浅析国内外温室环境数值模拟研究进展

李卓谦++邱施荣

摘要：本文简要回顾了国内外温室环境数值模拟研究发展状况，浅析了前人的研究成果，比较了国内外研究方向的异同。

关键词：温室；环境数值模拟研究；现状分析

1.1前言

温室作为植物生产的一种保护性设施，其主要的功能是实现室内环境的可控性。其中环境调控系统包括自然通风、湿帘风机通风降温、喷雾降温和辅助性遮阳网等降温系统以及热风或热水取暖和辅助性内保温幕等采暖系统。传统研究温室环境的方法常采用现场实验测试，再通过统计分析得出有关环境参数的变化规律。随着计算机技术水平不断地提高，计算机模拟仿真技术广泛应用于各研究领域。1989年，Okushima首次将数值模拟仿真技术应用于温室室内环境研究。虽然限于当时计算机硬件条件，模拟结果并不理想，但其为温室环境的研究拓宽了思路。此后，温室环境数值模拟研究工作如火如荼，国内外研究者针对上述各调控方式温室环境做了许多模拟研究工作，并取得了瞩目的成果

1.2 国内外温室环境数值模拟研究进展

1.2.1国外研究进展

在国外， 早期的CFD技术的研究内容相对较单一，最初对温室的研究对象也是以小型温室和比例温室为主，对室内的气流场和温度场的分布进行二维模拟。

1995年VOLLEBREGT等模拟了荷兰Venlo型温室壁面与邻近热水管道系统之间的辐射和对流传热情况。模拟结果与他人实验结果吻合较好，对流传热系数小于2.5%。实际温室模拟结果表明，墙体吸收热源的热量和从墙体损失的热量比例分别为20%，30%

1997年MISTRIOTIS等对圆拱型温室室内流场和温度场分布进行研究，并比较不同湍流模型得出RNGκ-ε模型吻合度比标准κ-ε模型要好，而CK模型更能再现室内气流的总体流动特性。

2000年LEE等对圆拱型温室室外风向、风速、风口大小及室内植物对通风率和流场分布的影响进行深入研究，通过引入多孔介质作物模型、遮阳网多孔介质跳跃模型和辐射模型，考虑了自然对流影响，壁面边界采用固定温度边界条件。

2004年KACIRA等基于CFD验证模型考虑作物影响，以室内流场分布和通风率为指标，对通风口进行模拟优化设计对2跨连栋人字坡温室进行研究。

2005年Campen利用CFD对热带地区典型温室类型进行模拟优化，比较分析了四种不同类型温室的通风效率及室内温度场。

2006年KHAOUA等在验证CFD模型基础上，对4跨连栋顶开窗人字坡温室不同室外风速和开窗形式室内流场和温度场分布情况进行模拟研究，并以通风率为指标，比较分析不同开窗方式的通风效果。

2008年KIM等对单栋顶开窗人字坡温室进行研究，分别模拟分析了喷雾降温和喷雾降温+冷却除湿工况室内空气相对湿度的分布。

2010年FIDAROS等模拟了稳态和非稳态两种情况室内热环境（包括温度场和光合有效辐射PAR分布） 结果表明非稳态模拟更能反映温室通风的真实情况。

1.2.2国内研究进展

国内关于温室CFD数值模拟的研究起步较晚，大部分成果都集中在近10年内。

2004年李永欣等模拟Venlo型温室研究室外遮阳系统与屋顶喷淋对室内温度场的影响。Standardκ-ε； 3D 提出了喷淋、遮阳网等边界条件的处理方法，并采用瞬态模拟；模拟结果的平均误差为5%。

2005年朱文见；对采用圆翼型加热方式的连栋圆拱型温室夜间热环境进行了二维和三维模拟，并分析了散热器和保温幕布置方式与供暖效率的关系。

2006年杨振超研究自然通风情况下日光温室室内流场分布规律，并模拟分析了通风面积比对温室性能的影响。同年，傅宁等对单栋人字坡温室运用Airpak模拟机械通风有作物情况下温室温度场和速度场。

2008年陈晓研究了Venlo型温室湿帘风机安装高度、距离及内遮阳对温度场分布的影响。

2009年李本卿对Venlo型温室模拟了在机械通风下作物对温度场和速度场的影响。

2010年吴飞青等对Venlo型温室模拟夜间热风采暖温室热环境，并考虑作物影响；程秀花等对Venlo型温室自然通风工况，温室内湿空气流场模拟，并考虑作物生理活动的影响

2011年何国敏；在自然通风的条件下对Venlo型温室模拟研究室内温度场和湿度场。

2012年穆大伟等对圆拱型连栋温室及温室群采用1：5三维模型，模拟分析室外风速大小和方向对温室室内外流场的影响

2013年谭胜男等研究了在自然通风条件下Venlo型温室喷雾措施对室内温度场和湿度场的影响，引入湿空气组分模型，提出了喷头边界条件的处理方法。

1.3总结

综合国内外关于CFD技术应用于温室环境系统的研究成果，主要包括两方面：一是利用CFD技术优化指导温室物理结构的设计。二是在一定模式下如自然通风、机械通风、喷雾降温等，研究温室CFD模拟的有效性，并以此为基础对温室进行环境预测。

此外，国内外研究方向及重点也存在差异。（1）国内学者对Venlo型温室的模拟研究较多，模拟其他温室如锯齿型、哥特式型温室的较少；（2）在对不同通风工况研究方面，国外学者对温室自然通风工况的模拟研究较多，对机械通风工况的模拟研究主要是针对畜禽舍环境，而国内情形却相反。原因可能与气候环境条件有关，我国大部分地区夏季都存在极端高温天气，自然通风不能满足降温要求，温室采用机械通风降温不可避免。

参考文献

1.李永欣， 李保明， 李真， 等. Venlo型温室夏季自然通风降温的CFD数值模拟[J]. 中国农业大学学报， 2004（06）：44-48.

2.朱文见. 冬季供暖条件下连栋温室夜间热环境的CFD模拟[D]. 中国农业大学， 2005.

3.杨振超. 日光温室内最佳风速指标与CFD模拟[D]. 西北农林科技大学， 2006.

4.陈晓. 机械通风条件下Venlo型温室内温度场与流场的数值模拟研究[D]. 浙江工业大学，2008.

5. 强制通风条件下Venlo型温室内气流场和温度场的CFD数值模拟研究[D]. 江苏大学， 2009.

6.吴飞青， 张立彬， 胥芳， 等. 机械通风条件下玻璃温室热环境数值模拟[J]. 农业机械学报， 2010（01）：153-158.

7.何国敏.现代化温室温度场数字化模拟研究[D]. 南京农业大学， 2011.

作者简介 ： 李卓谦，女（1989——），华南农业大学，硕士在读，农业建筑规划与设施环境工程。

邱施荣，男（1988——），华南农业大学，硕士在读，农业建筑规划与设施环境工程。endprint