王傳清 倪秀男 魏 珉，2 李清明，2 王少杰 曹 欣

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 泰安 271018； 4.濟(jì)南萊蕪安信農(nóng)業(yè)科技有限公司， 濟(jì)南 271100)

0 引言

塑料大棚是我國(guó)現(xiàn)階段園藝作物保護(hù)生產(chǎn)的主要設(shè)施類型之一，約占設(shè)施總面積的45%[1]。傳統(tǒng)塑料大棚主要通過(guò)兩側(cè)自然通風(fēng)，降溫排濕效果差，棚內(nèi)溫度和濕度過(guò)高導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降[2-3]。

大棚通風(fēng)效果受通風(fēng)口配置和形狀、外部風(fēng)速風(fēng)向、種植作物等多個(gè)因素影響，其中通風(fēng)口配置和形狀是重要因素[4-6]。塑料大棚通常有3種通風(fēng)配置：側(cè)面通風(fēng)、頂部通風(fēng)、側(cè)面和頂部組合通風(fēng)[7]。合理確定通風(fēng)口配置和形狀，對(duì)于精準(zhǔn)調(diào)控大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量具有重要意義。

隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論的不斷完善，CFD模擬技術(shù)在設(shè)施環(huán)境研究中的應(yīng)用越來(lái)越普遍[8-10]。已有研究主要集中通風(fēng)口布局、風(fēng)速風(fēng)向、作物種植等對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)效果和氣流場(chǎng)的影響，而對(duì)通風(fēng)口配置和形狀等棚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較少[11-14]。本文通過(guò)實(shí)地觀測(cè)和CFD模擬，研究不同通風(fēng)口配置和通風(fēng)口形狀對(duì)塑料大棚內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)效應(yīng)，旨在為大棚結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)大棚與測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)大棚

試驗(yàn)大棚位于山東省濟(jì)南市萊蕪區(qū)，南北走向，單棟拱圓形，長(zhǎng)度46 m，跨度8 m，覆蓋厚度0.1 mm聚乙烯塑料薄膜。不同通風(fēng)口配置(兩側(cè)底部、兩側(cè)底部+頂部)大棚脊高3 m、不同通風(fēng)口形狀(水平卷膜、垂直卷膜)大棚脊高3.4 m(圖1)。兩側(cè)通風(fēng)口離地高度0.4 m，最大開(kāi)啟尺寸1 m；頂部水平通風(fēng)口最大開(kāi)啟尺寸1.2 m，垂直通風(fēng)口最大開(kāi)啟尺寸0.7 m。

圖1 不同通風(fēng)口配置及通風(fēng)口形狀塑料大棚Fig.1 Plastic greenhouse with different ventilation configurations and shapes

1.2 測(cè)試方法

觀測(cè)日期2018年6月8日至7月10日，棚內(nèi)種植作物為番茄。晝間氣溫超過(guò)20℃時(shí)開(kāi)啟頂通風(fēng)口，超過(guò)24℃時(shí)開(kāi)啟側(cè)通風(fēng)口。為便于比較，通風(fēng)口開(kāi)度保持一致。

室外測(cè)點(diǎn)：試驗(yàn)大棚的北側(cè)30 m、距地面3 m高度處安裝風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試儀，距地面1.8 m高度處安裝溫濕度記錄儀和太陽(yáng)輻射儀。室內(nèi)測(cè)點(diǎn)：大棚中部剖面處設(shè)有氣溫、地溫觀測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖2所示，其中T1～T13表示驗(yàn)證棚棚內(nèi)測(cè)點(diǎn)，其他棚內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置方式同驗(yàn)證棚。大棚內(nèi)外溫濕度測(cè)定采用U23-001型溫濕度記錄儀(美國(guó)HOBO公司)；地溫和風(fēng)速風(fēng)向測(cè)定采用L92-1型溫度記錄儀和L99-FSFX型風(fēng)速風(fēng)向記錄儀(杭州陸格公司)；太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)測(cè)定采用JTR05型太陽(yáng)輻射儀(北京世紀(jì)建通公司)，所有測(cè)點(diǎn)均每隔10 min自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)。

圖2 塑料大棚內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 Measuring points distribution inside plastic greenhouse

2 數(shù)值建模

2.1 數(shù)值模型

本研究將大棚內(nèi)的空氣定義為湍流狀態(tài)下的有粘性的、不可壓縮的理想氣體，氣體流動(dòng)用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程來(lái)描述，計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε求解，控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、k(湍動(dòng)能方程)和ε(耗散率)方程，這些方程可由通用方程[15]表示為

