CFD数值模拟技术在温室环境因子调控中的应用.pdf

第10 卷 第7 期 农 业 工 程 Vol 10 No 7 2020 年7 月 Agricultural Engineering Jul 2020 收稿日期 2020 03 23 修回日期 2020 05 13 基金项目 四川省教育厅重点项目 项目编号 15ZA0016 作者简介 胡建 硕士 副教授 研究方向 农业生物环境与能源工程 E mail hjsicau 126 com 在线投稿 www d1ae com CFD 数值模拟技术在温室环境因子调控中的应用 胡 建 四川农业大学水利水电学院 四川雅安 625014 摘 要 为了给作物提供适宜的生长环境 使作物免受外部气候条件的影响和虫害的入侵 控制温室内部的微环境十 分重要 温室内部的微环境包括温度 湿度和通风速率等环境因子 对作物生长起着至关重要的作用 计算流体力学 CFD 作为一种数值模拟仿真技术 近年来已经广泛用于温室内微环境的模拟 利用 CFD 对温室内微环境进行模 拟 实现温室内流场分布的可视化 有利于优化和改善环境调控措施 讨论了近年来国内外有关 CFD 在温室通风降 温中的研究概况 介绍其在温室微环境模拟中的发展现状 面临的挑战及未来的应用前景 关键词 计算流体力学 温室 微环境 中图分类号 S625 5 文献标识码 A 文章编号 2095 1795 2020 07 0043 06 Application of CFD Numerical Simulation Technology in Greenhouse Environmental Factor egulation HU Jian College of Water Conservancy and Hydropower Engineering Sichuan Agricultural University Ya an Sichuan 625014 China Abstract In order to provide a suitable growth environment for crops and protect crops from impact of external climatic condi tions and insect invasion it is important to control micro environment inside greenhouse Micro environment inside greenhouse includes environmental factors such as temperature humidity and ventilation rate which play an important role in crop growth Computational fluid dynamics CFD as a numerical simulation technology has been widely used in simulation of micro envi ronment in greenhouse in recent years By using CFD to simulate micro environment in greenhouse to realize visualization of flow field distribution in greenhouse which is beneficial to optimize and improve environmental control measures esearch stituation of CFD in greenhouse ventilation and cooling at home and abroad in recent years were discussed Furthermore present situation of development in greenhouse micro environment simulation existing challenges and application prospect in the future were intro duced Keywords computational fluid mechanics greenhouse micro environment 0 引言 近年来 随着生活水平的不断提高 人们对高品 质农产品的需求越来越大 高效的温室生产成为必 要 温室通过控制内部微环境为作物生长提供适宜条 件 同时让作物免受外部气候条件的影响和害虫的入 