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设施园艺塑料温室围护结构与通风降温系统的研究

俞永华  
【摘要】:我国塑料温室面积居世界第一,总占地面积达230万公顷。塑料温室作为实现作物优质高产的重要生产设施,其基本属性是具有抵御自然灾害的保护性,和生产过程对各种资源利用的集约性,为作物栽培提供适宜的小气候环境,创造后天的增产潜力等。同时也为提高作物品质,进行标准化的栽培管理提供保障。本论文研究内容来自于浙江省重大科技攻关项目“设施园艺实用智能化温室研究与开发(N0.02111102542)的研究课题。温室围护设施与内部调控装备是实现环境调节功能的基本保障,它在整个设施中占据绝大部分成本。因此,本文主要围绕温室围护设施的结构优化,内部配套的调控系统作展开研究。主要的研究内容和研究结果包括: (1)塑料温室薄膜承载性的非线性有限元分析:通过对温室薄膜进行单轴拉伸实验,研究确定农膜材料的本构模型;针对温室薄膜在结构受力分析中的不稳定性,引入人工刚度,加强计算的收敛稳定性,并应用非线性有限元,建立温室薄膜荷载效应分析的计算模型。此外结合国内外建筑膜结构相关规范,探讨塑料温室结构承载设计的安全系数的取值问题。 (2)塑料温室拱结构非线性极限承载力的分析:塑料温室拱结构的承载力对初始缺陷很敏感。研究探讨建立温室拱结构初始缺陷的模型,根据一致缺陷模态法,按最小特征值屈曲模态分布,并控制其最大值的方法确定。对极限承载力计算,考虑几何与材料双重非线性的情况,采用弧长法跟踪整个荷载—位移全过程平衡路径的方法,确定极限承载力。并以华东型连栋塑料温室为实例,作雪载工况的分析,计算结果与实际承载力相吻合。 (3)为研究塑料温室结构在不同阶段的实际承载特性,对普通单栋管棚温室进行结构加载试验,测定加载过程中各测点的应力应变以及位移变化量。通过对实验数据的分析,基本反映出塑料温室的结构承载经历线弹性、大位移、材料弹塑性、屈曲火稳破坏的各过程。根据这些不同阶段的结构受力特征,在计算中引入几何非线性与材料非线性因素,与必要的缺陷模型后,得到的各计算值与在加载各阶段测定的实验值有很好的一致性。 (4)应用CFD数值风洞方法,研究了塑料温室表面的风压分布,采用realize k-ε湍流模型,在构建的数值风洞中,对全尺度三连栋的塑料温室模型,进行多工况分析。计算得到的表面风压值换算成体型系数后,与国内外相关标准的成果作比较得出:在温室全封闭上况下,温室表面风压的总分布特征,以及在迎风面与前缘部位的数值与规范具有很好的一致性;在温室侧窗有不同开度的工况下,由风致内压而引起风压值的改变,其变化值与规范建议范围相一致。研究结果表明:温室CFD数值风洞模拟可提供具有参考价值的风压值与分布特征,为风压在规范建议值范围内进行明确取值提供依据。 (5)探讨适合于亚热带季风气候区,设施园艺实用智能化温室的技术开发与集成。内容包括主体结构的优化方法,采用多态控制的混合式通风系统与组合降温系统,基于现场总线技术-CAN总线的温室计算机分布式控制系统与管理软件,基于Web技术的栽培管理系统。提出基于多态原则的温室降温与通风系统,改善系统的气候适应性与运行的经济性问题。通过对混合式通风系统的温室内部温度检测,与风压条件下通风仿真,总体表明温室混合式通风系统能有效地改善自然通风效果。


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