高振軍，司長青，丁小明，李葦，何芬，李文楊，張建波

側(cè)通風窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響

高振軍1，司長青1，丁小明2*，李葦3，何芬2，李文楊1，張建波1

（1.三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計與智能建造重點實驗室，北京 100125；3.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

【目的】探究側(cè)通風窗縱橫比對連棟溫室內(nèi)流場均勻性的影響，為溫室設(shè)計建造提供理論依據(jù)?！痉椒ā勘狙芯恳詮V州地區(qū)連棟蝶形開窗溫室為研究對象，采用數(shù)值模擬和試驗結(jié)合的方法，設(shè)計了4種不同開窗縱橫比方案并與試驗溫室（即開窗方案C）進行對比，引入不均勻系數(shù)評價流場均勻性，研究不同開窗縱橫比下連棟溫室內(nèi)流場的分布規(guī)律?！窘Y(jié)果】通過實測值和模擬值對比，溫度、風速的平均誤差分別為2.48%和8.76%，均方根誤差分別為1.10 ℃和2.1×10-3m/s，驗證了模型的有效性；不同開窗縱橫比對連棟溫室室內(nèi)平均溫度無顯著影響，但溫度不均勻系數(shù)存在明顯差異，其中開窗方案A較開窗方案C總體溫度不均勻系數(shù)減少了41%；5種開窗方案中，開窗方案A的總體平均風速和風速不均勻系數(shù)均優(yōu)于其他開窗方式，與開窗方案C相比，平均風速提高了23%，風速不均勻系數(shù)降低了41%?！窘Y(jié)論】從溫室內(nèi)流場分布角度來看，適當降低側(cè)通風窗縱橫比，能夠有效降低溫度、風速不均勻程度。

連棟溫室；縱橫比；自然通風；數(shù)值模擬

0 引 言

【研究意義】連棟溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要代表，能夠?qū)崿F(xiàn)作物高效生產(chǎn)，已成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向[1-2]。自然通風作為溫室環(huán)境調(diào)控常用的方式，具有經(jīng)濟節(jié)約能耗的特點，因此在日常運行管理中優(yōu)先使用。已有研究表明通風窗的大小、位置及開窗配置是影響溫室微氣候的主要因素[3-5]，但開窗縱橫比對室內(nèi)環(huán)境的影響尚未了解。

【研究進展】計算流體力學(xué)（CFD, computational fluid dynamics）作為一種新興、高效的計算手段，廣泛應(yīng)用于溫室通風等相關(guān)領(lǐng)域的研究，采用數(shù)值模擬方法提高溫室性能以及研究溫室流場分布具有重要作用。柏宗春等[6]研究了自然通風條件下大棚通風窗的開設(shè)位置，借助Fluent軟件研究不同側(cè)窗和天窗尺寸下大棚內(nèi)部的流場規(guī)律。趙融盛等[7]以陜西地區(qū)塑料溫室為研究對象，分析并比較4種側(cè)通風口高度（40、60、80、100 cm）下室內(nèi)流場、氣溫、相對濕度均勻性。何科奭等[8]研究開窗配置對溫室微氣候的影響，揭示極低風速下（小于0.6 m/s）單棟塑料溫室內(nèi)氣流和溫度場的分布特征。Rasheed等[9]利用CFD技術(shù)，比較7種不同屋頂和通風口條件下塑料大棚內(nèi)溫度和通風率大小。以上研究大多關(guān)注CFD方法在單棟塑料溫室、單跨溫室的應(yīng)用，多數(shù)只考慮溫室流場分布特征，缺乏對流場均勻性的研究。

【切入點】目前，鮮有研究自然通風情況下側(cè)通風窗縱橫比對溫室內(nèi)流場的影響?！緮M解決關(guān)鍵問題】本研究以廣州地區(qū)連棟蝶形開窗溫室為研究對象，建立連棟溫室三維數(shù)值模型，設(shè)計了4種不同開窗縱橫比并與試驗溫室模型進行對比，引入溫度、風速不均勻性系數(shù)，對溫室流場分布特性進行評價，探索不同開窗縱橫比對室內(nèi)溫度及風速的分布規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

試驗溫室位于廣州市天河區(qū)柯木塱農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站示范基地（東經(jīng)113.40°，北緯23.18°），屋脊為東西朝向。溫室長36 m，寬28.8 m，肩高6.5 m，脊高7.5 m。溫室東西二側(cè)設(shè)有濕簾風機降溫裝置以及側(cè)通風窗，頂窗采用電動扭矩分配開窗機構(gòu)，最大開啟角度為45°，屋面覆蓋材料為4 mm厚漫反射玻璃，四周覆蓋5 mm厚度單層鋼化玻璃。

