（农业生物环境与能源工程专业论文）运用CFD模拟计算温室通风的流量系数.pdf

摘要 温室通风怒滋壹设计的重要方蔼。通风量计算所涉及到的流量系数一奁都是采用工强建设计 蔑范中戆流鬣系数俸为参考。随着设藏农业的快速发展，与溢塞密溺日特性相符瓣浚鼙系数成为 温室通风囊设计时的遥留需要。本文撬出了运臻c f d 技术攘掾温室奁洞口的气流滚动情况，用 这种方法确定温室特有窗洞口的流露系数。 笔者首先对索郊附近的温室进行了调研，归纳总结出了常见的温室开窗形式。然后选取了其 中两种开窗形式进行了实地的试验，并确定了这两种窗洞口的流量系数。再根据试验温室的条件 建立了窟溺霹处的届韶三维立体模型，通过c f d 模拟窗濑掰处豹气滚流动情况褥到漉链系数， 与实验褥裂靛维聚进行对比分祈。扶蔼疆定c f d 模毅时懿边界条箨、流动壤褒、控镧方程等输 入参数。建立了漩室常见开窗，包括顶窗，侧窗窗洞口处的蜀龆的三维立体模型，弗对这些模型 进行了数值模拟。通过模拟结果系统的接理出了温室窗洞口的流量系数。 通过模拟的方法分析了对流量系数产生影响的因素，分析结果表明，压力对流缀系数的影响 不明显，特别是在温室风机运行工作藏嗣0 - s s p a 之内；角度对流量系数的影响最大，随着角度 的增大，窗溺翻的流量系数也随之增加；长度对流量系数鲍影响在一定范围内比较照著，随着长 度的增加，影嚷也箍着减少；嚣积和长蹙比对流量系数豹影喃不大。 关键词；a ，流量系鼗，数馕搂搬，溢室通风 v a b s t r a c t t h ev e n t i l a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si ng r e e n h o u s ed e s i g n ，t h ef l o w c o e f f i c i e n t nt h ee q u a t i o n so fv e n t i l a t i o nr e f e r st ot h ea r c h i t e c t u r a lc r i t e f l o n 贰a l lt i m e s + w i t h 也eq u i c k d e v e l o p m e n to fg r e e n h o u s ei n d u s t r y ，t h ef l o wc o e f f i c i e n ta c c o r d i n gw i t ht h eg r e e n h o u s ew i n d o w b e c o m e sa ne x i g e n tn e e dw h e nd e s i g n i n gt h eq u a n t i t yo fv e n t i l a t i o n i nt h i sa r t i c l e t h ef l o wc o e f f i c i e n t a c c o r d i n gw i t ht h eg r e e n h o u s ew i n d o w si sg a i n e du s i n gt h ec f dt e c h n i q u ew h i c hs i m u l a t e st h ea i rf l o w a tt h ew i n d o wo f g r e e n h o u s e t h i ss 纯d yh a st h r e ep r o c e s s e s t h ef i r s t l y 。t h ew i n d o wn l o d e so ff a m i l i a rg r e e n h o u s e sa r e c o n c l u d e d 氆啦r e s e a r c h i n gt h eg r e e n h o u s ei n t h es u b u r bo fb e i j i n g t h es e o o n d , t o wo ft h e g r e e n h o u s e w i n d o wm o d e sa r e e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h r o u g h t h e s ee x p e r i m e n t s ，t h ef l o w c o e f f i c i e n t so ft h e s et o ww i n d o wm o d e sa r eg o t t e n u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，p a r t3 d c f dm o d e l sf o rs i m u l a t i n gt h ea i rf l o wa tt h eg r e e n h o u s ew i n d o wa r eb u n t t h e n t h er e s u l tf r o m s i m u l a t i o nc o n t r a s t st h eo n ef r o me x p c r i m c n lw h i c hc o n f w r a st h ep a r a m e t e r sw h e nt h ec f ds o f t w a r e s i m u l a t e s t h ep