侵 温室属于半封闭系统 由于存在 温室效应 在炎热的夏季 温室内部温度会超过作物生长的界 限 需要采用高效的降温措施来降低温室内的温度 因此 优化通风设施设计 合理选择降温方法是提高 温室生产效率的关键 1 通风是温室生产的关键过 程 其目的主要在于消除多余热量 增强二氧化碳和 氧气的交换 并维持可接受的温度水平 在冬季 通 风可以疏散多余的湿度并为植物提供适宜的气候条 件 在夏季 通风主要用于冷却温室内部的空气和去 除水蒸气 通风过程的每一个步骤都会对作物生长产 生很大影响 不同通风方式对温室内部温度控制的效 果大不相同 同时温室中也存在很多未知的因素影响 降温效果 采用传统现场实测 物理模型模拟等方 法 试验周期长 成本高 数据可靠性低 并不适合 普遍运用 计算流体力学 computational fluid dynam ics 简称CFD 是近代流体力学 数值模拟和计算 机科学相结合的产物 应用 CFD 模型对温室内微环 境的分布情况进行数值模拟 有利于理解微气候发展 的流场 优化和改善通风方法及降温措施 为作物生 长提供更加适宜的环境 2 农业工程 信息与电气化 1 CFD原理和应用方法 计算流体力学运用电子计算机 应用各种离散 化的数学方法 对实际情况下的流体力学问题进行 计算机模拟 分析研究及数值试验 在一定程度上 可代替现实情况下耗资巨大的流体力学试验 控制 流体流动的微分方程由计算机进行数值求解 得到 流体所在流场在连续区域的离散分布 近似模拟出 流体流动情况 CFD 是流体力学的一个分支 而 CFD软件通常是指商业化的CFD程序 CFD软件可 供研究人员对实际流体力学问题进行仿真模拟 对 存在的问题进行研究和分析 目前比较常用的 CFD 软件有 Fluent CFX Star CD Phoenics 和 flow 3D 等 以 Fluent为例 运用 CFD软件进行数值模拟分 析的过程可分为前处理 求解和后处理3 个阶段 如图1 所示 图1 CFD模拟技术应用步骤 Fig 1 Application steps of CFD simulation technology 1 1 前处理 前处理阶段主要包括确定计算域 计算域几何建 模 网格划分 流体物性参数设置及边界条件的设 定 计算域选取方面 室外区域选取越大 与实际空 气流动情况的吻合程度越高 但计算区域越大 划分 的网格数目也会相应增大 从而使数值计算的时间延 长 应根据运算能力和所需试验精度 合理确定纳入 计算域的室外空间区域 计算域几何建模可通过三维 CAD软件建立 该种方式创建模型较为简单 但存 在一些曲面不封闭和无用断线等问题 需在导入网格 软件后进行简化和修复 第2 种方式是直接在网格生 成软件中创建模型 如使用 Gambit ICEM 等 该种 方式创建的几何模型精度高 但操作过程相对复杂 网格划分可分为结构化网格划分和非结构化网格划 分 结构化网格划分的网格区域其内部点都具有相同 的相邻单元 非结构化网格划分的区域其内部点则具 有不同的相邻单元 温室内部构造相对复杂的部分及 温室内外空气交换的附近区域需要进行加密处理 可 进行非结构化网格划分 用于应对此类较为复杂的求 解区域 流体特性设置即设置所研究的流体物质参 数 用于微分方程的求解 一般需要设定的物质参数 包括密度 黏度 热传导系数和比热容等 边界条件 的设定即是设定流体在计算边界上应当遵循的数学物 理条件 其主要用于模拟流体在边界时发生的一系列 物理过程 边界条件主要可分为壁面条件 不同介质 分区条件 流体条件 固体条件 多孔介质条件和流 体进出口条件等 1 2 求解 求解过程主要包括物理模型的选择和求解的设 置 物流模型选择即是确定流体在计算域中所需要遵 循的物理过程 用于确定模拟时流体的流动状况和能 量变化 一般常见的物理模型有湍流模型 辐射模 型 N S方程 能量方程和多相流方程等 对于自然 通风条件下的温室内部而言 其空气流速相对较低 空气流动过程中温度变化不大 故可视为不可压缩流 体运动 因而用 CFD 建模的方式模拟温室中的通风 降温情况 其基本控制方程主要有湍流方程 能量方 程和N S方程 同时可根据温室中的实际情况增加辐 射模型 多相流模型等 以减小模拟误差 求解设置 可分为流场初始化 求解控制与收敛判定 初始化及 设定流场的初始条件 为流场设定初始值 然后计算 机根据初始值和物理模型进行数值跌代 得到计算域 每一点处的解 求解过程中为了提高计算精度 同时 控制好计算的过程 还需要对求解器进行松弛因子 离散格式方面的设置 1 3 后处理 后处理包括流程特性结果可视化处理及计算结果 的可靠性验证 方程求解后的结果是离散后各网格节 点上的一系列数值 不十分直观 难以被相关人员理 解和分析 