基于数值模拟的温室湿帘—风机运行参数确定方法研究

2024-05-30 13:04:23焦宁朱德兰荆宇鹏刘孟阳柳昌新
中国农机化学报 2024年5期
关键词:计算流体力学湿帘参数优化

焦宁 朱德兰 荆宇鹏 刘孟阳 柳昌新

摘要:為提高温室湿帘—风机系统降温效果、降低温室运行成本,运用计算流体力学方法(CFD)构建温室三维模型,模拟湿帘—风机系统运行过程,探究运行参数对温室内部温度场影响规律。对湿帘面积、风机风速、湿帘入口温度三种影响参数进行组合,通过成本分析、温度占比及温度分布均匀性选配合适的湿帘—风机降温系统参数。结果表明:模拟值与实测值最大误差为3.983%,验证CFD模型的有效性。由数值模拟可知:温室水平向及竖直向存在梯度变化,在湿帘—风机降温系统开启210s时,温室内部整体温度稳定在27.9℃。夏季高温季节,当温室温度高达35℃时,利用CFD优选出湿帘—风机降温系统配置参数为湿帘面积0.5m2,风机风速4m/s;湿帘入口温度23.85℃时,经过300s温度由35℃降低至30℃,温室内温度偏差系数为0.077,满足作物生长需求且成本低。基于数值模拟的温室湿帘—风机降温系统的参数选取方法,可应用到陕西地区双拱温室中。

关键词:温室;湿帘—风机降温系统;数值模拟;计算流体力学;温度;参数优化

中图分类号:S625.3

文献标识码:A

文章编号:2095-5553 (2024) 05-0079-06

收稿日期:2022年8月3日  修回日期:2022年10月25日*基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFE0103000);陕西省重点研发计划(2020ZDNY01—01);宁夏回族自治区重点研发计划(2022BBF02026)

第一作者:焦宁,女,1997年生,河南洛阳人,硕士研究生;研究方向为设施温室自动化控制。E-mail: 18821617948@163.com

通讯作者:朱德兰,女,1969年生,青海乐都人,博士,教授;研究方向为节水灌溉新技术。E-mail: dlzhu@126.com

Research on determination method of greenhouse wet pad-fan operating parameters

based on numerical simulation

Jiao Ning1, 2, Zhu Delan1, 2, Jing Yupeng1, 2, Liu Mengyang1, 2, Liu Changxin3

(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling, 712100,

China; 2. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering of the Ministry of Education, Northwest A & F

University, Yangling, 712100, China; 3. Breeding and Seed Production of Agricultural Crops of Tashkent State

Agrarian University, Tashkent, 100140, Uzbekistan)

Abstract:

In order to improve the cooling effect of the wet pad-fan system in the greenhouse and reduce the operating cost of the greenhouse, this paper uses the  Computational  Fluid  Dynamics (CFD) to build a three-dimensional model of the greenhouse, simulate the operation of the wet-pad fan system and explore  the impact of the operation related parameters on the temperature field inside the greenhouse. Through the combination of wet pad area, fan wind speed and wet pad circulating water temperature, the appropriate parameters of wet pad-fan cooling system are selected by the cost analysis, temperature proportion and the temperature distribution uniformity. The results show that the maximum error between simulated values and measured values is 3.983%, which verifies the effectiveness of the CFD model. The numerical simulation shows gradient variability presents in the horizontal and vertical directions of the greenhouse, and the temperature in the greenhouse drops to 27.9℃ after the wet pad-fan cooling system is on for 210s. In summer, when the temperature of the greenhouse is as high as 35 ℃, CFD was used to optimize the configuration parameters of the wet curtain-fan cooling system as the wet curtain area of 0.5 m2, and the fan wind speed of 4 m/s, the initial wet pad circulating water temperature is 23.85℃, the temperature decreases from 35℃ to 30℃ after the wet pad-fan cooling system is on for 300s. The temperature deviation coefficient in the greenhouse is 0.077, which meets the crop growth needs. Therefore, the parameter selection method of the greenhouse wet pad-fan cooling system based on CFD proposed in this paper can be applied to the double-arch greenhouse in Shaanxi.