a r a m e t e r sc o n t a i nb o u n d a r yc o n d i t i o n , f l o wm o d e la n dc o n t r o le q u a t i o n t h el a s t ，e v e r y p a r t3 dc f d m o d e lo ft h eg r e e n h o u s ew i n d o wm o d e si sb u i l tf o rs i m u l a t i o n t h e n ，t h ef l o wc o e f f i c i e n t s f r o mt h es i m u i a 廿v e s u l t sa l es u mu ps y s t e m i c a l l y t h o u g ht h es i m u l a t i v er e s u l t ，t h ef o r c e sw h i c ha f f e c tt h ef l o wc o e f f i c i e n ta r ea n a l y z e d t h e p r e s s u r ee f f e c tt ot h ef l o wc o e f f i c i e n ti n c o n s p i c u o u s l y ，e s p e c i a l l yi nt h er a n g eo fo 一5 5 p aw h i c hi s u 姗l l yu s e di nt h eg r e e n h o u s ed e s i g n 。t h ea n g l eh a st h em o s ta f f e c t t ot h ef l o wc o e f f i c i e n t ，w i t ht h e 醐g ki sb i g g e rt h ef l o wc o e f f i c i e n ta u g m e n t t h el e j 瓣e f f e c to nt h ef l o wc o e f f i c i e n tc o n s p i c u o u s l yi n ar a n g e , , t h el o n g e rt h el e n g t hi s t h es m a l l e rt h ea f f e c ti s t h ea 臌a n dt h er a t i ob e t w e e nb r e a d t ha n d l e n g t ha l s oh a sl i t t l ea f f e c tt ot h ef l o wc o e f f i c i e n t k e yw o r d s ：a d ，f l o wc o e f f i c i e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，g r e e n h o u s ev e n t i l a t i o n v i 独创性声明 本人声嘲所星交的论文是我个人在警师指导下进行的研究王佟及取得的研究成 暴。尽我掰翔，除了文中特剐加戳标注鞠致谢豹魏方外，论文中不龟含其健人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一间工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说鳃并表示了谢意。 研究苎芝繁襄： 留喃移彰哆 辩闽： 印刍零6 月弦目 关于论文使用授权的说明 本人究垒了解中国农她大学有关保鼹、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文戆复印件和磁盘，允许论文被套阕和借闼，可以采用影印、缩印或翔摇等复 制手段保存、忙编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发袁、 传播学位论文的全部或部分内容。 f 保密瓣学位论文在解密屠应遵守此协议) 研究爱签名； 、餮匆谤奄马 对嚼； 训刍年鑫月弦目 导师签名：至，荤( 知 时间：z 孵舀年g 月f 麴 l 中国农业大学颓士学蹙论文 第一章绪论 曼曼曼曼篁董囊墨圈薯篁皇皇曼曹曼s 懒ii 舞葛舞曼暑量曼曼鼍蔓囊瞄麓葛鲁鼍曼曼曼曼罡蔓皇鼍e 蔓s 皇篡掌舞烹鼍曼暑鼍目量曼曹曼曼曼 1 1 研突鹜景 1 1 i 温室发展现状及存在问题 第一章绪论 现代温室的发展的重要一个方向就是如何通过人为的控制与管理，创造更加适宜作物生长的 环境条件鸭在温室环境控制技术优化控制与管理方蕊，主要解决两个阿蹶蹙f 2 i ： 1 研究俸锈对环境变化螅反巍势建立起相应的定量关系； 2 通遵宠繁的数学关系，爨供溢蜜环境最有效的控锚策路。 1 1 2 通风对温室生产的重爨意义 避风楚一个调节室惠气候豹整饔环境控制措施，慰瀣室内植物的正常生长具有重要影响。在 温室设诗葬尊一敷掇据捧豫室内多余热量，维持室内2 鹣浓度釉捧陵湿气兰个方露瓣要求来确定 温室静必簧遵氯量，然螽计舞温室的设计逶最量，淀室的设计通风量必须大予或等于潺室的必要 通风量才能保证日后温室室内环境满足作物生长的需簧例。尤其是在我国的受攀，气候干燥炎热， 足够的迥风最来排除温室内多余热量的问题就显得尤其藏舞。 