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大跨度塑料大棚热环境及有限元模拟分析

孙鑫  
【摘要】:针对现有传统小型塑料大棚夏季通风效果较差、冬季保温增温性能不佳、空间小不利于机械化操作等问题,本研究设计建造了“10-10”南北走向对称塑料大棚(N10-10)、“13-7”东西走向非对称塑料大棚(WE13-7)和“15-5”东西走向非对称(WE15-5)的3种20m大跨度塑料大棚。为了探究夏季高温天气和冬季低温天气下三座大棚的热环境,对其进行了气温与土壤温度的连续监测以及典型天气条件下气温与土壤温度的比较测定,利用Fluent16.0软件对三座大棚内的温度场及气流场进行了模拟,并利用ANSYS软件对3座大棚的结构稳定性进行了仿真模拟,结果表明:(1)3座塑料大棚夏季典型天气下日均气温表现为WE15-5WE13-7NS10-10,土壤温度在相同深度下也表现相同规律。晴天条件下NS10-10平均最高气温为33.5℃,较WE13-7和WE15-5低1.3℃和1.5℃,南北跨度方向气温差异为0.4℃,土壤平均最高温度22.4℃,较WE13-7和WE15-5低0.4℃和0.8℃,阴天条件下平均最高气温为30.8℃,较WE13-7和WE15-5低1.4℃和2.4℃,南北气温差异为0.5℃,土壤平均最高温度21.1℃,较WE13-7和WE15-5低0.7℃和1.1℃。可见夏季高温天气下以NS10-10通风降温效果最好,气温变化相对平稳。采光性能晴天与阴天条件下均以WE13-7采光量最大,WE15-5次之,NS10-10最差。(2)3座塑料大棚冬季典型天气下日均气温表现为WE13-7WE15-5NS10-10,土壤温度在相同深度下也表现相同规律。晴天条件下WE13-7平均最高气温为30.3℃,高于外界19.4℃,较WE15-5和NS10-10高1.9℃和5.8℃,土壤平均最高温度为13.4℃,较WE15-5和NS10-10高0.9℃和1.2℃,阴天条件下WE13-7平均最高气温为26.4℃,高于外界18.6℃,土壤平均最高温度为12.1℃,较WE15-5和NS10-10高0.8℃和1.4℃,且晴天与阴天条件下棚内夜间最低温度均在7℃以上。温度均匀性以NS10-10最好,典型天气下南北气温差异均为0.1℃;冬季观测期间,WE13-7的最低气温高于5℃的天数为52d,WE15-5为40d,NS10-10为41d;采光性能晴天与阴天条件下均以WE13-7采光量最大,WE15-5次之,NS10-10最差。(3)3座大棚CFD模型的建立及其准确性验证结果表明,温度模拟值与实测值吻合良好,WE13-7的温度模拟值与实测值的均方根误差(RMSE)为0.8467℃;WE15-5的温度模拟值与实测值为0.7253℃;NS10-10的温度模拟值与实测值为0.7265℃,误差均在合理范围内,3座大棚的CFD模型成立。(4)依据3座大棚有限元结构仿真模拟结果,提出了结构优化策略:对于WE15-5来说,需要增强短柱柱顶周边区域的桁架腹杆的抗压强度和加固南、北两侧棚底区域的桁架与地面连接处;对于WE13-7来说,需要增强短柱柱顶周边区域的桁架腹杆的抗压强度及加固北侧棚底区域桁架与地面的连接处,并将短立柱由7m南移至7.4m附近;对于NS10-10来说,需要增强拱底部区域桁架腹杆的抗压强度,并在东、西两侧拱形桁架中间位置设置立柱支撑。(5)对3座大棚早春茬与秋冬茬番茄进行了生长、产量和品质的测定,结果表明:早春茬番茄的生长指标无明显差异,其中WE13-7和WE15-5的品质优于NS10-10,番茄产量3座塑料大棚无明显差异;秋冬茬番茄WE13-7与WE15-5的生长指标优于NS10-10,品质以WE13-7最优,番茄产量以WE13-7最大。


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