需要借助一些软件将求解结果进行可视化 和整理 变成便于研究分析的数据图表 计算结果的 可靠性分析 即通过将模拟求解得到的流场特性和试 验研究得到的结果进行比较 若模拟结果与试验测试 结果基本吻合 误差在合理范围内 就可以认定 CFD的数值模拟是可靠的 可以用作当前实际温室 的分析研究与抽象表达 44 胡建 CFD数值模拟技术在温室环境因子调控中的应用 1 4 CFD的特点 各种 CFD 通用软件的数学模型都是以 Navier Stokes方程和各种湍流模型 以及多相流模型 燃烧 和化学反应流模型 自由面流模型和非牛顿流体模型 等组成 多数附加模型都增加了一些附加源项 附加 输运方程和离子与主体方程 随着应用范围的扩大和 新方法的出现 新模型也不断增加 离散方法采用有 限体积法 FVM 或有限元法 FEM 有限体积法 继承了有限差分法的丰富格式 具有良好的守恒性 能像有限元素法那样采用各种形状的网格以适应复杂 的边界几何形状 且比有限元素法简便 因此多数计 算流体力学软件都采用有限体积法 然而有限元法也 有其优点 其对高阶导数的离散精度高于有限体积 法 有限元方法更适合于流体力学和固体力学的耦 合 如气动弹性 振动和噪声等 因此在 CFD 方法 中有自己的领域 目前国内 CFD 通用软件 Phoenics Fluent Star CD CFX TASCflow 和 Numeca 均采用有 限体积法 著名的有限元软件 ANSYS 由流体力学计 算模块组成 适用于合流固耦合计算 CFD软件配备网格生成 预处理 和流量显示 后处理 模块 网格生成质量对计算精度和稳定性 有很大影响 但在几何图形复杂的区域生成良好的网 格相对较好 网格生成能力的强弱也是衡量 CFD 通 用软件性能的重要因素 网格分为两类 结构网格和 非结构网格 目前广泛使用的是结构网格 对于复杂 情况 解域根据其拓扑性质被划分为若干子域 每个 子域通过分区或分区重叠技术连接 现在 CFD 通用 软件可以使用 CAD 软件对流场几何输入进行建模 但生成结构化网格仍然耗时和费力 2 温室CFD应用现状 20 世纪60 年代 计算流体力学在世界范围内得 到发展 并逐渐被应用到温室内微环境的模拟中 CFD 数值模拟技术对温室内部微环境的研究首先在 荷兰 以色列等国家的温室中得到应用 早期 国外 对温室的初步研究是以小温室和比例温室为基础 在 室内无作物的情况下 对室内气流和温度场的分布进 行二维模拟 OKUSHIMA L 等 3 针对斜屋顶单跨塑 料温室内微环境进行了二维模拟 MIST IOTIS A 等 4 运用CFD技术对长度为32 m的双跨地中海温室 中的微气候进行模拟 研究表明 外部空气通过屋顶 通风口的背风端进入 并在迎风端退出 SHO T T H 等 5 通过CFD在温室中的二维模拟来研究温室中的 作物对微环境的影响 BA TZANAS T等 6 和KITTAS C等 7 在单跨温室中对流场进行二维模拟 并依据模 拟结果优化单跨温室的设计 FATNASSI H 等 8 的研 究也证实 温室的高度和形状会较大地影响其通风降 温速率 对于某些结构复杂的温室 如大型连栋温 室 特点是交替不连续的屋顶通风开口 在内部形成 了复杂的流场 二维数值模拟无法正确再现这种温室 内部的流场 伴随着计算机的发展 近年来 国外的学者已经 能够对不同类型温室进行三维 CFD 模拟研究 模拟 结果更加真实可靠 SHKLYA A 等 9 对斜屋顶单跨 温室内部微环境进行了三维模拟 CAMPEN J B 10 对 单跨和三跨的热带温室进行三维模拟 同时考虑了浮 力 内部作物和防虫网等因素对模拟的影响 TEI TEL M等 11 对四跨地中海温室进行三维模拟 同时 考虑了热辐射 浮力和作物的影响 PISCIA D 等 12 利用该种方法对不同风速和通风口开度对通风率的影 响和不同天空温度和呼吸机开度对对流传热系数的影 响进行了研究 ZHANG X等 13 对中国日光温室温度 分布进行了三维模拟和优化 由于湍流模型得到了较好的应用和发展 温室内 作物和设施与环境之间的耦合问题得到越来越多的重 视 如温室内小气候不仅受温室内对流转移的支配 辐射也起着关键的作用 但是辐射过程很复杂 在模 拟中通常以简化的方式处理 WANG S J等 14 建立了 简单的辐射子模型来计算隧道温室内表面的太阳辐射 通量 一些研究也考虑了作物的影响 作物通常被认 为是一种多孔介质 根据 BA TZANAS T 等 15 的研 究 作物的黏性阻力可以忽略 FE NANDEZ F等 16 利用CFD软件对番茄大棚进行模拟 分析大棚内环 境因子 温度 湿度和二氧化碳浓度等 的分布情 况 以及室外风向对温室内气流分布格局的影响 并 