日光温室夜间空气自然对流边界层的确定及量化分析

张传坤　魏珉　徐平丽　杨宁　刘波　王晓　孔祥华

摘要：为研究塑料薄膜覆盖日光温室夜间的保温原理，运用自然对流边界层理论对日光温室夜间垂直方向上的温差分布进行研究。结果表明：①试验温室地面以上0.10 m内、薄膜内侧0.10 m内温差积分占垂直方向上总温差积分的比例分别为45.55%、34.54%;地面以上0.10 m处与薄膜内侧0.10 m处之间的距离为4.98 m，其温差积分占总温差积分的比例为19.91%。②试验温室地面和薄膜内侧存在速度边界层，夜间速度边界层瑞利数（Ra）为1.66×1010～3.50×1010，为湍流边界层。③日光温室除去受到覆盖物的保温因素外，内部空气自然对流也产生层流底层，增大了传热热阻，从而实现保温作用。④多膜覆盖、双层膜、内保温等栽培设施将空气分割成不同的空间，空气在不同的空间内分别进行自然对流，在增加的膜的两侧分别产生层流底层，保温效果优于单层膜保温效果，但保温效果的增幅随膜层数增加而降低。⑤试验期间温室地面、薄膜内侧湍流邊界层厚度范围为0.13～0.14 m、层流底层厚度范围为5.01×10-3～5.90×10-3m，薄膜内侧层流底层对温室的保温作用为0.70～1.49℃。

关键词：日光温室;塑料薄膜;自然对流;边界层;湍流边界层;层流底层

中图分类号：S625.1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2020）05-0031-08

Abstract In order to study the heat preservation principle of plastic film at night， the temperature difference distribution in the vertical direction of solar greenhouse was studied with the theory of natural convection boundary layer as research foundation. The results were as follows. ①The proportion of temperature difference integral within 0.1 m above the ground and within 0.1 m under the plastic film was 45.55% and 34.54% respectively to the total temperature difference integral in the vertical direction. The distance from 0.1 m above the ground to 0.1 m under the film was 4.98 m， and the proportion of the temperature difference integral to the total temperature difference integral was 19.91%. ②There was a flow boundary layer close to the ground and the inside of film. The Rayleigh number （Ra） of the velocity boundary layer of the experimental greenhouse was calculated to be 1.66×1010～3.50×1010， which indicated that the velocity boundary layer was a turbulent boundary layer. ③In addition to the heat preservation caused by preservation quilt， the night heat preservation of the plastic film was realized by natural convection of the internal air to form a laminar flow bottom layer， which increased the heat transfer thermal resistance. ④The cultivation facilities such as multi-film mulching， double-layer film and internal heat preservation divided the air into different spaces， and the air flows naturally in different spaces. The laminar bottom layers produced on both sides of the increased film， so the heat preservation effect was better than that of single-layer film. But the increase of temperature preservation declined with the increase of film layers. ⑤The thickness of the turbulent boundary layer above the ground and under the film during the test was 0.13～0.14 m in the tested greenhouse， and that of the laminar flow bottom layer was 5.01×10-3～5.90×10-3 m. The heat preservation effect of the laminar bottom layer under the film was 0.70～1.49℃ during the experiment.

Keywords Solar greenhouse;Plastic film;Natural convection;Boundary layer;Turbulent boundary layer;Laminar bottom layer

塑料薄膜覆盖栽培因其能够提高作物生长环境的温度、防止低温冷害而在世界农业生产中得到广泛应用。中国从20世纪50年代中后期开始引进塑料薄膜应用于农业生产，到80年代以日光温室为主体的园艺栽培设施得到迅速发展，出现了地膜覆盖、多膜覆盖、双层膜、日光温室及其内保温等多种园艺设施栽培形式，设施园艺生产已经成为中国农业可持续发展中的重要方面之一[1-5]。

