塔 娜，張 馳，朱英開，蘇佳佳

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，呼和浩特 010018）

隨著日光溫室的廣泛使用，我國溫室主要采用人工干預監(jiān)控，由于受到人為因素制約，所能達到的精度有限，自動化是必然趨勢。溫室屬于大空間場的物理模型，其內(nèi)部良好的氣流組織來自于合理的溫度分布[1]。對于溫度環(huán)境的合理監(jiān)控，也是對內(nèi)部作物生長條件監(jiān)測和改善的過程。本文通過計算流體力學軟件FLUENT，獲得貼近實際溫度分布的等溫云圖，確定溫度梯度的方向和氣流運動規(guī)律，為溫室種植業(yè)實現(xiàn)高效、自動管理提供理論依據(jù)。

1 條件與方法

1.1 試驗溫室

本文所選試驗地點位于呼和浩特市，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學西區(qū)農(nóng)學種植基地。日光溫室為單棟單坡面，東西走向，采光面法線為南偏西8°，長60 m，寬8 m，矢高2.9 m，后墻高2.5 m，前屋頂為鋼條桁架構造，室外周邊無防寒溝且地面經(jīng)過硬化處理。

1.2 測試系統(tǒng)

1.2.1 硬件組成

下位機部分即單片機帶13測點傳感器的硬件結構如圖1所示[2]，數(shù)據(jù)能經(jīng)由UTC1212模塊無線發(fā)送回上位機（PC機：處理器為I7-2 600，內(nèi)存4 GB，硬盤1 TB僅為流場模擬計算需要），并能對接收到的命令做出響應（如休眠節(jié)能、啟動轉換、反饋信息等等）。東北農(nóng)業(yè)大學的王福祿等在設計硬件模塊工作中強調(diào)尺寸小、功耗低以及適應性強[3]。

圖1 Proteus中下位機模塊仿真Fig.1 Hardware simulation of the lower part in Proteus

1.2.2 軟件組成

圖2 上位機LabVIEW的vi程序Fig.2 Upper part's VI LabView program

設計的系統(tǒng)中，軟件部分分為上位機Lab?VIEW（v8.20）軟件程序及下位機單片機keil-C（uv2）語言程序兩大部分。具體流程如圖2、3，其實現(xiàn)功能為按上位機設定時間（間隔）讀取并以表格文件保存各組模塊上13個測點傳感器的溫度值。

圖3 第i組下位機模塊MCU的hex程序Fig.3 No.i lower part's C program for MCU

由以上兩大部分組成測試系統(tǒng)，安置在溫室中部的任一平面（下稱：試驗平面1）上進行測試試驗，此為“切片”過程；并在其中間位置處截選一矩形，因為該部分為植物根、株所在區(qū)域（下稱：“感興趣的區(qū)域”1），此為“切塊”過程。傳感器的布設借鑒于劉雁征、滕光輝采用CFD模擬的方法，以最少傳感器監(jiān)測貼近實際的環(huán)境溫度的思想[4]。Carne等指出傳感器布設使模態(tài)試驗結果具有良好的可視性和魯棒性原則[5]。程序實現(xiàn)下位機的休眠節(jié)能、每半小時轉換溫度和通信上位機等功能，并在PC上位機自動生成測量文件保存在硬盤上。

2 數(shù)據(jù)采集及分析研究

2.1 測試試驗期間室外氣候信息

測試試驗時間為2011年12月20～30日，溫室內(nèi)種苜蓿，為葉期，植株高20 cm。天氣數(shù)據(jù)由氣象預報獲得，日出日落時間平均為上午8時和下午4點，最高氣溫3℃，最低氣溫-13℃，紫外線強度等級為最弱。室外平均風速為1.35 m·s-1。

2.2 作物生長理想溫度問題

由相關文獻資料可知，喜光作物生長的最佳溫度范圍是15℃及以上，溫度過低會對植物造成傷害，據(jù)其原因可分冷害、霜害及凍害3種，冷害是指溫度在零度以上仍能使喜溫植物停止生長甚至死亡、霜害及凍害分別指伴隨霜層及冰凍對植物造成的低溫傷害[6]。

試驗溫室內(nèi)作物植株高度不超過1.5米，作物所處區(qū)域溫度值保證在10℃以上即可有效防止冷害發(fā)生。選取溫室中部（距東西墻距離相等處）確定一豎直截面，后稱試驗平面，于該平面固定13個溫度測點后截面圖如1所示。

圖4 截面內(nèi)布點圖Fig.4 Locations of the test point on cross-section

為期10 d的測試時間內(nèi)，選取每日日出前與日落前兩個時刻（依次對應為整個試驗平面上所有測點溫度值之和最小、最大這兩個時刻）的溫度平均值信息，見表1。

表1 截面上測試結果Table 1 Test results on cross-section (℃)

