基于CFD数值模拟方法的日光温室建模研究.pdf

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2014年6月农机化研究第6期基于CFD数值模拟方法的日光温室建模研究王向军，刘志刚，李荣，林卫国，汪小志(1．北京农业职业学院信息技术系，北京102442；2．南昌大学环境与化学工程学院，南昌330031；3．华中农业大学工学院，武汉430070)摘要：随着计算机软件技术的发展，CFD计算流体数值仿真模拟被广泛地应用到实际工程中，但是在农业方面的应用还比较少。CFD通过建模和数值仿真模拟可以对真实环境的尺寸以及外形进行数值建模，能够模拟真实环境的温度、压力以及速度场等参数，并将模拟结果进行二维和三维立体呈现。运用CFD数值模拟技术，以温室的生长环境为例，对温室通风前后的温度以及湿度情况进行了数值模拟仿真。通过计算发现温室最高温度由通风前的307K降低到了304K，有了明显的改变，验证了数值模拟计算机的准确性。通过对湿度的CFD数值模拟仿真发现，进行通风之后气体流动性比较好，没有出现热空气的集聚现象，非常有利于农作物的生长，从而为日光温室农作物生长环境的研究提供了理论参考。关键词：日光温室；CFD技术；数值建模；计算机数值仿真；流场分布中图分类号：9625．5；9126文献标识码：A文章编号：1003—188X(2014)06—0184-05速度场、浓度场、压力场的分布，并通过数值仿真模拟0引言对实验室的通风方案进行了优化。2010年，程秀花利CFD是计算流体力学数值仿真的简称。近年来，用CFD数值仿真模拟技术，分别计算了温室低风速情随着计算机软件技术的提高，CFD技术很快被应用到况下的气流流动规律和温室高风速下的气体流动规工程实践中。其中，GAMBIT是CFD技术常用的数值律。2011年，常丽娜流体计算湍流模型，使用CFD数建模软件，它可以根据真实环境的尺寸和模型进行建值模拟技术研究了温度和湿度受通风的影响情况。模。该软件凭借其结构化和非结构化网格的混合使2011年，陈加浪运用CFD数值模拟技术对通风过程用，实现了网格的自动划分，在网格划分方面有着比中高温低风逮情况下的环境参数变化进行了仿真计算。较大的优势。FLUENT是常用的数值分析软件，它可综上所述，CFD技术被广泛地应用到工程实践的以根据实际环境的温度、压力以及速度等参数进行数很多方面，但是农业方面的应用并不是很多。本文依值仿真模拟，通过FLUENT计算可以得到真实环境的据CFD数值仿真技术，将以农业应用方面为例进行分温度、压力以及流场分布，并将结果进行二维或者三析研究，具体流程如图1所示。维呈现。本文运用CFD技术，以温室环境的仿真模拟检测外部环境为例，进行了CFD数值仿真模拟，并得到了一系列的温度湿度等参数仿真结果图，为CFD技术在农业方面的应用提供了技CFD模拟外部环境术参考。温度场、湿度场、流场分布1CFD计算机数值模拟研究现状仿真和真实情况风机进行结果做比对通风去湿度在计算流体力学仿真模拟中，CFD主要是研究气CFD模拟通风后的体的流动规律以及通风过程中气体的流动变化，在这温度、湿度等参数些方面国内很多学者进了大量的研究。2007年，李艳实验采集菊运用FLUENT仿真模拟软件研究了实验室的气体二[得到环境参数参数反馈调节收稿日期：2013—1O一23分析环境湿度基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(51305152)作者简介：王向军(1973一)，男，北京人，硕士研究生，(E—mail)xjlucky得到最佳通风方案@sohu．eom。图1CFD计算机数值模拟方案通讯作者：刘志刚(1980一)，男，湖北天门人，副教授，博士，(E—mail)fiberhome@126．cornFig．1ThesimulationschemeofCFDcomputernumerical·184· 2014年6月农机化研究第6期图1为本文采用的CFD计算机数值模拟方案，其湿度，主要以湿度填充的百分数为依据，对CFD数值模主要以实验参数采集和数值模拟联合控制的方式来拟进行了算法编程。编程的主要程序如下：控制真实环境，最终得到真实环境的最佳适宜参数。#include”udf．h”图1中采用双重反馈调节模拟：第1次反馈调节是通#defineMIN——shidu0．01过风机进行通风去湿之后得到的新的外部环境参数，#defineMAX——shidu0．98将新参数带人到CFD数值模拟进行反馈调节；第2次DEFINE——CAVITATION——RATE(user——cavitation——是将得到的外部环境参数再次进行通风，从而得到最rate，e，t，P，rhoV，终的外部环境最佳适宜参数。rhoL，shiduV，P—V，n—b，In—dot){2CFD计算机数值模拟数学模型realp_vapor=P-V：realnbubbles=nb；CFD计算过程中主要涉及到气体流动方程以及——能量方程的求解。其中，能量方程的求解是最重要realdp，shiduM，radV；dp=pvapor-ABS的，因为气流的流动会受到温度的影响，在计算流程——P(P[C]，op—pres)；分布之前首先需要进行能量的求解。对于方程的求shiduM=MIX(MAX(MIN—shidu，shiduV[C]，MAX解，可以应用雷诺平均方法进行，其主要思想是运用—shidu))；Navier—Stokes方程，用平均量和脉动量来表示方程中radV=pow(shiduM／((1．一shiduM)％4．／3．M—PIN的瞬时量。—Bbubbles)，1．／3．)；M=u+lZif(dp>0)in其中，_I和11,表示速度的平均量和脉动量。其他—dot=(1．一shiduV[c])$n—bubbles84．M—标量也可以表示为PIradVradV／(1．；I：n—bubbles4．／3．M～PIradV咖=+radVradV、：l：将上述两个公式带入到连续与动量方程中，可以sqrt(2．ABS(dp)／(3．rhoL[C]))；得到张量方程式为else{a￡+a(PUi)=0in—dot=一(1．