基于CFD的顶部可开合塑料温室外流场仿真分析

胡光艳，曾宪任，余香梅，王海平

（1.九江学院，江西 九江 332005；2.江西省九面旗生态农业科技有限公司，江西 九江 332000）

设施种植是保障“菜篮子”产品供应、促进农民增收和繁荣农村经济的有效途径[1]。截至2021年底，全国大中拱棚以上设施面积达413.33 万hm2，有效保障了农产品的市场供应，增加了农民收入，也符合乡村振兴的时代需要。但传统塑料大棚条件简陋，控制不便，采光、通风效果不佳，影响作物品质和产量。近年来，新型智能温室成为研究热点。这些智能温室配套设施相对完善，一系列补光、保温、遮阳等技术的应用为作物生长创造了良好的环境条件，但也不可避免地增加了建造和维护成本，难以普及推广。如何有效利用现有条件，在控制成本的同时有效改善温室条件，是研究人员需要重点考虑和着力解决的问题。对此，引入一种顶部可开合的塑料温室，可通过温室顶部钢丝绳运动来带动薄膜，实现整个棚顶的适时开启，进而解决传统塑料大棚通风不便的问题，达到适时通风、降温、除湿和改善空气质量的目的，而且，这种塑料温室建造及维护成本低，配套机构简单易控，值得研究与推广。在实际应用过程中，这种顶部可开合的塑料温室需要重点关注其抗风性能，以防止大风带来安全隐患。研究运用CFD 方法，模拟温室在较大风力作用下的风压及流场分布，借此改进结构设计，进而增强塑料温室的可靠性和安全性。

1 顶部可开合塑料温室的结构特点

顶部可开合塑料温室主要由温室主体支撑结构、屋顶可开合系统、立面覆盖、电气及控制系统等组成。现以大跨度双坡温室为例，其基本尺寸为长度60 m，宽度6 m（可扩展），中间脊高5 m，两端肩高3.5 m，其主体结构特征见图1。

图1 可开合棚顶结构示意图Figure 1 Structural diagram of retractable roof

这种塑料温室的工作原理是：多条并列的钢丝绳与覆盖其上的薄膜共同组成锯齿形屋顶，这些钢丝绳两端连在支架上，支架可在导轨上移动和偏转。根据室内实时温度、湿度等指标，可控制电机适时启动，带动支架在导轨上运行，拉动薄膜如折扇状折叠与展开，进而完成棚顶的开合[2]。

棚顶斜坡采用V 型槽结构设计，可解决排水问题。温室立面部分用较厚的薄膜加以覆盖，也可利用原有墙面。屋顶合拢时，应与温室立面部分保证可靠的贴合。

2 CFD建模与数值分析

2.1 CFD在温室工程中的应用

计算流体力学（CFD）在温室领域的应用主要体现在：一是研讨风荷载对温室结构性能的影响，二是研究温室通风状况并作环境分析。风压是建筑设计中需要主要考虑的荷载之一，目前对风压的研究属于结构风工程范畴。CFD 方法作为计算风工程的主要手段，其研究多集中在如何选用合适的湍流模型，以达到较好的预测精度[3]。目前，针对房屋建筑的风压研究较为常见[4-7]，即通过数值模拟的方法来分析屋面的风压分布规律，从而评价或修正房屋结构设计。颜菲尔和李伟清[8]对尖顶型温室风压进行数值模拟与研究，探讨了不同风向风荷载对不同跨数的温室结构直面风压的作用效应，赵玉磊[9]应用CFD方法对光伏农业科技大棚内的温度及流场分布进行模拟仿真分析，用以指导环流风机、排气窗等安装及棚内建筑物的合理布局。王新忠、张伟建等[10-11]利用建立的CFD模型，对屋顶全开型玻璃温室进行自然通风流场分析，研究降温调控措施的有效性。

Fluent 软件是目前CFD 仿真领域应用广泛的软件包之一，其丰富的物理模型能模拟层流、湍流、热传递、热反应等物理现象。ANSYS集成Fluent后给用户提供了可与大多数CAD 系统连接的接口，能方便地导入外部几何模型。ANSYS Fluent 对Design Modeler和Meshing 进行了集成，便于用户对导入模型进行修复和生成，并完成网格划分。本研究就是以ANSYS Fluent软件为主要工具，依托其强大的流体仿真功能来完成温室外流场的仿真。