由表1可知，植株所在區(qū)域測得溫度均高于出現(xiàn)冷害的溫度值，即在室外環(huán)境溫度低至-13℃夜間，仍可在不人為加溫前提下，保證溫室內(nèi)作物存活及生長，日光溫室的保溫能力得以體現(xiàn)。從另一方面分析，測試結果也說明試驗平面上不同位置溫度高低確實相差懸殊，溫度梯度較大，且棚膜接縫附近的測點13記錄到全天全試驗平面的最低溫度值。

3 溫度場的計算與模擬

3.1 傳熱理論基礎

根據(jù)傳熱學理論分析，本文所研究問題屬于自然對流換熱與固體導熱[7]共同作用的問題，所以其熱模型應滿足3個通用方程即連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。

計算時考慮平面上的空氣與固體間自然對流換熱；土壤、蓋簾的導熱傳熱；及非加熱表面（墻體）間的輻射換熱。

3.2 軟件中的參數(shù)設置及邊界條件

根據(jù)“感興趣區(qū)域”1外圍點群的值設定Fluent所需參數(shù)，完成計算模擬，得到完整流場圖后與“感興趣區(qū)域”1上對應位置的點進行比較，從而驗證試驗方法的可靠性。完成24 h的溫室監(jiān)測過程后，根據(jù)此組外圍點群數(shù)據(jù)、氣象參數(shù)及經(jīng)驗作為Fluent（v6.3.26）模擬的邊界條件。

流固交接邊界：流動邊界條件取無滑移邊界條件，即所有固體表面上流體的速度等于固體表面的速度，因此有u=v=w=0；

在地面處計算土壤導熱過程[8]中傳遞熱流通量：

式中，ΣR為傳熱總熱阻，單位為m2·℃/W，ΣR=Σ（δ/λ）。

土壤導熱系數(shù)λ1=1.28W/（m·℃），厚度δ1=1 m；棚膜及覆蓋草簾的導熱系數(shù)λ2=0.93 W（m·℃）-1，厚度δ2=0.2 m；溫室內(nèi)部空間為自然對流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（Convective Heat Transfer coefficient）取經(jīng)驗值10 W/（m2·k-1）；后墻在夜間作為發(fā)熱源，發(fā)熱功率（Heat Generating Rate）為0.8 W·m-3，這一參數(shù)值為長期測試所得結果的一個平均數(shù)，由最高溫到最低溫后墻內(nèi)表面所流失的熱量Q，再除以夜間的總時間得到發(fā)熱功率的平均值。

地下1米處作為恒溫邊界[9]，溫度值為測量得到的13.00℃；在前坡面與地面相交處有1個極小的漏風口，定義為Pressure-Inlet類型的壁面邊界，且回流流體的溫度（Backflow total temperature）設為-13℃（即當日露天最低溫度）。

模擬結果如圖5所示。

3.2 模擬結果的試驗驗證

為驗證模擬結果的可靠性，需按圖2中設計的布點方式，進行1次實測試驗，具體過程如圖6所示。

圖5 日光溫室內(nèi)溫度場分布Fig.5 Temperature distribution in greenhouse

圖6 日光溫室內(nèi)溫度實測實驗Fig.6 Temperature measurement in greenhouse

對應位置的模擬溫度值與實測數(shù)值的比較結果見表2。由表2可知，實測試驗結果與數(shù)值計算模擬結果分布規(guī)律趨同，在溫室頂棚處即兩種結果差異最大，但仍保持在1℃以內(nèi)。局部出現(xiàn)誤差的原因主要有：①忽略了工作間和門，沒有考慮其產(chǎn)生的熱量散失[10-11]；②邊界條件的設定與客觀實際仍存在差異，軟件中設定參數(shù)時忽略了對溫度場分布影響微小的因素；③由于儀器在后墻、后屋面、前屋面等物體表面的測量不能完全貼近表面，無法測量其真實溫度。

表2 五個特定點的試驗測量值和數(shù)值計算值Table 2 Measured results and computing values of the five given points (℃)

4 結論

通過對等溫度線圖進行分析，揭示了日光溫室內(nèi)部溫度場的分布特點：靠近墻體部分的空間溫度在豎直方向上分布具有顯著層次感；靠近前坡面棚膜部位的空間溫度梯度主要方向為與地面呈45～60度角方向；由場的協(xié)同原理可知，在梯度方向上施加強制流動，能最有效實現(xiàn)溫度分布的均勻化。對速度矢量圖進行分析，揭示在溫室內(nèi)存在的兩個主要氣流渦旋，分別發(fā)生在后墻與頂跨、前坡面與地面之間，頂跨周圍冷空氣下降，移動至后墻附近升高溫度，變熱上升，在頂跨處再次降溫向下運動；前坡面與地面間同理，兩過程不斷重復形成動態(tài)平衡。本研究可為后續(xù)溫室溫度環(huán)境控制奠定基礎。

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