(1)

式中φ——通用變量

ρ——密度，kg/m3

v——速度矢量，m/s

Γφ——廣義擴(kuò)散系數(shù)

Sφ——源項(xiàng)

番茄影響棚內(nèi)氣體的流動(dòng)，將番茄設(shè)置為多孔介質(zhì)，按實(shí)際株行距將番茄簡(jiǎn)化為5個(gè)寬0.6 m、高0.9 m的長(zhǎng)方形(圖3)。利用Darcy-Forchheimer定律將其作為方程(1)的源項(xiàng)加入到動(dòng)量守恒方程中，即

圖3 塑料大棚內(nèi)番茄模擬示意圖Fig.3 Simulation diagram of tomato in plastic greenhouse

(2)

式中KP——多孔介質(zhì)滲透率，m2

CF——非線性動(dòng)量損失因子

μ——空氣動(dòng)力粘度，kg/(m·s)

u——空氣流速，m/s

本文中KP=0.395 m2，CF=0.4。大棚內(nèi)流場(chǎng)受輻射傳熱影響較大，本研究選取DO輻射模型的Solar ray tracing方法將棚膜設(shè)為半透明介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

選取兩側(cè)底部通風(fēng)大棚中部的剖面建立二維模型，計(jì)算域包括大棚外部流體計(jì)算域和內(nèi)部流體計(jì)算域，選取外部流體計(jì)算域53 m×20 m，滿足進(jìn)風(fēng)向長(zhǎng)度、出風(fēng)向長(zhǎng)度、高度至少為大棚脊高的3、7、5倍的要求[16]。計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化、非均勻網(wǎng)格劃分，大棚通風(fēng)口進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，最大網(wǎng)格尺寸200 mm，網(wǎng)格劃分總數(shù)為5.03×105。劃分網(wǎng)格后，檢查網(wǎng)格問(wèn)題與質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果顯示平均網(wǎng)格質(zhì)量、最小角度和長(zhǎng)寬比分別為0.73、30.1°、1.15，符合計(jì)算要求。

大棚初始環(huán)境均由實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，具體邊界條件參數(shù)見(jiàn)表1，當(dāng)棚外自然風(fēng)速較低時(shí)，棚內(nèi)氣流流動(dòng)以熱壓作用引起的自然對(duì)流為主，為便于處理由溫差引起的浮升力項(xiàng)，采用Boussinesq假設(shè)[17]。對(duì)于大棚外部流體計(jì)算域，將迎風(fēng)面設(shè)置為速度入口，背風(fēng)面設(shè)置為壓力出口，頂面設(shè)置為非滑移半透明壁面加載太陽(yáng)輻射(太陽(yáng)輻射為803 W/m2)，大棚的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面均設(shè)為壁面，通風(fēng)口設(shè)置為內(nèi)部邊界條件，將番茄、大棚和外部流體計(jì)算域設(shè)為3個(gè)Fluid流體域。具體材料屬性相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 邊界條件及參數(shù)Tab.1 Boundary conditions setting of model

表2 材料屬性相關(guān)參數(shù)Tab.2 Related parameters of materials

2.3 模型驗(yàn)證

選取2018年6月26日典型晴天11：30大棚內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，利用CFD模擬兩側(cè)底部通風(fēng)大棚內(nèi)的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)。棚內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)T1～T13的實(shí)測(cè)值和CFD模擬值絕對(duì)誤差在0.2～2.9℃之間，均方根誤差1.27℃，平均相對(duì)誤差3.7%，最大相對(duì)誤差9.4%，其中T2～T4實(shí)測(cè)值與模擬值存在較大差異,原因可能是大棚受群棚效應(yīng)影響，導(dǎo)致實(shí)測(cè)值較高(圖4)。模型相對(duì)誤差在10%之內(nèi)，且模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，證明所建立CFD模型是有效的[18]。

圖4 大棚內(nèi)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.4 Comparison of simulated and measured temperatures in greenhouse