2.2 CFD建模与数值模拟

顶部可开合塑料温室在使用中需要承受多种荷载作用，其中风荷载是主要考虑的荷载之一。通常，风速较高时温室应处在封闭状态，故重点研究温室在封闭状态下的风压及流场分布。根据温室的跨度方向（东西方向）与风向的位置关系，将来风方向分为以下3 种：东风和西风，与跨度方向平行；南风和北风，与跨度方向垂直；东南风、东北风、西南风、西北风，与跨度方向夹角45°。现分别研究3种风向的温室流场分布情况。

2.2.1 有限元模型与网格划分首先，利用SolidWorks软件建立1∶1 单跨双坡温室实体模型，宽12 m，纵向长60 m（单坡30 m），肩高3.5 m，脊高5 m。然后，将几何模型导入ANSYS Fluent 模块计算域设置与网格划分。计算域为长方体，按照最大阻塞率（建筑物最大迎风面面积/流域横截面面积）小于3%的原则，设定长方体尺寸为200 m×350 m×65 m。温室置于风速流动方向前1/4处，3种来风方向均与计算域入口平面保持垂直，不同的是温室在计算域内所处的方位。东风、西风、南风、北风均设置对称面，以减少计算量。最后，进入Fluent自带的mesh进行网格划分，按默认设置即可。

2.2.2 模型选择与边界条件设定选取Realizable k-ε 湍流模型，增强型壁面函数（Enhanced Wall Treatment），采用速度入口（velocity-inlet）。对于B 类地貌，用指数函数模拟风速分布：

式中，vz为任意高度z处的平均风速；z0为参考高度，取为10 m；v0为参考高度10 m 处的平均风速，取20 m/s（相当于8级风）；α与地面粗糙度有关，取值0.2。

入口处湍流特性由湍动能k和湍流耗散率ε确定，其表达式如下：

式中，l为湍流积分尺度，参照日本规范，取值为为湍流强度，参考日本规范Ⅲ类地貌，取值为

式中，α=0.2，zb=5m，zG=450m以上速度入口边界条件均用UDF编程实现并作为用户自定义函数由Fluent 调用和编译。图2、图3 分别为入口速度和湍动能随高度变化的曲线，与此类似，还可得到湍流耗散率的变化曲线。

图2 入口速度随高度的变化Figure 2 Inlet velocity changes with height

图3 湍动能随高度的变化Figure 3 Turbulent kinetic energy changes with height

出口边界条件：采用完全发展出流（outflow）边界条件；温室模型表面和流场地面：采用无滑移壁面条件（wall）；流域顶部和两侧：采用自由滑移边界条件，其中东风、西风工况和南风、北风工况含1 个对称边界条件（symmetry）。

2.2.3 初始化与计算收敛压力—速度耦合采用Coupled 算法，利用Hybrid 方法进行初始化。设置迭代次数200次，残差小于1×10-3即可认为达到收敛。

3 顶部可开合塑料温室多工况流场分析

3.1 东（西）风工况流场分析

东（西）风工况下温室表面及其对称面的压力云图见图4、图5，速度矢量图见图6，迹线图见图7。

图5 东（西）风压力云图（对称面）Figure 5 East(west)wind pressure cloud map(symmetrical plane)

图6 东（西）风速度矢量图（对称面）Figure 6 East(west)wind velocity vector map(symmetrical plane)

图7 东（西）风迹线图Figure 7 East(west)wind track chart

由图4、图5和图6可知：在温室迎风面有较大的正压产生，在底部形成低速高压区，并有一些碰撞回流现象；屋顶前部风压变化急剧，形成较大梯度；整个屋顶上方形成负压区，即对屋顶形成“风升”效应；背风面处有负压产生，后方区域产生明显的低速涡流区。从图7 迹线图可以明显看出后方（图中右下方）形成的涡流，屋顶前部V型槽结构起始部分因风场干扰效应也在局部形成涡流特征。