Keywords:

greenhouse; wet pad-fan cooling system; numerical simulation; CFD; temperature; parameter optimization

0 引言

在夏季高溫环境下,如何在低能耗高效率的情况下降低室内温度,为植物提供适宜的生长环境成了温室研究领域的热点问题[1]。传统的温室试验方法是采用温室现场试验,工作量大、耗费人力、周期长。近年来CFD方法成为研究温室内外环境分布的有力工具。与传统的温室现场试验相比,CFD可以实现任意因素组合下的模拟研究,节约试验成本[2, 3]。夏季温度高,自然通风难以达到理想的植物生长条件,需要开启湿帘—风机降温设备,研究温室内部温度分布规律对机械通风设备设计参数选配有重大意义,能降低温室运行能耗,实现快速降温[4]。胥芳等[5]考虑室外太阳辐射等因素,建立湿帘—风机降温下的CFD模型,对湿帘面积和通风率进行计算。程秀花等[6]基于CFD求解了Venlo型玻璃温室内温度和相对湿度场的分布模式。李永博等[7]基于CFD技术优化控制系统,并引入均匀性评价指标,对温室内环境进行优化。计算流体力学和试验监测方法相结合的研究方式在温室通风领域已十分成熟[8],但目前温室机械通风的CFD模拟侧重于某时刻温室温度空间分布特性,缺乏对温室内温度分布的量化研究。运用CFD方法选取温室湿帘—风机降温系统设计参数对优化温室降温效果,降低温室运行能耗具有重要的理论研究意义。

本文基于CFD技术建立装备有湿帘—风机降温系统的双拱温室三维模型,进行模拟试验,得出温室内部温度场随时空的分布情况,进而讨论不同运行参数下湿帘—风机降温系统效果,为夏季陕西地区降温系统参数选取提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验方法

1.1.1 温室基本情况

试验所用双拱温室位于陕西省西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院(东经108°4′,北纬34°16′)。该温室总面积为27.16m2,屋脊沿南北走向,骨架长5.6m,宽4.85m,高3.45m。温室四周维护及顶部覆盖材料为薄膜。内部配备湿帘—风机降温系统:温室南墙配置一台湿帘(长0.93m,宽0.78m,厚0.1m),温室北墙配置一台负压风机(380V,180W)。温室内外部结构如图1所示。

1.2.2 边界条件及参数设置

湿帘—风机降温系统通过风机抽取温室内空气形成负压达到降温效果,在CFD边界条件设置中,风机为速度出口边界,湿帘为压力入口边界。温室顶部、四周维护以及地面均设置为壁面边界条件[13-15]。模拟试验基本参数及边界条件设置见表1。

1.2.3 网格划分

网格划分采用非结构化网格类型,由于风机出口与湿帘入口处气流变化的复杂性,对模型进出口附近的网格进行加密,以保证这些区域有较好的计算精度,共生成1029224个体网格。

1.2.4 温室湿帘—风机降温模拟试验设计

当外界环境条件不变时,湿帘面积是影响温室内温度场的主要因素。面积相同、长宽比例不同的湿帘对温室内温度影响差异可以忽略。因此,选取湿帘面积、风机风速、湿帘入口温度三个因素进行组合模拟试验[10]。为了选取最优的湿帘—风机降温系统运行参数,选取湿帘面积分别为0.5m2、0.73m2、1m2三种规格,风机风速分为2m/s、3m/s、4m/s三档,湿帘入口温度为23.85℃、25.85℃、27.85℃三种梯度进行试验设计,试验处理如表2所示。

2 结果分析

2.1 CFD模型验证

本研究采用绝对误差AE和相对误差RE衡量模型准确性,如表3所示。

表3显示降温系统运行条件下温度模拟值与实测值吻合良好,绝对误差绝对值在0.06℃~1.2℃之间。结果表明CFD模型是有效的,可用于后续湿帘—风机降温系统参数选配研究。

2.2 温室内部温度变化规律

夏季高温时,需要对作物冠层温度迅速降温,以番茄为例,冠层高度为1.2m,因此选取水平向Z=1.2m截面,竖直向选取Y=1.4m、Y=2.9m、Y=4.4m截面分析降温系统开启条件下温度变化规律。根据CFD得到观测截面温度云图如图3所示。温室水平向在湿帘—风机降温系统中心区域温度较低,远离中心线区域温度存在明显梯度变化,温度差值大。温室东侧由于太阳辐射的存在,温度较温室西侧温度高。在降温系统开启过程中低温空气随着时间推移从中心向温室东西侧进行扩散,降温系统开启210s后,温度分布均匀。温室纵向中心区域温度较低,向四周温度呈现增高趋势。在降温系统开启30s时,可以观察到温室内温度随着竖直高度的增加而升高。整个通风过程中,温室内部四周壁面和顶部附近因为受太阳辐射影响温度较高,变化梯度大,靠近地面区域温度变化平缓。降温系统开启210s时,温室内部整体温度稳定在27.9℃。