1.2 試驗條件

選取廣州地區(qū)夏季典型天氣進行試驗，試驗時間為2020年8月9日，晴天高溫天氣，風向與屋脊方向平行（即與溫室迎風面垂直），室外風速為0.3 m/s，室內(nèi)無作物，試驗期間環(huán)境穩(wěn)定?，F(xiàn)場試驗從09:00開始，18:00結(jié)束，期間溫室頂窗、側(cè)窗均處于完全打開狀態(tài)。采用Auto-100環(huán)境數(shù)據(jù)采集器（北京奧托，溫度傳感器精度為±0.5 ℃）每隔1 h自動采集室內(nèi)外溫度、風速。室內(nèi)共設(shè)置27個監(jiān)測點，在0.6、2.5、3.0 m高度處各布置9個采集器（圖1）。室外數(shù)據(jù)采集器距地2.5 m進行安裝，周圍無遮擋。

圖1 連棟溫室室內(nèi)測溫點示意圖

1.3 評價方法

1.3.1溫室流場評價指標

1.3.2 模型精度評價指標

為了評價數(shù)值模型的準確性，引入相對誤差、平均絕對誤差和均方根誤差（Root-mean-square error,）評價模型的精度[12]，評價指標越小，意味著模型精度越高，均方根誤差計算式為：

1.4 模擬方案

通過文獻調(diào)研，當室外風速小于0.5 m/s時，由室內(nèi)外溫差所引起的熱壓通風對室內(nèi)環(huán)境的影響不可忽略[13-15]。鑒于此，考慮連棟溫室在風壓和熱壓共同作用下，采用數(shù)值計算的方法，探索不同開窗縱橫比對溫室內(nèi)流場均勻性的影響。在保證開窗面積以及通風窗底邊高度一致的前提下，只改變側(cè)通風窗縱橫尺寸之間的比例，設(shè)計了4種不同開窗方案與試驗溫室進行比較。采用瞬態(tài)模擬，實際模擬時間10 min，不同開窗方案見表1。

表1 不同開窗縱橫比側(cè)通風窗結(jié)構(gòu)參數(shù)

注 縱橫比，即通風窗長度方向與高度方向的比值。

2 CFD模型

2.1 控制方程

假設(shè)連棟溫室室內(nèi)空氣為定常不可壓縮介質(zhì)，傳質(zhì)傳熱過程滿足質(zhì)量、動量和能量守恒方程，并可由通用方程（6）表示[16]：

2.2 物理模型

圖2 連棟溫室物理模型

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

對于數(shù)值模擬，需要進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，以保證網(wǎng)格數(shù)量不影響最終計算結(jié)果。本研究設(shè)置3種不同網(wǎng)格劃分方案，并將模擬溫度值和實際測量值比較得到平均誤差，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯?種方案溫度平均誤差在2.5%左右，均滿足計算要求?？紤]到計算精度及耗費時間，選擇細網(wǎng)格劃分方式。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

2.4 邊界條件及模型求解

表3 連棟溫室材料物性參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗證

3.2 不同開窗縱橫比對連棟溫室溫度的影響

3.2.1不同開窗縱橫比連棟溫室縱截面溫度分布

取溫室寬度方向的中心截面作為典型截面，不同開窗縱橫比下溫度分布見圖3?？梢钥闯龈叨确较蛏蠝厥抑袑蛹跋聦拥臏囟容^低，高溫區(qū)域集中在溫室頂層附近，溫度分布呈現(xiàn)自下到上的梯度變化。這是由于熱壓作用，熱空氣向上冷空氣向下運動，形成上層高溫下層低溫的分布規(guī)律。長度方向上室內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)出迎風側(cè)溫度低，背風側(cè)溫度高的現(xiàn)象。一方面是由于室外冷空氣首先和迎風窗附近熱空氣進行交換，帶走了大部分熱量，使得迎風側(cè)溫度低；另一方面，背風側(cè)窗口附近空氣因受太陽輻射和地面輻射加熱的影響，溫度升高，由于室內(nèi)壓力小于室外壓力，熱空氣進入溫室導(dǎo)致背風側(cè)溫度高。此外，隨著開窗縱橫比的增加，低溫區(qū)域不斷減小，高溫區(qū)域不斷增加，表明開窗縱橫比影響氣流的縱向進深能力（即氣流沿溫室長度方向的深入能力），這是由于隨著縱橫比不斷增加，通風窗高度方向尺寸逐漸減小，氣流在發(fā)展過程中上下層氣流流通能力減弱。

