基于有限元的蔬菜大棚通风模拟研究

王金翔,谢娅娅

基于有限元的蔬菜大棚通风模拟研究

王金翔,谢娅娅*

荆楚理工学院, 湖北 荆门 448000

本文基于有限元仿真模型模拟了不同通风方式下大棚内的空气流场分布规律，实测数据验证了模型的准确性。研究发现出风口与进风口相对时，靠近进风口附近可种植的蔬菜高度高于出风口附近。出风口与进风口不相对时，靠近出风口一定范围内的空气速度较为平稳，有利于蔬菜种植。顶部通风有助于改变大棚顶部的空气循环模式。在远离进风口的顶部设置出风口可促进空气流动速度增加。本文的研究结果可为蔬菜大棚通风口设计提供理论指导。

有限元模型; 蔬菜大棚; 通风模拟

随着生活水平的提高，人们对各种各样的蔬菜的需求量增加，餐桌上时常可见反季节的蔬菜，这都归功于蔬菜大棚大面积推广应用。由于大棚能够改变蔬菜生长的微气候，为其营造适宜的生长环境，无需根据天气选择种植的蔬菜品种。通风在大棚内部微气候调控中起到非常重要的作用。通风的作用是交换热量、降低湿度，为大棚提供新鲜空气保证其内部的二氧化碳浓度。但如果大棚通风不畅，会出现温度过高、湿度过大、二氧化碳浓度偏低和有害气体积累等问题，影响蔬菜的正常生长，造成病虫害严重、作物减产、品质低劣。因此，通风方式对大棚环境调控规律研究尤为重要[1-3]。

随着计算机技术的发展，基于有限元的计算流体力学模拟（CFD）被广泛用于流体流动规律研究。大棚由于尺寸较大，实验研究存在一定的难度和误差，因此众多研究者利用CFD研究大棚在应用过程中的空气流动和温度分布。何科奭等[4]利用计算流体力学模拟的方式研究不同通风方式下温室内气流和温度场，探究通风方式对通风率、室内外温差和室内气候均匀性的影响规律，揭示温室微气候形成机理。现有的通风方式主要有机械通风和自然通风，研究者研究了不同通风方式的特征。赵杰强等[5]、黄全丰等[6]利用Fluent模拟了机械通风形式下，连栋大棚内的温度分布规律。部分研究者[7-11]通过Fluent模拟了不同通风方式下大棚内的空气流动和温度场分布，研究大棚的通风操作方式。目前的研究成果[12-20]均是针对不同类型的大棚进行模拟，未充分讨论研究不同通风模式下大棚内的流动规律，以及根据该流动规律选择种植事宜的蔬菜品种。

本文建立有限元仿真模型，利用Fluent软件模拟了不同通风方式下大棚内的空气流场分布规律，对比分析了通风口与进风口相对位置不同的影响，探究了不同顶部通风口布置方式对大棚内的流场影响规律。本文的研究结果可为大棚通风口的设计和大棚内蔬菜种植方式提供指导。

1 模拟模型及对象

1.1 模型方程

在进行通风操作时，温室内空气流动过程中产生的雷诺数Re一般大于4 000，具有较高的湍流特性，因此本文选用-湍流模型来描述空气流动。同时本文假设大棚内气体为连续、稳定、不可压缩牛顿流体，因此用有限元的方法求解空气流动问题时，控制方程满足连续性方程、动能方程、湍流能量耗散方程和湍流能量耗散率方程如下。

（1）连续性方程：

（2）动量方程：

（3）湍流能量耗散方程和能量耗散率方程

1.2 模拟对象及方法

本文选择华中地区典型的金属骨架塑料温室大棚为研究对象，宽度8 m，长度20 m，脊高3 m，顶高5.0 m，主进风口宽0.8 m。采用非结构化网格对大棚进行划分，进出风口进行了网格加密。进口风速为1.2 m‧s-1。模拟计算时采用的边界条件和初始条件如表1所示。

表 1 模拟边界条件和初始条件

2 结果与分析

2.1 网格无关性检验

为了避免网格大小影响模拟计算结果准确性，本文采用3种网格尺寸对进风口和出风口相对的大棚进行模拟研究。各种网格尺寸大小下，通风30 min之后沿着大棚长度方向距地面2 m高度处的空气速度如图1所示。

图 1 网格无关性检验

图1中，曲线为模拟值，星号为实际测量值。由图可见，不网格大小模拟获得的空气速度沿长度方向变化趋势基本一致，而且与实测值之间误差较小。因此，模拟过程采用的模型准确，可很好地反应实际通风过程，同时网格尺寸对模拟结果影响较小。后文的模拟中采用的网格尺寸为0.05 m。

2.2 进风口位置及数量对蔬菜大棚内空气流动的影响

进风口和出风口的相对位置会影响通风时空气在蔬菜大棚内的流动轨迹，进而影响不同高度处蔬菜和空气接触的量，因此本节考察了三种不同出风口位置对大棚内的空气流动影响。图2所示的是不同出风方式下大棚沿长度方向的中轴面上的空气速度分布，其中middle代表出风口与进风口相对，lower代表出风口在进风口相对位置的下方，upper代表出风口在进风口相对位置的上方，出风口的尺寸均为0.8 m。由图2（a）可见，出风口与进风口相对时，空气达到大棚中心位置后的速度可以保持在0.5 m‧s-1左右，之后速度逐渐减小。在出口附近高度方向上空气的速度梯度较大。因此，图2（a）的通风方式下，靠近进风口的地方比较适合种植高度与进风口高度差不多的蔬菜品种，如黄瓜、西红柿等。而在出风口附近比较适合种植低于出风口的蔬菜品种，如芹菜、青菜、豌豆等，这样增加不同种类的蔬菜与空气接触的机会。由图2（b）和（c）可见，当出风口在进风口相对位置的下方和上方时，另外一个在距地面1 m的位置时，空气在未到达大棚中心位置前，其速度已降至0.4 m‧s-1左右，之后风速继续降低且在高度方向上速度梯度较小。靠近进风口的地方比较适合种植高度与进风口高度差不多，且需要通风量较大的蔬菜品种。而在出风口附近比较适合种植低于出风口的蔬菜品种，或与进风口高度差不多但需要的通风量较小的蔬菜品种，这样增加不同种类的蔬菜与空气接触的机会。