为量化温室内各观测截面在湿帘—风机降温系统开启条件下温度分布情况,在各观测截面选取100个观测点,对各观测点不同时刻温度占比进行分析,结果如图4所示。结合温度占比及温度分布均匀性分析,各观测截面温度在湿帘—风机降温系统开启过程中明显降低,在降温系统开启150s时,温度由35.85℃降至30℃以下,随着时间变化,温室内温度进一步降低,逐渐接近湿帘入口温度27.85℃,直至在降温系统开启300s时达到稳定状态,满足番茄生长温度需求。但是各观测截面降温速率不同,温室竖直向Y=4.4m截面在降温系统开启15s时,位于30℃~32℃温度区间内观测点比例达到45%,降温系统开启60s时,温度全部处于32℃以下,开启120s时,温度全部处于30℃以下;Y=2.9m与Y=1.4m截面相较于Y=4.4m截面,前期温度降温速率较慢,这是由于Y=4.4m截面与湿帘距离近,经过湿帘的冷空气在此截面上扩散充分,随着时间变化,冷空气逐渐扩散至风机一侧,冷空气在Y=2.9m和Y=1.4m截面发挥作用变大,此时Y=1.4m、Y=2.9m、Y=4.4m三个截面降温速率保持基本一致,直至降温系统开启300s时所有观测点温度接近湿帘入口温度27.85℃。温室水平向Z=1.2m截面在湿帘—风机降温系统开启75s内降温速率较快,与Y=4.4m截面基本一致,随着时间推移,降温速率降低。当降温系统开启150s时Z=1.2m截面温度分布完全满足番茄生长需求。

溫度的空间分布情况是温室环境控制的重点,选取温室内部某一点温度数值来评价整体温室温度分布存在较大误差,引入温度均匀性指标表征不同观测截面温度分布情况。本文描述观测截面温度均匀性采用偏差系数,如式(2)所示。在温室水平向Z=1.2m与纵向Y=1.4m、Y=2.9m、Y=4.4m观测截面上各选取100个观测点,根据各时刻各观测点温度值计算出观测截面温度偏差系数。式(2)中n取100。温室水平向与纵向观测截面温度偏差系数随时间变化情况见表4。

纵向三个截面均匀性在初始时刻存在显著差异,这是由于经过湿帘的冷空气传递需要时间,随着时间推移,温室内部各观测截面均匀程度变高,在湿帘—风机降温系统开启90s时偏差已经符合温室环境控制要求,但此时根据图4观测截面温度占比显示,处于30℃~32℃区间温度占比高于50%,需要进一步进行降温,在湿帘—风机降温系统开启105s之后温度分布处于理想温度状态,与图3所得规律显示一致。

2.3 温室湿帘—风机降温系统参数选取

设定湿帘—风机降温系统运行时间为15min,空气、薄膜物质参数按照表1设置,气象条件(环境温度、太阳辐射强度)按照2021年8月4日14:30实际测量数据设置,试验测定温室内部初始温度为35℃,室外温度为34.3℃。湿帘入口温度及风机风速按照表2模拟试验表设置。模拟试验结果分析选取温度占比、温度分布均匀性及系统成本三个优化目标,观测截面均匀性按式(2)计算,系统成本按式(3)计算,结果如表5所示。

试验处理T3、T4、T6温度大于32℃的占比为8.7%、12.4%、29.1%,根据番茄生长过程对温度的要求可知,番茄生长最佳范围区间是20℃~30℃,因此这三个处理不满足温度要求,应当予以排除。试验处理T2、T8、T9温度都处于32℃以下,但位于30℃~32℃区间内占高,分别为48.8%、87.5%、41.2%,且T9处理均匀度低,不满足番茄生长要求,因此这三个处理不作为最优选项。试验处理T1、T5、T7温度基本处于30℃以下,占比分别为89.9%、82.3%、92.5%,满足番茄生长温度需求,但T5、T7处理相较于T1处理成本高,分别为643.19元和608.17元,因此选取最优的湿帘—风机降温系统风速和湿帘面积为4m/s和0.5m2,湿帘入口温度为23.85℃。

3 结论

1) 本文运用计算流体力学技术,提出一种双拱温室的三维模型。通过FLUENT建立相应的CFD数值模型,进行试验数据与模拟数据比较,各测点的温度值误差控制在4%以内,说明该模型有效,计算结果准确。

2) 根据建立的CFD数值模型,对温室内部温度进行了模拟,通过CFD-Post后处理软件对模拟结果进行处理,从而得到在湿帘—风机降温系统开启条件下温室内部温度存在明显梯度,随着时间增加在湿帘—风机降温系统开启150s时,达到番茄生长需求温度。

3) 在温室尺寸固定情况下,选取湿帘面积、风机风速及湿帘入口温度三个因素,进行不同因素组合下温室内部温度变化情况模拟试验,根据成本指标、均匀性指标、温度区间占比进行优化控制。选取的风机风速为4m/s,湿帘面积为0.5m2,湿帘入口温度为23.85℃,经验证温室内部温度可以稳定在30℃以下,且温室内温度分布均匀,成本较低,符合要求。

参 考 文 献

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