圖3 X=14.4 m時不同開窗縱橫比連棟溫室溫度分布

3.2.2不同開窗縱橫比連棟溫室橫截面溫度變化

圖4為連棟溫室長度方向平均溫度及不均勻系數(shù)變化，由圖4（a）可知，開窗方案B、開窗方案C、開窗方案E沿溫室長度方向截面平均溫度呈現(xiàn)出上升的趨勢，這是由于縱向進深距離增加氣流換熱能力減弱，以及背風側(cè)風壓熱壓共同作用導(dǎo)致的，詳細分析見3.2.1。開窗方案A沿溫室長度方向截面平均溫度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，原因是該縱橫比下迎風側(cè)冷氣流和背風側(cè)熱氣流在溫室中部氣流上下流通能力較強，導(dǎo)致該區(qū)域的平均溫度較低。開窗方案D與開窗方案A的變化趨勢相同，只是平均溫度最低區(qū)域位置靠近背風側(cè)。此外，通過對比開窗方案C與其余開窗方案平均溫度，發(fā)現(xiàn)降溫幅度最大為0.9%，并無顯著差異，表明在相同開窗條件下，只改變開窗縱橫比對室內(nèi)平均溫度影響較小。

由圖4（b）可知，開窗方案A、開窗方案B、開窗方案D、開窗方案E沿溫室長度方向上的不均勻系數(shù)呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，這是由于迎風側(cè)氣流發(fā)展時受到相向而來的背風側(cè)氣流，導(dǎo)致室內(nèi)出現(xiàn)氣流停滯區(qū)溫度不均系數(shù)上升。隨著縱向進深距離增加，迎風側(cè)氣流逐漸減弱，背風側(cè)氣流增強，溫度分布逐漸穩(wěn)定，溫度不均勻系數(shù)隨之下降。開窗方案C沿溫室長度方向上不均勻系數(shù)呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢，沒有出現(xiàn)明顯上下波動的情況。

圖4 連棟溫室長度方向平均溫度及不均勻系數(shù)變化

3.2.3不同開窗縱橫比對連棟溫室豎直截面溫度變化

圖5 連棟溫室豎直方向平均溫度及不均勻系數(shù)變化

3.3 不同開窗縱橫比對連棟溫室風速的影響

3.3.1不同開窗縱橫比連棟溫室縱截面風速分布

取溫室寬度方向的中心截面作為典型截面，不同開窗縱橫比下風速分布見圖6。室外空氣從溫室兩側(cè)通風窗進入從頂窗排出，兩側(cè)通風窗口處風速較高，并且背風側(cè)風速高于迎風側(cè)。隨著開窗縱橫比的增加，迎風側(cè)氣流縱深能力不斷減弱，背風側(cè)氣流縱深能力不斷增強。同時迎風側(cè)、背風側(cè)區(qū)域均出現(xiàn)低速區(qū)域，這是背風側(cè)以熱壓為主的上升氣流和迎風側(cè)風壓為主的上升氣流相遇，形成氣流漩渦，導(dǎo)致該區(qū)域流通能力較差，造成風速分布不均。因此在弱風條件下，室內(nèi)氣流組織均勻性須同時考慮風壓和熱壓的綜合影響。

圖6 X=14.4 m時不同開窗縱橫比連棟溫室風速分布與流線

3.3.2 不同開窗縱橫比下橫截面風速變化

圖7為連棟溫室長度方向平均風速及不均勻系數(shù)變化。由圖7（a）可知，不同開窗縱橫比下沿溫室長度方向截面平均風速均呈先下降后上升的趨勢，這是由于溫室迎風側(cè)和背風側(cè)均為高速區(qū)域，在氣流發(fā)展過程中，二側(cè)氣流相遇，容易形成氣流渦旋，導(dǎo)致平均風速下降。并且，開窗方案A平均風速的均值優(yōu)于其他開窗方案，較開窗方案C提高了50%。