图 2 不同出风方式下大棚沿长度方向的中轴面上的空气速度分布

图3所示的是不同出风方式下大棚沿长度方向的中轴面上的空气速度矢量分布。由图可见，在大棚的顶部形成一个空气流动大循环，不利于空气的交换，因此进风口以上的位置不适合种植过高的蔬菜品种。靠近进风口2 m左右的位置存在一个空气流动小循环，不利于空气的交换，因此靠近进风口不适宜种植蔬菜。

图 3 不同出风方式下大棚沿长度方向的中轴面上的空气速度矢量分布

图4所示的是三种不同出风口设置方式下0.8 m和2 m高度处空气速度沿长度方向分布。由图可见，出风口与进风口不相对时，大棚内的空气速度比两个风口相对时较小，主要是由于空气运动的轨迹有一定的增加。但是出风口与进风口不相对时，靠近出风口一定范围内的空气速度较为平稳。

图 4 三种不同出风口设置方式下不同高度处空气速度沿长度方向分布

图5所示的是三种不同出风口设置方式下长度5 m、10 m、15 m处空气速度沿高度方向分布。由图可见，三种不同出风口下，大棚长度L=5 m、高度H=3 m左右存在一个空气速度非常小的区域，这是由于大棚上不气流大循环引起的，因此该高度范围内不适宜种植蔬菜。大棚长度L＞10 m后空气的速度沿轴向分布梯度较小。

图 5 三种不同出风口设置方式下不同长度位置处空气速度沿高度方向分布

2.3 顶部出风口打开方式对大棚内空气流动的影响

图6和图7分别是不同顶部出风方式下大棚沿长度方向的中轴面上的空气速度和空气速度矢量分布，四种通风方式分别为：1个顶部中间出风口、1个顶部中间出风口和1个左侧出风口、1个顶部中间出风口和1个右侧出风口、1个顶部中间出风口和1个左侧出风口和1个右侧出风口，出风口的尺寸均为0.8 m。由图可见，顶部出风方式对大棚2 m高度以下范围内的空气流速影响较小，这主要是由于空气沿着水平方向经过大棚且进风口中心距地面高度为1.4 m，大棚顶部的空气流速较小。由图6可见，在远离进风口的顶部设置出风口可促进远离进风口端的位置处的空气流动，提高空气流速，有助于蔬菜的种植。由图7可见，顶部通风有助于改变大棚顶部的空气循环模式，有助于顶部空气置换出大棚。

图 6 不同顶部出风方式下大棚沿长度方向的中轴面上的空气速度分布

图 7 不同顶部出风方式下大棚沿大棚长度方向的中轴面上的空气速度矢量分布

3 结 论

本文基于有限元仿真模型模拟了不同通风方式下蔬菜大棚内的空气流场分布规律。模拟获得的空气速度分布结果和实际测量值对比说明模型的准确性。分别模拟了通风口与进风口不同相对位置下大棚内的流场分布，结果说明出风口与进风口相对的通风方式下，靠近进风口的地方比较适合种植高度与进风口高度差不多的蔬菜品种，如黄瓜、西红柿等。而在出风口附近比较适合种植低于出风口的蔬菜品种，如芹菜、青菜、豌豆等，这样增加不同种类的蔬菜与空气接触的机会。出风口与进风口不相对时，靠近出风口一定范围内的空气速度较为平稳。同时探究了不同顶部通风口布置方式对大棚内的流场影响规律。顶部通风有助于改变大棚顶部的空气循环模式，有助于顶部空气置换出大棚。在远离进风口的顶部设置出风口可促进远离进风口端的位置处的空气流动，提高空气流速，有助于蔬菜的种植。本文的研究结果说明需要根据不同通风方式下大棚内的流场分布确定种植的蔬菜类型，同时顶部设置通风口有助于通风。

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Simulation for the Ventilation Process in Vegetable Greenhouses Based on Finite Element Method

WANG Jin-xiang, XIE Ya-ya*

448000,

This paper simulates the distribution of air flow field in greenhouses under different ventilation modes based on finite element simulation model. The accuracy of the model was verified by experimental data. It was found that when the air outlet was opposite to the air inlet, the height of vegetables planted near the air inlet was higher than that near the air outlet. When the air outlet is not relative to the air inlet, the air velocity within a certain range near the air outlet is relatively stable. Top ventilation helps to change the air circulation pattern at the top of the greenhouse. The air outlet at the top far from the air inlet can promote the increase of air flow speed. The results of this study can provide theoretical guidance for the design of greenhouse vents.

Finite element method; vegetable greenhouse; simulation ventilation

S625.51

A

1000-2324(2022)02-0314-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.020

2021-11-05

2021-12-06

湖北省教育厅科学研究计划项目(B2021263);荆楚理工学院校级科研项目(YD202101)

王金翔(1982-),男,硕士,讲师,主要研究方向:通信与信息系统、机器人工程. E-mail:wjx1982@126.com

Author for correspondence. E-mail:33353302@qq.com