3 結(jié)果與分析

3.1 通風(fēng)口配置對(duì)大棚溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的影響

3.1.1降溫效果

與僅兩側(cè)底部通風(fēng)相比，兩側(cè)底部+頂部通風(fēng)大棚內(nèi)晝間平均氣溫降低0.4～2.1℃，平均降低1.1℃，晴天降溫效果更明顯(圖5a)。由圖5b可知，典型晴天(6月12日)棚內(nèi)外溫度日變化速率趨勢(shì)相同，04：00—13：00為升溫階段，兩側(cè)底部通風(fēng)大棚、兩側(cè)底部+頂部通風(fēng)大棚平均升溫速率分別為2.8、2.4℃/h，后者較前者降低0.4℃/h；14：00—20：00為降溫階段，兩側(cè)底部通風(fēng)大棚、兩側(cè)底部+頂部通風(fēng)大棚平均降溫速率分別為2.5、2.2℃/h，后者較前者降低0.3℃/h，說(shuō)明增設(shè)頂通風(fēng)后，大棚降溫效果較好，環(huán)境更為穩(wěn)定。

圖5 不同通風(fēng)口配置大棚內(nèi)溫度變化曲線Fig.5 Comparison of temperature changes in greenhouse with different vent configurations

3.1.2氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)

圖6為風(fēng)向與大棚朝向垂直時(shí)，不同通風(fēng)口配置下大棚內(nèi)的氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。當(dāng)兩側(cè)底部通風(fēng)口打開(kāi)時(shí)(圖6a)，在迎風(fēng)側(cè)和逆風(fēng)側(cè)通風(fēng)口處風(fēng)速最大，近棚頂區(qū)域形成循環(huán)圈，增加該區(qū)域氣流混合度；近地面有作物阻擋，作物行間形成低速回流，并與地面土壤進(jìn)行熱交換，氣流速度較慢，而大棚逆風(fēng)區(qū)域氣流流速最慢，整體空氣混合程度較差。大棚兩側(cè)底部和頂部通風(fēng)口同時(shí)打開(kāi)時(shí)(圖6c)，氣流從迎風(fēng)側(cè)快速進(jìn)入，與棚面、骨架結(jié)構(gòu)熱交換后在頂部通風(fēng)口下方形成強(qiáng)循環(huán)區(qū)，通過(guò)頂部和逆風(fēng)側(cè)通風(fēng)口流出，大棚流速較僅兩側(cè)底部通風(fēng)大棚明顯提高，內(nèi)部空氣混合更為均勻。

圖6 不同通風(fēng)口配置大棚內(nèi)的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)Fig.6 Temperature field and flow field of greenhouse with different vent configurations

從圖6可以看出，大棚僅兩側(cè)底部通風(fēng)口打開(kāi)(圖6b)，由于熱空氣匯聚棚頂難以排出，大棚垂直方向溫度分布為棚頂最高，近地面次之，作物冠層最低。棚頂溫度在36.3～38.5℃之間，大部分區(qū)域氣溫在35.9～37.5℃之間。兩側(cè)底部和頂部通風(fēng)口同時(shí)打開(kāi)(圖6d)，棚頂熱氣通過(guò)頂部通風(fēng)口排出，此時(shí)大棚垂直方向溫度分布為近地面最高，棚頂次之，作物冠層最低。棚頂溫度在35.0～35.5℃之間，棚內(nèi)大部分區(qū)域氣溫在35.0～36.3℃之間，兩側(cè)底部和頂部同時(shí)通風(fēng)降溫效果明顯。

不同通風(fēng)口配置下大棚作物冠層通風(fēng)降溫效果見(jiàn)表3。與僅兩側(cè)底部通風(fēng)相比，兩側(cè)底部+頂部通風(fēng)大棚冠層氣流速率較前者高0.22 m/s，通風(fēng)率提高50%，同時(shí)作物冠層氣溫降低1.02℃，降溫效果較好(Yc減小1.18℃/m2)。這是由于增設(shè)頂部通風(fēng)，不僅總通風(fēng)面積增加，而且頂部通風(fēng)占整個(gè)大棚通風(fēng)的比重較大，因此兩種通風(fēng)口組合后通風(fēng)效率更高[19]。另外兩側(cè)底部+頂部通風(fēng)大棚冠層變異系數(shù)小于兩側(cè)底部大棚，原因主要是組合通風(fēng)口大棚氣流流速增加，空氣混合程度更為均勻，因此棚內(nèi)風(fēng)速以及溫度分布均勻性顯著提高[20]。

表3 不同通風(fēng)口配置大棚通風(fēng)降溫效果評(píng)價(jià)Tab.3 Evaluation of ventilation and cooling effect of greenhouse with different vent configurations