3.2 南（北）风工况流场分析

南（北）风工况下温室表面及其对称面的压力云图见图8、图9，速度矢量图见图10，迹线图见图11。

迎风面正压、底部碰撞回流、屋顶“风升”效应、背风面负压等主要特征与前一种工况类似。同时，由图8 可以看出，屋顶风压呈现明显分层，这与荷载设计规范给出的锯齿形屋顶风荷载体型系数变化特征极为相符，对照图9 可以更加清晰地看出分层面的位置。由图10 和图11 可以看出，横向风与屋顶V 型槽壁面之间来回碰撞回流，层层递进叠加，最终沿着来风方向形成明显的梯度。与平行风相比，后方形成的涡流区域更大一些。对比两张对称面压力云图（图5和图9），可以看出垂直风向的工况负压绝对值更大，“风升”效应更加明显。

图8 南（北）风压力云图（温室表面）Figure 8 South(North)wind pressure cloud map(greenhouse surface)

图9 南（北）风压力云图（对称面）Figure 9 South(North)wind pressure cloud map(symmetrical plane)

图10 南（北）风速度矢量图（对称面）Figure 10 South(North)wind velocity vector map(symmetrical plane)

至于最大风速，由于计算域的高度远大于温室高度（约12倍），按照UDF编程，计算域高度不变时的最大风速应出现在计算域的顶部且为定值。但从仿真结果看，两种工况的最大风速稍有差异，可能是在不同工况条件下，由于温室在计算域中的相对位置不同而导致阻塞率存在差异所造成的，但也不排除计算精度的影响。

3.3 东南风（45°风向）工况流场分析

东南风（45°风向）工况下温室表面及其对称面的压力云图见图12、图13。

图12 东南风（45°风向角）压力云图（温室表面）Figure 12 Southeast wind(45°angle of direction wind)pressure cloud map(greenhouse surface)

图13 东南风（45°风向角）压力云图（辅助平面）Figure 13 Southeast wind(45°angle of direction wind)pressure cloud map(auxiliary plane)

斜风向来风比较复杂，从图12 可以看到两个迎风面的压力变化情况，即从正压过渡到负压分层明显，屋顶前端极限负压涉及到两段边沿，整个屋顶的负压分区更为复杂。对此，通常做法是在计算域内设置一些平面进行辅助分析，如图13所示，该平面经过两个迎风面交线且平行于风向。通过观察图12和图13 所示压力云图，可以看出东南风压力分布规律与前两种工况类似，但背风面涡流尤为明显。速度矢量图和迹线图与前两种工况类似，这里不再赘述。显然，平面所处位置不同，其流场分布特征不同。另外要说明的是，实际风向往往诸多变化，完全正东正西（或正南正北）的风向极少，因此在温室的结构设计中要考虑整体结构各方面的的承载性能，确保安全可靠。

综合比较三种工况的数据可以看出，迎风面上的最大正压值出现在东（西）风工况（风向与跨度方向平行），最小值出现在南（北）风工况（风向与跨度方向垂直），45°风向的正压力大小居中。相应地，屋顶前端出现的最大负压值（绝对值最大），大小关系则刚好相反，南（北）风工况负压最大，即垂直风向的屋顶“风升”效应最明显，但是45°风向时，极限负压分布的区域更大，这也是不利的。具体到实际中，则宜参考区域内常年风向的统计数据，根据该地区最常见的风向和地理特征来进行布局和选址，并优化温室的相关结构等。

4 结论

顶部可开合的塑料温室能更好地满足温室采光、降温、换气、除湿的要求，同时由于顶部可收放的特殊构造，在结构设计中要多加重视整体结构包括各连接部分的稳定性以及确保在各种荷载组合作用下安全可靠。

风荷载是温室结构设计需要重点考虑的因素，CFD数值方法是温室风压研究最重要的方法之一，本文运用ANSYS Fluent 软件模拟三种风向下温室的风压和风速的流场分布情况，得出温室风载的特征及其变化规律，与规范相符，说明CFD方法在风压分析方面的有效性，分析结果可以为温室的结构设计以及建造提供有价值的参考。