科技人员对塑料薄膜夜间保温已进行了大量研究，如：地膜覆盖增温效应[6-9]、三膜覆盖栽培技术[10-14]、双层覆盖应用效果及试验研究[15-21]等等。研究发现塑料大棚内每增加一层覆盖，可以提高夜温1～2℃，其保温效果具有累加效应[22]。随着量化方式的改进，试验中还发现随着薄膜层数的增多，多膜覆盖夜间温度增幅逐渐降低;塑料薄膜保温并不是由于自身热工参数引起的，而是受到其他因素影响，但对造成保温的因素没有进一步研究[23]。

为避免拱棚内外空气温度差异所造成的不确定性影响[23]，本试验以夜间日光温室内部空气自然对流边界层为研究对象，对温室内部垂直方向上的温差分布进行研究，揭示塑料薄膜夜间保温的影响因素，阐明塑料薄膜夜间的保温原理，为新型内保温材料研发、新型设施栽培模式推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验温室

试验温室位于山东省泰安市（36°11′07″N，117°06′51″E），为宽厚土墙下挖式温室，下挖深度为0.5 m，东西长度50 m，跨度9.3 m;前屋面为钢架结构，利得膜覆盖;北墙高4.5 m，上部宽2.0 m，下部宽3.5 m;夜间前屋面覆盖保温被，保温被材料为无纺布内加一薄层泡沫塑料，厚度约3 cm;采用电动卷帘机卷放。温室内种植番茄，9月15日定植，大小行栽培，大行距80 cm，小行距60 cm，株距50 cm;试验期间番茄处于盛果期，株高约210 cm。

1.2 自然对流原理及速度边界层量化方法

1.2.1 自然对流及其驱动力流体内部温度不均匀引起的流动称为自然对流[24]。自然对流在建筑节能、电子元器件冷却、太阳能集热器设计、核反应器设计等领域中已经得到普遍应用 [25-29]。日光温室夜间薄膜内侧空气温度低于地面空气温度，薄膜内侧空气密度大于地面空气密度，在重力作用下薄膜内侧空气向地面流动，在浮力作用下地面空气向薄膜内侧流动，温室空气形成自然对流。

薄膜内侧空气流动到地面与地面发生对流换热后温度升高、密度变小，流动方向发生改变，转为向上流动。地面空气流动到薄膜内侧与薄膜内侧发生对流换热后温度降低、密度变大，流动方向也发生改变，转为向下流动。夜间薄膜内侧空气与地面空气温差、密度差持续存在，因而温室空气自然对流持续存在。徐丰等[30]在侧加热腔内的空气自然对流中对于密度差引起的空气流动使用驱动来表示，本文也引入驱动概念进行研究，即日光温室内部空气自然对流是冷面在上（薄膜内侧）、热面在下（地面）引起的Rayleigh-Benard对流，由温度差引起的密度差成为空气自然对流的驱动力。夜间日光温室内部空气流动如图1所示。

1.2.2 自然对流边界层温室空气流到地面和薄膜时，受地面和薄膜阻挡，空气流动方向由上下流动转为贴着地面、薄膜内侧流动，此时温室空气与地面、薄膜内侧产生摩擦，空气流速降低直至在地面、薄膜内侧降低为零，温室空气在地面、薄膜内侧形成速度边界层[24]，速度边界层厚度为从U0开始降低至0.99U0的位置到地面、薄膜之间的法线距离。

速度边界层分为层流边界层和湍流边界层，湍流边界层又分为层流底层和湍流区。对于层流边界层，法线方向上的热量传递依靠传导;对于湍流边界层，层流底层法线方向上的热量传递也依靠传导;由于空气的导热率较低[20℃时为0.024 W/（m·K）]，流动边界层热阻较大，两侧积聚温差。

1.2.3 U0的计算温室空气流动遵守质量守恒、动量守恒、能量守恒定律，把动量守恒微分方程无量纲化[31]，可以得到微分方程：

（1）选用试验期间夜间外界温度较高、较低时的试验数据，对日光温室垂直方向上的温差分布进行定性分析，以确定薄膜内侧、地面存在速度边界层。

（2）用Matlab软件对试验期间外界温度与垂直方向上各段温差之间的关系进行数据拟合，以试验期间外界温度变化范围为积分区间，对拟合函数进行积分运算，计算试验期间薄膜内侧、地面速度边界层的温度变化范围;计算瑞利数大小，确定速度边界层状态;计算湍流边界层、层流底层厚度范围。

（3）本研究温度采用JTNT-C多通道温度热流测试仪测定。温度传感器技术参数：温度范围-20～85℃;精度±0.5℃，常温可达±0.2℃;温度分辨率为0.