由圖7（b）可知，沿溫室長度方向截面風速不均勻系數(shù)沒有明顯規(guī)律變化，所以僅分析不同開窗方案最小不均勻系數(shù)位置。開窗方案A和開窗方案E在=24 m時，風速不均勻系數(shù)取得最小值分別為0.32和0.33；開窗方案B在=16 m時，風速不均勻系數(shù)取得最小值為0.34；開窗方案C在=28 m時，風速不均勻系數(shù)取得最小值為0.43。開窗方案D在=12 m時，風速不均勻系數(shù)取得最小值0.42。由此可知，風速均勻的區(qū)域大多分布在靠近溫室背風側(cè)區(qū)域，這是由于背風側(cè)區(qū)域以熱壓通風為主，氣流受到干擾因素較少，風速分布較為均勻。

圖7 連棟溫室長度方向平均風速及不均勻系數(shù)變化

3.3.3 不同開窗縱橫比下豎直截面風速變化

圖8為連棟溫室豎直方向平均風速及不均勻系數(shù)變化。由圖8（a）可知，不同開窗縱橫比下沿溫室豎直方向截面平均風速均呈先下降再上升的趨勢。這是由于通風窗底部以下區(qū)域空氣向上運動時，受到來自迎風側(cè)水平方向上的氣流干擾，容易形成氣流渦旋，平均風速下降。隨著高度的增加，氣流發(fā)展充分，平均風速增大。并且，開窗方案A平均風速的均值優(yōu)于其他開窗方案，較開窗方案C提高了36%。

由圖8（b）可知，開窗方案A、開窗方案B、開窗方案C、開窗方案E沿溫室豎直方向截面風速不均勻系數(shù)變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，主要是由于溫室兩側(cè)氣流相遇，造成風速在同一截面上分布不均，導(dǎo)致風速不均勻系數(shù)上升。隨著氣流的不斷發(fā)展，氣流渦旋區(qū)域逐漸減小不均勻系數(shù)隨之下降。開窗方案D風速不均勻系數(shù)曲線在豎直高度1～3 m呈下降趨勢，由圖6（d）可知，這是由于背風側(cè)與迎風側(cè)溫室底部風速具有較大差異，導(dǎo)致同一截面風速不均勻系數(shù)較大，但隨著高度的增加，流通能力增強使得同一截面風速差異減小。

圖8 連棟溫室豎直方向平均風速及不均勻系數(shù)變化

3.4 流場均勻性評價

為了全面評價不同開窗方案對溫室通風效果的影響，依據(jù)式（1）—式（4）計算5種開窗方案總體平均溫度、總體溫度不均勻系數(shù)、總體平均風速、總體風速不均勻系數(shù)，計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同開窗縱橫比下溫室流場均勻性評價指標

由表4可知，開窗方案C與其余開窗方案室內(nèi)平均溫度相比最大溫差為1%，表明改變開窗縱橫比對溫室內(nèi)平均溫度影響不顯著。不同開窗縱橫比下室內(nèi)溫度、風速不均勻性系數(shù)存在明顯差異，具體表現(xiàn)為：開窗方案A的平均風速和風速不均勻系數(shù)明顯要優(yōu)于其余開窗方案，與開窗方案C相比，開窗方案A的平均風速提高了23%，風速不均勻系數(shù)降低了41%，表明開窗縱橫比為0.5時，能夠增加空氣上下流通能力，降低風速不均勻系數(shù)；隨著開窗縱橫比的增大，溫度不均勻系數(shù)逐漸增加，表明開窗縱橫比對連棟溫室溫度分布均勻性具有重要影響，其中開窗方案A較開窗方案C的溫度不均勻系數(shù)降低了41%。

4 討論

自然通風作為連棟溫室常用的通風方式之一，通常采用通風窗的合理配置以提高室內(nèi)溫度、風速分布均勻性。王新忠等[21]認為側(cè)窗和頂窗聯(lián)合通風作用下，室內(nèi)降溫效果最好。Akrami等[22]在研究側(cè)通風與頂通風對室內(nèi)微氣候的影響，發(fā)現(xiàn)側(cè)通風口對通風的貢獻最大?，F(xiàn)有研究表明側(cè)窗對室內(nèi)氣流流動以及合理分布發(fā)揮著重要的作用。因此，為了保證室內(nèi)流場均勻分布，為作物生長提供適宜的生長環(huán)境，有必要開展側(cè)通風窗對室內(nèi)流場分布均勻性的研究。

