 向依 次 放 置 了 1 排 5 个 空 气 温 湿 度 传 感 器T1T5， 其 高 度 位 置 距 离 地 面 高 度 1.2m 方 向以 上 ， 每 个 传 感 器 相 互 间 隔 为 1.0m。 温 室 内共 有 5 个 表 温 测 点 ， 其 中 薄 膜 上 有 3 个 测 点T6T8、 地 面 有 1 个 测 点 T9、 叶 片 有 1 个 测点 T10。 每 个 测 点 的 温 度 都 是 由 手 持 式 的 近 红外 测 温 仪 直 接 测 量 ， 平 均 每 10min 测 量 一 次并 做 好 手 工 记 录 。 测 试 期 间 ， 单 栋 塑 料 温 室 内种 植 着 3 排 成 熟 的 空 心 菜 ， 其 叶 面 积 指 数 由 作物 冠 状 层 分 析 仪 实 验 测 量 得 5.1m2/m2。现 场 实 验 从 上 午 11 30 开 始 ， 期 间 温 室门 窗 一 直 处 于 完 全 打 开 状 态 ， 外 界 气 候 稳 定 。室 外 气 象 参 数 由 风 速 、 风 向 、 温 湿 度 、 辐 射 等传 感 器 自 动 采 集 ， 这 些 传 感 器 均 放 在 自 制 的 支架 。 该 支 架 放 于 迎 风 向 距 离 温 室 20m 远 处 ，离 地 高 为 2m。 采 样 频 率 为 10Hz， 采 样 数 据 每1min 取 一 次 平 均 值 ， 采 样 时 间 为 60min。3 结 果 与 讨 论3.1 CFD 模 型 的 验 证3.1.1 二 维 CFD 模 型 的 验 证表 3 给 出 了 当 风 向 垂 直 于 温 室 朝 向 时 室 内各 个 测 点 的 气 温 实 验 值 和 模 拟 值 。表 3 温 室 内 各 测 点 的 气 温 实 验 值 和 模 拟 值 的 比 较Tab.3 Comparisons of the experimental and numericalair temperature in the greenhouse测 点 模 拟 值 /C 实 测 值 /C 偏 差 /CT1 31.2 31.8 0.6T2 29.8 29.6 0.2T3 29.3 29.1 0.2T4 28.5 28.8 0.3T5 28.2 28.4 0.2由 表 3 可 得 ， 温 室 内 气 温 实 验 值 和 模 拟 值两 者 误 差 在 1.0C 内 。 其 误 差 来 源 在 于 数 值 模型 中 忽 略 了 温 室 地 面 蒸 发 作 用 和 室 内 热 空 气通 过 薄 膜 缝 隙 向 外 渗 透 。 因 此 ， 所 构 建 的 二 维CFD 模 型 是 有 效 的 ， 它 能 准 确 预 测 单 栋 塑 料 温室 内 气 候 分 布 。3.1.2 三 维 CFD 模 型 的 验 证表 4 给 出 了 当 风 向 平 行 于 温 室 朝 向 时 温 室内 所 有 测 点 气 温 的 实 验 值 和 模 拟 值 。表 4 温 室 内 各 测 点 的 气 温 实 验 值 和 模 拟 值 的 比 较Tab 4. Comparisons of the experimental and numericalair temperature in the greenhouse离 地 高 度/m 测 点 模 拟 值/C 实 测 值/C 偏 差/C0.6 T1 37.4 38.2 0.8T4 37.4 38.4 1.01.2 T2 37.5 38.3 0.8T5 37.4 38.5 1.12.5 T3 38.5 37.8 0.7T6 38.8 37.7 1.1从 表 4 中 看 出 ， 当 外 界 风 速 为 0.6m/s 且气 温 为 36.0C 时 ， 温 室 内 各 测 点 气 温 的 实 验 值和 模 拟 值 的 偏 差 在 0.71.1C 之 间 ， 相 对 误 差在 5之 内 。 室 内 气 温 模 拟 值 都 小 于 实 测 值 ，其 原 因 在 于 数 值 模 型 中 忽 略 了 温 室 地 面 蒸 发作 用 和 室 内 热 空 气 通 过 薄 膜 缝 隙 向 外 渗 透 。 从整 体 上 看 ， 温 室 内 各 点 （ T1 T6） 的 气 温 模 拟值 和 实 验 值 均 吻 合 得 较 好 ， 误 差 都 在 可 接 受 的范 围 内 。 因 此 ， 所 构 建 的 三 维 CFD 模 型 是 有 效的 ， 它 能 准 确 预 测 夏 季 浮 力 通 风 下 单 栋 塑 料 温室 内 气 候 分 布 。3.2 实 验 与 仿 真 结 果 分 析由 表 1 可 知 ， 2010年 8 月 4 日 边 界 值 能 反应 华 东 地 区 夏 季 典 型 高 温 气 候 ， 实 验 期 间 气 候参 数 值 变 化 幅 度 小 ， 几 乎 为 固 定 。 因 此 CFD 模型 中 使 用 该 边 界 值 作 为 输 入 进 行 稳 态 仿 真 分析 。 分 析 侧 窗 通 风 下 温 室 内 微 气 候 特 征 ， 同 时人 为 假 设 顶 窗 开 启 ， 研 究 顶 窗 通 风 和 顶 侧 窗 通风 下 温 室 内 微 气 候 特 征 。3.2.1 开 窗 配 置 对 单 栋 塑 料 温 室 内 微 气 候 场 的影 响 图 4 给 出 了 当 风 向 与 温 室 朝 向 垂 直 时 不 同开 窗 配 置 下 单 栋 塑 料 温 室 内 气 流 和 温 度 场 。 在每 组 开 窗 配 置 下 ， 通 风 窗 打 开 至 最 大 位 置/p