1℃。

测定时间为2016-01-14—2016-02-07。数据记录从每天下午18∶00到第2天凌晨06∶00，间隔时间为5 min，以每小时测定的12个数据的均值作为该时刻该测点的温度;以13个平均温度的均值为该天夜间温度。

选用试验期间夜温较高（2016-01-04， 3.63℃）和夜温较低（2016-01-23，-13.94℃）的数据对温室垂直方向上的温差分布进行定性分析;选用整个试验期间的测定数据对垂直方向上各段温差进行定量分析。

3 讨论

地膜覆盖、多膜覆盖、双层膜、日光温室内保温等园艺设施栽培形式虽然存在差别，但其共同点都是利用保护设施切断设施内外空气之间的流动，空气在设施内部进行自然对流，产生层流底层，层流底层的导热方式发生改变，体现為具有保温作用。

地膜覆蓋是空气自然对流在地面和地膜内侧产生层流底层，减少土壤热量向外部散失，体现为提高土壤温度;多膜覆盖、双层膜、内保温等栽培设施是由于增加的膜切断了膜两侧的空气流动，空气被分割在不同空间内分别进行自然对流，在每一层膜的两侧分别产生层流底层，设施传热热阻增大，保温性能进一步增加。

多膜覆盖栽培设施随着薄膜使用层数的增多，在每一层膜的两侧都会形成层流底层，减少设施内部热量向设施外的散失，提高设施内部保温效果。但是层流底层的形成是建立在设施内外温度差产生的密度差的基础上，随着薄膜使用层数增多，各封闭空间内引起空气自然对流的温差降低，进而影响到各层薄膜两侧层流底层的保温效果，这可能就是随着薄膜使用层数的增多多膜覆盖夜间保温增幅逐渐降低的原因。

本文把薄膜内侧相当于冷面，是考虑到尽管薄膜内侧不是平面，但不会对空气的流速产生影响，因而不会影响层流底层的产生。

本试验中使用的温度传感器探头有一定尺寸，所以T8测定的温度并不是真正意义上的薄膜内侧温度，只是非常相近;实际形成的温差中，薄膜内侧温差会略大于0.70～1.49℃。

4 结论

（1）塑料薄膜夜间保温是通过内部空气自然对流形成层流底层，增大传热热阻来实现的;日光温室除受到覆盖物的保温因素外，内部空气自然对流产生层流底层，也具有保温作用。

（2）多膜覆盖、双层膜、内保温等栽培设施将空气分割成不同的空间，空气在不同的空间内分别进行自然对流，在增加的膜的两侧分别产生层流底层，保温效果优于单层膜保温效果。但随着薄膜使用层数增加，各分割空间内引起自然对流的温差降低，会影响层流底层的保温效果，使得多膜覆盖夜间保温的增幅随膜层数的增加而降低。

（3）本试验期间温室地面、薄膜内侧湍流边界层厚度为0.13～0.14 m，层流底层厚度为5.01×10-3～5.90×10-3 m。

（4）本试验期间温室薄膜内侧层流底层对温室的保温作用为0.70～1.49℃。

参 考 文 献：

[1] 韩昌泰.中国农用塑料薄膜生产应用近况及其发展趋势[J].农业工程学报，1990，6（2）：32-37.

[2] 王建明，胡具瞻.国外农用薄膜开发应用与现状[J].兰化科技，1991，9（3）：204-209.

[3] 吕江南，王朝云，易永健.农用薄膜应用现状及降解农膜研究进展[J].中国麻业科学，2007，29（3）：150-157.

[4] 李天来.论我国日光温室生产发展的制约因素与战略性调整[C]//中国农业工程学会第七次会员代表大会论文集.北京，2003：75-78.