本研究設(shè)計了5種不同開窗縱橫比方案，發(fā)現(xiàn)在不同側(cè)通風窗縱橫比下，室內(nèi)溫度、風速不均勻系數(shù)具有較大差異，主要是由于自然通風條件下室內(nèi)環(huán)境受到風壓和熱壓的共同作用，表明開窗縱橫比對室內(nèi)流場分布均勻性具有較大影響。隨著開窗縱橫比的不斷減小，氣流的縱向進深能力不斷增強，主要是由于在開窗面積一定的情況下，側(cè)通風窗豎向尺寸越大、氣流上下流通能力越強，使得室內(nèi)溫度、風速分布更加均勻，這與程征[23]得出的結(jié)論一致。開窗縱橫比對室內(nèi)平均溫度影響不顯著，表明開窗縱橫比主要影響氣流分布均勻性，對室內(nèi)溫度大小影響有限。

此外，本研究并未考慮作物對連棟溫室通風的影響，實際生產(chǎn)中作物會阻礙氣流流通，造成溫度、速度分布不均。另外，濕度作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須考慮的環(huán)境因子，了解室內(nèi)濕度分布均勻性具有重要的意義。因此，日后考慮將作物以及濕度等因素納入到CFD仿真模型，以期能夠更好指導(dǎo)溫室設(shè)計建造。

5 結(jié)論

2）不同開窗縱橫比對連棟溫室室內(nèi)平均溫度無顯著變化，但對室內(nèi)溫度分布均勻性具有顯著影響。開窗縱橫比越大，迎風側(cè)冷空氣在溫室長度方向縱深能力越弱，室內(nèi)溫度分布越不均勻，溫度不均勻系數(shù)越高，其中開窗方案A較開窗方案C總體溫度不均勻系數(shù)減少了41%。

3）不同開窗縱橫比下連棟溫室室內(nèi)溫度、風速不均勻性系數(shù)存在明顯差異。5種開窗方案中，開窗方案A的總體平均風速和風速不均勻系數(shù)均優(yōu)于其他開窗方式，與開窗方案C相比，平均風速提高了23%，風速不均勻系數(shù)降低了41%。

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Influence of Aspect Ratio of Side Ventilation Window on Air Circulation in Terraced Greenhouses

GAO Zhenjun1, SI Changqing1, DING Xiaoming2*, LI Wei3, HE Fen2, LI Wenyang1, ZHANG Jianbo1

(1. College of Mechanical & Power Engineering of China Three Gorges University, Yichang 443002, China;2. Key Laboratory of Farm Building in Structure and Intelligent Construction, Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Beijing 100125, China; 3. Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment, Guangzhou 510630, China)

【Objective】The geometry of side ventilation windows is an important design parameter of greenhouse and this paper investigates the impact of their aspect ratio on air circulation in terraced greenhouses.【Method】The study is based on butterfly windows of terraced greenhouses in Guangzhou, using numerical simulation and experimental data measured from a greenhouse (Window C). We modelled five aspect ratios and compared the numerical simulations with experimental data. Air circulation in the greenhouse is quantified using non-uniformity coefficients.【Result】The average errors between the simulated and measured temperature and wind speed are 2.48% and 8.76% respectively, and their associated root mean square errors are 1.10 ℃ and 2.1×10-3m/s, respectively. Changes in the aspect ratio do not result in significant effect on average temperature in the greenhouses, but affect temperature variation noticeably. Among the five aspect ratios we compared, Window A gives the greatest average wind speed and highest wind uniformity coefficient. Compared with Window C, it increase average wind speed by 23% and the wind speed uniformity coefficient by 41%.【Conclusion】Our results show that reducing the aspect ratio of the side ventilation window as currently used by local farmers can effectively increase the uniformity of both temperature and wind speed in the greenhouse.

multi-span greenhouse; aspect ratio; natural ventilation; numerical simulation

1672 - 3317（2023）02 - 0087 - 08

S625.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022165

高振軍, 司長青, 丁小明, 等. 側(cè)通風窗縱橫比對連棟溫室流場均勻性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2023, 42(2): 87-94.

GAO Zhenjun, SI Changqing, DING Xiaoming, et al. Influence of Aspect Ratio of Side Ventilation Window on Air Circulation in Terraced Greenhouses[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 87-94.

2022-03-29

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0701500）；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室開放課題（201903）

高振軍（1986-），男。副教授。主要從事溫室環(huán)境模擬及流體機械。E-mail: 570186276@qq.com

丁小明（1976-），男。研究員，主要從事溫室設(shè)施裝備研究和標準化。E-mail: dingxiaoming@aape.org.cn

責任編輯：趙宇龍