通过模型风洞试验验证了模拟结果 WANG B A 17 将整个温室系统分为9 层 根据不同层之间的质能守 恒原理 提出了著名的 GGDM 动态能量平衡模型 该模型对温室内外的显热和潜热平衡进行了描述 在 此研究基础上 李树海等 18 进行了更加深入的研究 将原来9 层结构改成12 层 考虑顶窗 侧窗 湿垫 风机和内外遮阳等对温室内温度场的影响 建立温室 环境的动态综合模型 随着温室结构 设计的改变 温室环境动态模型需根据实际情况进行修正 国内 CFD 模拟技术在温室内部气候模拟中的应 用起步较晚 多数集中于对温室结构 通风方式的研 究 且以二维模拟为主 很少考虑辐射 作物等对微 环境的影响 程秀花 2 对Venlo型玻璃温室内温度分 布进行了 CFD 数值模拟 并进行试验验证 二者相 契合 李永欣等 19 利用 CFD 方法对 Venlo 型温室夏 季采用室外遮阳和屋顶喷淋措施的自然通风降温过程 进行了数值模拟 陈教料等 20 采用 CFD 技术对温室 54 农业工程 信息与电气化 热空气加热条件下温度环境的三维场分布进行数值模 拟 模型中忽略了作物的蒸腾作用和传热因素 通过 现场采集关键点的温度数据 与模拟结果相比 均方 根误差为0 67K 虽然国内学者对温室环境的数值模 拟做了大量的研究 并取得了一定的进展 在现代温 室环境电子化及其控制技术研究方面与国外仍有较大 差距 我国应积极开展更多的研究 多年来 国内外学者通过研究 CFD 在温室内微 环境中的应用 建立了较为准确的模型 能够通过修 正较为准确地模拟并预测温室内微环境的变化和分 布 并与实测值相吻合 对温室的设计和降温措施等 有重要意义 3 CFD模拟技术面临的挑战 自20 世纪90 年代末以来 有关温室气候的CFD 模型几乎呈指数级发展 需讨论其在温室领域的具体 实施的相关性 3 1 CFD模拟技术 3 1 1 计算域和网格设置 域设置和网格生成是建模过程的第1 步 意味着 选择一个足够大的计算域来正确评估发生的主要机制 并避免干扰人工边界 如网格不能太粗糙 因为它会 使流动循环平滑 必须细化具有强梯度的区域 这在 同时存在流入和流出的开口中尤其重要 从而导致强 大的速度梯度 因此 必须仔细对这些区域进行网格 划分 在目前可用的合适软件的帮助下完成 目前研 究进展中建立了一个网格 该网格适合结构的物理边 界 比笛卡尔结构网格更加逼真 这些非结构化网格 紧密地遵循固体边界的轮廓 但是 它们需要验证网 格质量以获得准确的数据和计算收敛 研究文献中很 少分析的特定质量标准十分必要 尽管这可能对解决 方案的质量产生较大影响 21 3 1 2 选择湍流模型 合适的湍流模型很重要 由于湍流闭合方程主要 是经验模型 模型模拟效果一般 因此对于不同的温 室需要进行修正 常用于温室的湍流模型是标准 k 模型 Chen 和 Kim 模型 eNormalisation Group NG 模型及雷诺兹压力模型 SM 温室系统 覆盖了一系列长度和速度尺度 通常需要不同的建模 方法和修正 模型选择难度较大 3 1 3 设置边界条件 边界条件通常通过试验数据进行推断 因此 输 入较差的数据质量会影响模拟的效果 这些试验数据 通常不直接使用 而是改为适应 如在给定高度的几 何测量中推断出对风速分布的影响 关于这些功能的 参数设置不确定性可能导致结果的差异 必须在建模 方法的准确性与建立适当边界条件和模型参数所需的 信息之间找到折中方案 3 1 4 模拟结果的质量 CFD模拟结果的质量通常是从与试验数据的一 致性推断出来 没有标准程序来真正评估模拟的准确 性 因此 通常通过图形比较和试验分布来评估模型 准确性 3 2 耦合关系 国外在进行温室自然通风对内部流场和温度场的 影响研究方面较深入 由最初的无作物存在 不考虑 辐射存在时内部环境的机理研究逐渐到有作物存在时 温室内部环境及作物与环境因子之间的耦合关系的研 究 在过去几年中 CFD 模拟技术经历了几次进步 其中最重要的是包含数值辐射传输 使其能够与对流 传输耦合 包括在方程中调整一组源项以考虑特定过 程的可能性 还包括作物与周围环境之间的能量 水 蒸气和动量相互作用 这是今后要解决的问题 因为 这些进步提供了更好理解和模拟由通风口配置和作物 活动与生产相关的对流转移之间相互作用的机会 可 以更加精确地模拟温室内微环境的分布和传输 在空 气中模拟粒子转移也是新的方向 已经与常用的 CFD软件结合 并且已经应用于温室各种问题的研 究 3 2 1 辐射传递模型 通过在温室的物理边界处设置特定的壁或热通量 来考虑太阳和热辐射的影响 主要难度在于涉及表面 到表面相互作用的辐射传递的性质 作物本身的辐射 转移是主要问题 因为其决定了蒸腾作用和光合作 用 这一问题已经在近几年受到广泛关注 