3.2 通風(fēng)口形狀對(duì)大棚氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響

3.2.1降溫效果

水平卷膜和垂直卷膜大棚溫度變化見(jiàn)圖7。垂直卷膜大棚的晝間平均氣溫相比水平卷膜大棚降低0.2～1.2℃，平均降低0.5℃(圖7a)。從圖7b可看出，在04：00—13：00升溫階段，垂直卷膜通風(fēng)大棚平均升溫速率較水平卷膜通風(fēng)大棚低0.3℃/h，在14：00—20：00降溫階段，垂直卷膜通風(fēng)平均降溫速率較水平卷膜通風(fēng)低0.2℃/h，可見(jiàn)垂直卷膜通風(fēng)大棚降溫效果更為理想。

圖7 不同通風(fēng)口形狀大棚內(nèi)溫度變化曲線Fig.7 Comparison of temperature changes in greenhouse with different vent shapes

3.2.2氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)

圖8為不同通風(fēng)口形狀下塑料大棚氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。當(dāng)水平卷膜大棚通風(fēng)時(shí)(圖8a)，空氣從側(cè)通風(fēng)口入，在棚頂下方形成逆時(shí)針的循環(huán)圈，空氣混合度較高。作物冠層附近的氣流主要從逆風(fēng)側(cè)通風(fēng)口流出，流速較快，棚內(nèi)氣體均勻性較好。當(dāng)垂直卷膜大棚通風(fēng)時(shí)(圖8c)，空氣通過(guò)側(cè)通風(fēng)口進(jìn)入大棚，沿著地面水平移動(dòng)，并在大棚中央向上朝著垂直頂通風(fēng)口移動(dòng)，在迎風(fēng)側(cè)形成逆時(shí)針的回流區(qū)，而逆風(fēng)區(qū)域空氣混合程度較低，大棚氣流分布不均勻。

圖8 不同通風(fēng)口形狀大棚溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)Fig.8 Temperature field and flow field of greenhouse with different vent shapes

由圖8b、8d可知，兩者棚內(nèi)溫度垂直空間分布與兩側(cè)底部+頂部通風(fēng)大棚相似，水平卷膜大棚、垂直卷膜大棚溫度范圍分別為35.0～36.2℃、34.8～35.6℃，垂直卷膜大棚夏季降溫效果好于水平卷膜大棚。

不同通風(fēng)口形狀大棚作物冠狀層通風(fēng)降溫效果如表4所示，垂直卷膜大棚氣流速率比水平卷膜大棚高0.08 m/s，通風(fēng)率為水平卷膜大棚的1.2倍，作物冠層氣溫較水平卷膜大棚降低0.27℃，降溫效果好于水平卷膜大棚。主要原因在于垂直卷膜通風(fēng)大棚的底部和頂部通風(fēng)口間的高度差較大，導(dǎo)致通風(fēng)口處的壓力差增加，空氣流量增加，通風(fēng)效率提高[21]。但作物冠層中空氣溫度和氣流均勻性略低于水平卷膜大棚，差異原因是所研究大棚棚頂通風(fēng)口的非對(duì)稱設(shè)計(jì)，一定程度上影響大棚內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致氣溫均勻性相對(duì)較差。

表4 不同通風(fēng)口形狀大棚通風(fēng)降溫效果評(píng)價(jià)Tab.4 Evaluation on ventilation and cooling effect of greenhouse with different vent shapes

4 結(jié)論

(1)構(gòu)建了單棟塑料大棚CFD模型，實(shí)地觀測(cè)并對(duì)模型的有效性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，溫度CFD模擬值與實(shí)測(cè)值均方根誤差1.27℃，平均相對(duì)誤差3.7%，構(gòu)建的CFD模型其計(jì)算結(jié)果能夠反映單棟塑料大棚內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律。

(2)夏季高溫天氣，兩側(cè)底部和頂部通風(fēng)配置能有效降低作物冠層氣溫，且通風(fēng)率最高，室內(nèi)外溫差最小，氣流和溫度空間分布更均勻；不同通風(fēng)口形狀大棚的通風(fēng)降溫效果具有明顯差異，與水平卷膜大棚相比，垂直卷膜大棚通風(fēng)效果和降溫效果最好，但均勻性略低于水平卷膜通風(fēng)大棚。

(3)采用兩側(cè)底部加頂部垂直卷膜的通風(fēng)口配置和形狀有助于實(shí)現(xiàn)夏季塑料大棚的通風(fēng)降溫。