Venlo型玻璃温室环境加热过程的数值模拟研究

石家庄铁道大学毕业论文Venlo 型玻璃温室环境加热过程的数值模拟研究Numerical Analysis Study on Venlo-Glass Greenhouse Heating Process2013 届 机械工程 学院专 业 建筑环境与设备工程学 号 20090733 学生姓名 董仲月 指导教师 郝长生 完成日期 2013 年 6 月 11 日毕业论文成绩单学生姓名 董仲月 学号 20090733 班级 机 0902-1 专业 建筑环境与设备工程毕业设计（论文）题目 Venlo 型玻璃温室环境加热过程的数值模拟研究指导教师姓名 郝长生指导教师职称 讲师评 定 成 绩指导教师 得分评阅人 得分答辩小组组长 得分成绩：院长(主任) 签字：年 月 日毕业论文任务书题目 Venlo 型玻璃温室环境加热过程的数值模拟研究专业 建筑环境与设备工程 班 级 机 0902-1 学生姓名 董仲月承担指导任务单位 能源与环境工程系 导师姓名 郝长生 导师职称 讲师一、设计内容查阅相关文献熟悉各型玻璃温室的原理，重点掌握 Venlo 型玻璃温室的冬季加热方式。采用CFD 技术选取典型的 Venlo 型玻璃温室作为研究对象，对其冬季热风加热过程建立三维物理模型并进行数值计算，分析该工况下温室内的温度时空分布及气流运动规律。根据模拟的加热过程结果，对加热方式进行优化，并比较优化前后环境的温度场特性。二、基本要求1、熟悉 Venlo 型玻璃温室加热过程原理；2、掌握 fluent 软件包的使用方法；3、对选取的工况进行数值计算分析并对加热方式进行优化；4、说明书须符合石家庄铁道大学毕业设计（论文）手册的规定。三、主要技术指标1、能够使用 fluent 软件包对本研究内容进行建模分析；2、给出不同时刻的温度场、速度场图并进行分析；3、根据模拟结果对加热过程进行优化； 4、完成设计说明书，且说明书须符合石家庄铁道大学毕业设计（论文）手册的规定。四、应收集的资料及设计资料1、Fluent Inc., FLUENT Users GudieOL.Fluent Inc., 2009 2、关于玻璃温室的相关论文五、进度计划第1周 查阅相关文献，明确工作内容；第2-5周 学习CFD 基本理论，学习Fluent软件包的操作；第6-12周 对玻璃温室冬季工况进行数值计算分析；外文资料的翻译；第13-14周 整理论文，准备答辩 。教研室主任签字 时间 年 月 日毕业论文开题报告题 目 Venlo 型玻璃温室环境加热过程的数值模拟研究学生姓名 董仲月 学号 20090733 班级 机 0902-1 专业 建筑环境与设备工程一、研究背景随着市场经济的发展，温室的使用越来越多。温室多用于在低温季节内喜温蔬菜、花卉、林木等植物的栽培或育苗。由于使用目的的不同，温室类型较多。按照采光材料的敷设可以分为玻璃温室、塑料温室 阳光板温室等；按照屋架材料分为单栋温室、连栋温室；按照外形来分单屋面温室、双屋面温室；按照加温条件可分为加温温室、不加温温室等。温室结构应密封保温，又便于通风降温，现代化温室中具有控制温湿度、光照等条件的设备，用电脑自动控制创造植物所需的最佳环境条件。温室必须保证透光率、保温性能、使用寿命等性能指标。透光率是指室外进入温 室 内的光照量与室外光照量的百分比，其数值的大小影响着作物生长和植物品种的选择。因此，温室覆盖材料透光性能和其骨架阴影大小对温室透光率有直接影响，而且随着不同季节太阳辐射角度的不同，温室的透光率也在随时变化。室内温度是最大的问题。二、国内外研究现状1989 年，Okushima 首次应用计算流体力学研究温室通风问题，由于模型的原因，所得结果与其试验结果不很吻合。1998 年，Shklyar 和 Arbe1 采用湍流模型和修正的 SIMPLE 算法对自然通风条件下的温室气流场进行了二维分析与计算。应用 CFD 方法对机械通风温室三维气流场的研究主要集中于畜禽舍。1992 年 Hof 等采用修正的模型对无牲畜强制通风的畜舍气流场进行了计算，结果表明该模型与实际情况符合较好；1999 年张天柱等同用简化的 CFD 模型对高密度迭层 笼养蛋鸡舍气流场进行了数值模拟，给出了相应鸡舍内气流场的分布。考虑太阳辐射室内环境因素的 CFD 研究主要是针对有空调的建筑物。童灵和陈芝久用蒙特卡罗方法分析了太阳辐射的能量在空调房内各固体表面的再分配，以其定量分布作为附加热源，结合空气的湍流流动和热浮升力等条件，进行了三维气流场与温度场的数值计算，获得了较合理的结果。三、主要研究内容、研究思路及工作方法或工作流程本研究主要应用 Fluent 软件包，对玻璃温室进行建模，通过 Fluent 进行设置分析以及数值计算后给出温室的温度分布及速度分布。通过分析研究这些数值模拟图，得出影响温室加热过程的热工性能因素及其影响规律。本论文主要对不同进风口及出风口的热工性能进行了实验研究和分析，考察该系统的稳定性、可靠性。本文则侧重于 Venlo 型温室的温度场和速度场的研究，测量参数是温度、速度及热流密度等。在此基础上分析怎样布置温室进风口形式和出风口形式更适合该温室。为了达到上述目的，建立了三维传热模型，主要是室内模型。温室模型的建立主要在一下假设条件上：（1）温室内空气为理想气体：（2）温室四周及顶棚受太阳辐射强度是相同的：（3）温室底部为绝热地面。基于以上假设得出的简化模型，可以得出 Venlo 型玻璃温室环境加热过程的数学模型的控制方程，通过它可以进行求解。四、 预期达到的结果通过以上进行的工作，最终的研究结果和生产实际联系起来，模拟出Venlo型温室加热过程的室内温度场和速度场，并达到方案的优化，能够满足人们的农业生产或工业生产的需要。优化方案应使温室在尽量短的时间内达到稳态，而且，温室内温度分布与速度分布更均匀，从而达到生产便捷节能的目的。指导教师签字 时 间 年 月 日摘 要随着计算机技术的发展，计算流体力学软件的运算模拟能力得到了极大提高，将计算流体力学方法应用于温室研究领域，拓宽了温室结构设计的思路，具有较好的研究价值和实际应用前景。本文以 Venlo 型玻璃温室为研究对象，对冬季情况下温室内温度场与速度场进行模拟分析，对影响温室内环境的主要因素温度和速度进行研究，并对模型进行了合理的简化。解决了 CFD 数值模拟的计算域的选择，流场控制方程的形式、湍流模型、辐射模型和控制方程求解的问题。对冬季寒冷情况下的温室进行了增温研究，对温室内部垂直和水平方向的温度分布、速度场进行了模拟，合理的选择相关数据理论对模拟数据进行预处理，为 CFD 模型的参数设置提供数据来源。为了探索温室大棚内部的气流和热量传递过程，设计合理的通风设施，在 CFD计算流体力学软件 Fluent 的支持下，选择华北型连栋 Venlo 型玻璃温室，采用标准k- 湍流模型和 PSIO 算法的有限体积法对流场微分方程进行离散，并考虑辐射模型 ，建立了机械通风三维数值模拟模型，并对温室大棚内温度场和速度场进行了模拟，得到了温室内温度场和速度场的三维空间分布，为今后温室内通风的设计优化提供可靠的依据。