3 2 2 作物模型 多数研究将作物的整个体积模拟为对动量转移起 作用的多孔体 一些 CFD 模型还将作物视为热量或 水蒸气的汇或源 这意味着特定的显热和潜热通量被 添加到热量和质量的传输方程中 然后从每个作物细 胞的能量平衡推导出显热和潜热 该过程涉及确定每 个细胞中的全局辐射 作物光合作用和蒸腾作用也是 一种值得耦合的关键机制 因为它直接取决于作物内 部的短波辐射强度 以及空气温度 湿度和二氧化碳 含量 虽然这些参数目前在温室内得到了较好的控 制 但尚未模拟相应的过程 3 2 3 粒子的转移 可以使用大气传输模型 如拉格朗日模型和欧拉 模型来模拟粒子散布 在温室内部 可以为研究区域 的每个网格单元预测描述空气运动的向量 以及与运 输量相对应的标量 如空气温度 湿度 颗粒浓度和 64 胡建 CFD数值模拟技术在温室环境因子调控中的应用 湍流量等 KIM K 等 22 使用离散相模型来分析源自 雾喷嘴中水喷雾颗粒形成的热环境变化 利用该模型 跟踪喷雾液滴的移动路径 并分析温室冷却系统的传 热 使用CFD 方法模拟温室中的湿度分布 并且使 用来自没有植物的单跨温室的试验数据来验证计算 还可以将这些粒子转移模型应用于温室微环境领域中 的其他问题 如孢子和花粉转移 或昆虫杀虫剂喷雾 的惯性转移等 4 结束语 温室内的微环境 通风速率 温度场和湿度场 等 主要受到建筑物的几何形状和通风口配置 包 括尺寸和布置 的影响 同时外部气候因素如风速 风向 温室尺寸 密度 作物活动和特殊设备的存在 如遮阳设备和防虫网等 等也会对温室内部微环境 产生影响 为了优化温室降温措施 为作物提供适宜 的生长环境 对温室内部微环境的准确模拟十分重 要 实验室和现场试验都是了解温室内气候特征的初 步步骤 新的技术如 PIV 可以映射气流模式 CFD 工具可以访问整个建筑内部的分布式气候 CFD 具 有能够测试各种气象条件或温室几何形状的优势 因 此在修正后可以针对许多不同的情况进行模拟 实地 调查对于验证模拟结果的准确性很重要 数值模拟和 试验结果之间的差异可能源于测量设备的准确性及模 型本身的限制 然而 试验研究成本高 缺乏数据仍 然是一个问题 特别是因为增加的模型复杂性需要越 来越多的探针和更精确的测量验证 同时 目前的模型难以涉及全部的物理机制 这 些物理机制在控制温室内微环境方面扮演十分重要的 角色 如植物的蒸腾作用和光合作用 辐射传递方程 等 研究并模拟与气候相互作用的主要物理机制和生 理机制是CFD数值模拟技术发展的方向之一 此外 为了能够让温室中微环境的数值模拟尽可 能更加真实 确定哪些机制和流程应考虑在 CFD 模 拟方法之中也值得关注 参考文献 1 胡建 玻璃温室夏季组合降温措施试验研究 J 中国农机化 2011 3 111 114 HU Jian Experimental research on combination cooling measure of glass greenhouse in summer J Chinese Agricultural Mechaniza tion 2011 3 111 114 2 程秀花 温室环境因子时空分布 CFD 模型构建及预测分析研 究 D 镇江 江苏大学 2011 CHENG Xiuhua Predication and CFD modeling for greenhouse mi croclimates temporospatial distributions D Zhenjiang Jiangsu University 2011 3 OKUSHIMA L SASE S NA A M A support system for natural ventilation design of greenhouses based on computational aerodynam ics J Acta Horticulturae 1989 248 129 136 4 MIST IOTIS A BOT G P A PICUNO P et al Analysis of the efficiency of greenhouse ventilation using computational fluid dynam ics J Agricultural and Forest Meteorology 1997 85 3 4 217 228 5 SHO T T H LEE I Temperature and airflow predictions for multi span naturally ventilated 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