[5] 李式军，郭世荣.设施园艺学[M].2版.北京：中国农业出版社，2012：5-7.

[6] 朱彦博，程志斌.薄膜地面覆盖对土壤环境及春小麦生长发育的影响[J].甘肃农业科技，1989（3）：29-31.

[7] 江燕，史春余，王振振，等.地膜覆盖对耕层土壤温度水分和甘薯产量的影响[J].中国生态农业学报，2014，（22）6：627-634.

[8] 潘渝，郭谨，李毅，等.地膜覆盖条件下的土壤增温特性[J].水土保持研究，2002，9（2）：130-134.

[9] 李倩，张睿，贾志宽，等.不同地膜覆盖对垄体地温及玉米出苗的影响[J].西北农业学报，2009，18（2）：98-102.

[10]杜春莲，鲁继勇.绿芦笋大棚三膜覆盖栽培技术[J].现代农业科技，2013（6）：81-82.

[11]王吉会，纪艳君.大棚甜瓜三膜覆盖高产栽培技术[J].现代农业科技，2012（23）：103-104.

[12]金伟.马铃薯三膜覆盖两茬栽培技术[J].农业科技与装备，2014（10）：45-46.

[13]程建徽，魏灵珠，李琳，等.葡萄“三膜”覆盖早熟促成栽培技术[J].中国南方果树，2012，41（1）：95-97.

[14]何明远.浅谈辣椒三膜覆盖冬育苗技术[J].四川农业科技，2015（6）：25-27.

[15]胡永军.温室蔬菜应对严寒天气的保温覆盖方式[J].中国蔬菜，2011（1）：50-51.

[16]王克安，陈运起，吴建华.双层保温膜在蔬菜上的应用效果[J].山东蔬菜，2002（2）：7-8.

[17]周长吉.双层充气塑膜温室经济技术评价[J].农业工程学报，1999，15（1）：159-163.

[18]刘进生.我国的塑料双大棚和美国的充气双层膜温室[J].长江蔬菜，2000（1）：33-34.

[19]刘霞.节能性日光温室冬季栽培技术关键[J].农机科技推广，2013（10）：45，48.

[20]李海明，崔庆法.连栋温室简易内保温幕保温节能研究[J].中国生态农业学报，2005，13（2）：173-175.

[21]佟国红，陈青云.日光温室加内保温幕的试验[J].可再生能源，2004（5）：17-19.

[22]李萍萍，胡永光.冬季塑料大棚多重覆盖及电加热增温效果[J].农业工程学报，2002，18（2）：76-79.

[23]张传坤，牛蕴华，焦自高，等. 多膜覆盖夜间气温变化模拟试验[J].山东农业科学，2019，51（4）：55-60.

[24]张靖周，常海萍.传热学[M].2版.北京：科学出版社，2015：87-90，135-138.

[25]王建刚，杨茉，殷俊，等.底部加热空气层自然对流的可视化实验研究[J].工程热物理学报，2004，25（6）：986-988.

[26]李世武，熊莉芳.封闭方腔自然对流换热的研究[J].工业加热，2007，36（3）：10-13.

[27]翟志强，符松.空气冷却塔自然对流的数值研究[J].应用基础与工程科学学报，1996，4（3）：324-328.

[28]邓月超，赵耀华，全贞花，等.平板太阳能集热器空气夹层内自然对流换热的数值模拟[J].建筑科学，2012，28（10）： 84-87，92.

[29]王厚华，黄春勇.中空玻璃空气夹层内的自然对流换热[J].重庆大学学报，2009，32（7）：84-87.

[30]徐丰，崔会敏.侧加热腔内的自然对流[J].力学进展.2014，44（3）：98-136.

[31]Bianchi A M， Fautrelle Y， Etay J. Transferts Thermiques[M].王晓东，译.大连：大连理工大学出版社，2008：167-171.

[32]姜金宁. 硅酸盐工业热工过程及设备[M].2版.北京：冶金工业出版社，2016：70-75.

[33]武秀荣，曹学成.普通物理学[M].北京：中国农业出版社，2013：117-121.