关键词 ： Venlon 型温室 数值模拟 加热过程AbstractWith the development of computer technology, Computational Fluid Dynamics software arithmetic simulation ability has been greatly improved, to design learning field has brought about revolutionary changes. Computational fluid dynamics method was applied to greenhouse, widen the greenhouse structural design train of thought, has high research value and application prospect.In this paper, Venlo Glass Greenhouse for the study, the case for winter greenhouse temperature field and velocity field simulation analysis on the impact of the greenhouse environment, temperature and velocity of the main factors studied, and the model is a reasonable simplification. Have solved the CFD numerical simulation of the choice of the computational domain, the flow field in the form of control equations, turbulence model, radiation model and control equation of the problem. The case of the cold winter greenhouse warming conducted research on the vertical and horizontal directions inside the greenhouse temperature distribution, velocity field of the simulated data reasonable choice theory preprocessed analog data, parameter settings for the CFD model to provide data sources.In order to explore the airflow inside greenhouses and heat transfer process, the rational design of ventilation facilities in eleven Fluent CFD computational fluid dynamics software support, select North MULTISPAN Venlo glass greenhouse, using the standard k- turbulence model and PSIO finite volume method algorithm for discrete differential flow field, and consider radiation model, the establishment of three-dimensional numerical simulation model mechanical ventilation, and the greenhouse temperature and velocity field was simulated by a greenhouse temperature and velocity field three-dimensional spatial distribution for future greenhouse ventilation design optimization to provide a reliable basis.Keywords: Venlongreenhouse numerical simulation heating process目 录第 1 章 绪论 11.1 研究背景 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 国外发展与研究动态 .11.2.2 国内发展与研究动态 .31.3 研究内容、研究目标 .51.3.1 研究内容 .51.3.2 研究方法 .51.4 本文研究思路 .6第 2 章 CFD 数值模拟基本理论及 Fluent 简介 72.1 CFD 概述 .72.2 CFD 软件结构 .92.3 Fluent 软件包介绍 .10第 3 章 温室模型的建立及求解 113.1 温室物理模型 .113.2 温室数学模型 .123.3 辐射模型的选择 .143.3.1 辐射模型选择依据 .143.3.2 DO 模型方程 .153.4 流动模型的选择 .163.4.1 流动模型的基本介绍 .163.4.2 各种流动模型优缺点 .16第 4 章 温室环境数值模拟 184.1 计算域的选择 .184.2 网格的划分 .194.3 边界条件 .204.4 计算结果及分析 .214.4.1 温度场模拟分析 .214.4.2 速度场模拟分析 .294.5 优化方案的提出及分析 .334.5.1 优化方案温度场模拟分析 .344.5.2 优化方案速度场模拟分析 .35第 5 章 总结与展望 385.1 全文总结 .385.2 展望 .38参考文献 40致谢 41附录 A 外文翻译资料 42A.1 英文 .42A.2 译文 .57石家庄铁道大学毕业论文1第 1 章 绪论1.1 研究背景随着市场经济的发展，温室的使用越来越多。温室多用于在低温季节内喜温蔬菜、花卉、林木等植物的栽培或育苗。由于使用目的的不同，温室类型较多。按照采光材料的敷设可以分为玻璃温室、塑料温室 阳光板温室等；按照屋架材料分为单栋温室、连栋温室；按照外形来分单屋面温室、双屋面温室；按照加温条件可分为加温温室、不加温温室等。温室结