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日光温室内最佳风速指标与CFD模拟

杨振超  
【摘要】: 本文针对我国园艺设施最主要的结构类型日光温室进行了自然通风风速分布规律和影响因素进行了研究,探讨了温室内的风速因子对温室性能的影响重要性。在试验测试的基础上,采用CFD (Computational Fluid Dynamics)方法模拟了西北型节能日光温室自然通风过程中室内气流场的变化,并将CFD模拟的预测值与实际观测值进行了比较和分析,CFD模拟较好的体现了日光温室自然通风情况下室内气流场的变化规律。在以上研究的基础上,进一步研究了日光温室厚皮甜瓜生长发育最佳风速指标,从形态指标和生理指标等方面确定了在日光温室内厚皮甜瓜生长发育最适宜的风速范围。通过研究得到以下结论: 1.通过10个观测点对西北型节能日光温室内的风速分布规律和室外风速与通风面积对室内风速的影响进行了观测与研究,结果表明西北型节能日光温室中的风速日变化晴天呈双峰曲线,阴天呈单峰曲线。日光温室内的气流运动速率在水平方向的分布规律为:东西方向变化不大,南北方向呈“V”字型分布。 2.温室内风速折减率随高度的增加而增加;在不同的通风面积比情况下,最佳通风效果的通风面积比在18%~25%之间。在25.2%的通风面积下,室内气流运动速率与室外风速存在较强的线性关系,在节能日光温室内,室内气流运动速率随室外风速的增大而增大,随室外风速的减小而减小。 3.通风面积比从12.7%上升到25.2%时,室内温升先迅速降低,后缓慢降低,温室内的平均温升从2.36℃降到1.34℃,其中在通风面积比为18.8%~25.2%时温升下降缓慢。说明日光温室通风效果最佳的通风面积比为18%~25%。 4.经过对日光温室内的光照强度、空气温度、室内风速、土壤温度和空气相对湿度五个因子进行因子分析,其结果显示,主因子数是4个,这四个因子所包含的信息量占总体信息量的96.77%,在进一步经过方差极大旋转,得到因子载荷矩阵方差为0.56817,其中第一主因子主要由X(2) (空气温度)和X(4)(土壤温度)决定,第二个主因子主要由X(1)(光照强度)决定,第三个主因子主要由X(3)(室内风速)决定,第四个主因子主要由X(5)(空气相对湿度)决定。这四个因子的信息量贡献率分别是35.48%,20.96%,20.29%和20.04%。因此说明,日光温室内的风速是影响温室小环境性能的主要环境因子之一。 5.采用CFD理论模型对西北型节能日光温室自然通风过程室内风速分布情况进行了数值模拟,预测了自然通风的西北型日光温室的内部流场分布情况。数值模拟结果表明:使用标准的k-ε湍流模型对自然通风的西北型日光温室的CFD模拟结果与实验测试结果吻合得较好,证明了选用的CFD软件对自然通风的西北型日光温室进行CFD模拟研究的可行性。在同样条件下,12.7%和25.2%两种通风面积比方案的CFD模拟,室内风速预测值与实验测试值的平均差值分别为-0.00239m/s和0.079441m/s,平均偏差为实验测试结果的1.26%和18.30%,CFD数值模拟结果与实验测试的结果基本一致。 6.通过对实验温室的CFD模拟,得到了温室内部流场的详细信息。温室的三个通风口附近风速较大,并以顶通风窗口的风速最大。风速从三个通风口向温室的内部呈球形放射状向外递减,变化较为剧烈;在温室内的中间下部风速较大,且较为均匀,上部风速较小,且随着高度的增加风速逐渐减弱;后墙通风口的设置对改善节能日光温室的通风效果并不明显,并且在后墙通风口的上下两侧形成了两个明显的低速涡流区域。 7.试验研究了温室内0.0 m·s~(-1)(CK)、0.4 m·s~(-1)(A~(-1))、1.0 m·s~(-1)(A-2)、2.2 m·s~(-1)(A-3)的气流运动速度对厚皮甜瓜开花坐果期生长发育和生理效应的影响。结果表明:处理(A-2)较对照单叶叶面积增加21.68%、叶面积指数增加63.06%、气孔导度增加120.32%、蒸腾速率和光合速率均大幅增加,成熟时间提早2d、总糖含量增加11.07%、产量提高24.43%;同时,成熟果实的可溶性固形物含量和蛋白质含量随着风速的增加而增大,处理A-3分别比CK增大13.88%和3.6%;还原糖含量随风速的增加而递减,CK比处理A-3高10.53%;果肉厚度和果实Vc含量差异不显著。说明温室内的气流运动速率对厚皮甜瓜的生长发育和产量品质有显著影响,并以1.0 m·s~(-1)的气流运动速率效果最好。


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