shiduV[c])n_bubbles4．M—PIDlziradV：l：p一嚣+毒薏+蓑一_O_uz)]+radV／(1．nbubbles4．／3．M—PIradVradVa，——_radV、Piujsqrt(2．ABS(dp)／(3．rhoL[C]))；这就是RNS仿真，但是为了方程的封闭，需要对if(shiduV[C]<=MIN—shidu)；l：m—dot=0．；一Pu进行模拟。一般运用Boussinesq假设的方法，}近似地认为平均速度梯度和雷诺应力具有正比例关}系，表达式为3CFD数值模拟在日光温室建模中的应用一p=(+Oxi)一2(+为了验证本文提出的CFD数值模拟数学模型以对流传热传质模型中，FLUENT给出的能量方程为及建模和网格划分处理方案，本文以13光温室的湿度调节为例，对CFD数值算法进行了分析研究。本文研蔷(pE)+[u(pE+p)]究的13光温室为东西方向长度98m，跨度8m，下挖深=刹+)+]+s度0．8m，后屋面角58。；屋顶使用EVA塑料薄膜；后墙为夯实的梯形土墙，高3．8m、顶厚1．8m、底厚其中，E表示总能量，(丁)定义为5．8m。13光温室示意图如图2所示。对于外部环境的采集，使用了湿度记录仪器以及)eff差+篝)寺风速测量仪器。通过风速记录仪器来检测改变温室其中，(rr，表示粘性加热，耦合求解。对于气体的通风情况，用记录仪器记录下改变通风情况之后的 2014年6月农机化研究第6期蒋国振，胡耀华，刘玉凤，等．基于CFD的下沉式13光温室试分析[J]．黑龙江农业科学，2009(1)：72-74．保温性能分析[J]．农业工程学报，2011，27(12)：275—[10]吴飞青，张立彬，胥芳，等．机械通风条件下玻璃温室热281．环境数值模拟[J]．农业机械学报，2010，41(1)：153—蒋国振，胡耀华，刘玉凤，等．下沉式日光温室湿度调控的158．数值分析[C]／／中国农业工程学会2011年学术年会论文[11]陈一飞．智能农业：十二五期间我国农业科技进步前瞻集．北京：中国农业工程学会，2011．[J]．中国农业科技导报，2010，12(6)：1-4．刘珊．被动式日光温室热湿环境模拟与实验研究[D]．济[12]陈一飞，杜尚丰．对农业大系统控制若干问题的思考南：山东建筑大学，2010．[J]．农业工程，2011(1)：1-5．蒲亮，徐俊，余锋，等．电气设备环境试验室湿度场的数值[13]王健，丁为民，杨红兵．温室周围气流运动的有限元模拟模拟及优化[J]．西安建筑科技大学学报：自然科学版，分析[J]．西北农林科技大学学报：自然科学版，2006，342007，39(5)：716-720．(3)：161—164．佟国红，车忠仕，王铁良，等．冬季日光温室内湿度分布测ModelingResearchonGreenhousebySolarHeatBasedonCFDNumericalSimulationMethodWangXiangjun，LiuZhigang，LiRong，LinWeiguo，WangXiaozhi(1．DepartmentofInformationTechnology，BeijingVocationalCollegeofAgriculture，Beijing102442，China；2．SchoolofEnvironment&ChemicalEngineering，NanchangUniversity，Nanchang330031，China；3．CollegeofEngineeringTechnology，HuazhongAgriculturalUniversity，Wuhan430070，China)Abstract：Withthedevelopmentofcomputersoftwaretechnology，CFDnumericalsimulationoffluidsimulationhasbeenmorewidelyappliedinpracticalengineeringbutlessinagriculture．CFDcanformthenumericalmodelingofthesizeandshapeofrealenvironment，itcansimulatetemperature，pressureandvelocityfieldparametersoftherealenvironment．Wecancomparetheresuhsoftwo—dimensionalsimulationwiththatofthree-dimensionalsimulation．ByusingCFDnu—mericalsimulationtechnology，takingtheenvironmentforthegrowthofgreenhouseasanexample，thegreenhouseventi-lation，temperatureandhumiditywereinvestigatedbynumericalsimulation，thecalculationshowedthatthemaximumtemperatureofgreenhouseventilationreducedfrom307Kto304k，whichhaschangedsignificantlytoverifytheaccuracyofthenumericalsimulation．BasedonthenumericalsimulationofCFD，humidity，ventilationisgoodaftergasliquiditywithoutagglomerationofhotair，whichisveryconducivetothegrowthofcropsandprovidesthetheoryreferenceforthecropgrowthenvironmentofsolargreenhouse．Keywords：greenhouse；CFDtechnology；numericalmodeling；simulation；flowfield·188·