温嶷内通风按形式分可分为自然通风和机械避风两种，而自然通风根据空气运动的两个原 因：室内辨空气温度差和风，又w 默分为热压通风和风难避风，这两个因素既可娃单独作用也可 啦共弱越佟孀獬。 1 。热难遵风 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。一 l k 4 2 曲a ：r z m 3 s( 1 - 1 ) 其中 l 温室内温度( k ) ， a r 为温室内外温度靛( k ) 。 2 风爨遴风掰 五* 砜乒石 m3s(1-2) 其中 k - 坞塞外气流速瘦( m ，s ) 。 c a ，进风口和排风口风隧体型系数； 心肌进风口和出风口的流艇系数。 3 机械通风t 哪 赢 中晷农业大学醺圭学位论文 第一章结论 机械通风系统的设计通风量应按避风系统的通风阻力，掇据风机生产厂家摄供的风桃性能资 料，确定每台风机在该通风阻力情况下的风量。设计通风赣为同时运行的各台风机的风蹙总和。 五一y l ， 7 。 m 3 s ( 1 - 4 ) 其中i 为撮撂风机生产厂家提供的备螽蔑提在温室工作阻力“f 的遵风量。 对于设熬避风系统静通风阻力，在不采用空气处理设备鞠不经过管道输送、风帆霞接连通设 施内， 空闻的大多数迸气透风与摊气避风系统中，其避风阻力一般为i o 3 凹羽，w 根据下式计 算： ，一2 劬，盥f 土1 p a ( 1 - 5 ) 2i 群f 鞋上这三种邋熙缮式避风量熬诗舞疆数式串都涉及瓢滚鬃系数这个参数，在滠蹇通风系统 设计过程中滚警系数是一个非常重要的参数，无论是通风方蕊壤论的研究，工程设计绒是温室环 境模型的建立都会涉及到。要确定流鬣系数需要做大量的蜜验，因此目前没有专门针对温室结构 的流量系数可供选择，在进行温室设计避风量的计算时，所涉及到的流量系数均采用建筑行业有 关通风规范中规定的进、排风窗口流攫系数取值。但由于温室结构与一般工业与民用建筑存在很 大差异，茏其是连橼温室屋顶天霜数秘多，歼密形式等可熊影喻流量系数丈小的因素也稃在不少 的差异。因北富必要针舞强蓠我国温室络捣类型确定相应的滠塞流量系数，兔我霹瀑室遗风系统 的设计通风量计簿挺供理论依据，这将太犬提高我国瀛室遇风系统设计水平，从砸促进我国设施 农业的发展。 1 2 研究目的及意义 奉硒究酝采麓懿方法是运霜c 鄹技术艇漩室开宦的磊种形式逡行模毅。e f d 揍擞跫种通过 计算帆数德计算和图像显示的方法，在时阅释空闻上定鬣瓣捺逮流场的数值解，扶而达到对物理 问题研究的目的。它兼有理论性和实酸性的双重特点。它广泛地应用于研究各种传递过程包括流 体流动，传热和传质等。c f d 模拟的输出结粜包括流体的速廉和方向，压力，温魔和浓度在空间 和时间上的分布。在近几年来，c f d 是用于园艺领域的研究，被用来模拟温室室内的气姣环境。 然后弱用这些搂鼙来研究温室室内环境瓣磐部环境耪溢室环境控翱豹昀应。对滋宣瓣筇境影响的 因素缀多，翔聚筚纯骰实验静话，舞徽犬鐾的正交实验，甄耗时又耗钱。特剐是考虑俸物存在的 温室环境下，对于作物对温室环境影响的测量非常匿难。磷对濑皇行业对温室f i j 部信息需求的与 日趋增，利用c f d 对温室内环境进行准确的模拟已经成为一种趋势，这样不仅可以提供可靠的温 室信息，也可以节约大量的试验经费。 但对于溅鬟系数的模拟国内遂属首次，魏此仍器要作部分的实验对模拟数据进行验诞，使得 c 两穰攘的方法受棚完善。然屠使阕撰撼靛方法建立温室鬻见帮滚形式的漉鬃系数参照震，使褥 温室设计遥甄爨更能满足温室的实簖生产豁需要，使得设计数馕蹙辩学更魏范。 1 3c f d 方法在温室领域成用的国内外现状 2 中国农业大学硕= = l _ ，学位论文第一章绪论 1 9 8 9 卑o k u s h i m a s j 等人苕次运用c f d 模攒技术对带有顼窗帮铡密的多跨温宠驰避风情况进 行模拟。并与s a s e 等( 1 9 8 4 ) 利用风洞的实验所测得的寅验数据进行了对比，虽然由于网格划 分数量较少和考虑气流速度不足以及当时计算机条件所限导致结果并不是很理想，但这次模拟为 c f d 软件运用予温室领域内环境的横拟开阔了思路，对于随后的研究有重大的实簖意义。 但是蹿矮豹凡年里，由于计算枫硬件条俘再加上这项技术势不完善，c f d 在滋室内豹模拟 并没有；l 趋太多研究考验兴趣捌。蛊副1 9 9 6b o t 等l l 砚运用c f d 摸毅与在一个豫踌的滠室内由声 波气流速度仪所测褥的数据对比，缭粟拟合的很好，这项技术才开始重耨被人们注意起来，并在 温室的模拟中开始犬量使用。 刚开始的些研究者对温室的c f d 模拟主要集中在温窝藏体模型的建立上和备种湍流模型 的选择上。m i s t r i o t i ( 1 9 9 7 ) 1 1 。“j 运用c f d 技术分别对在零气流速度和低气流速度情况下圆拱型 屋蟊温室瘫部漉场和滠度分布健况，不考虑浮力影响豹自然遵照羁撰燮霍蘑温室蠢部环境，自然 逶鼹下溢室内郝环境秘热压作耀下圆搽懋麓甄温室的内部环境遮四个圈拱型屋露溢塞内垂然遥 风环境进行了详细的模拟。利用了这四个模型对c f d 软件中使用的三个不同的湍流模型，标准k _ 模型、双尺度r n g 模型和c k 模型进行对比，证明了对于自然通风，k # 模型和实验数据吻 合得很好，使用r n g 和c k 湍流模型对零气流速度和低气流速度的模拟与实验吻合得都很好， 证明了在计算农业建筑物热压通风方霹c f d 是可行的。r 巍：出( 2 0 0 1 ) l i 5 | 提出了滠宣侧窗在 温室盎然通风过程孛静重要性，在不嚣稠密静情况下，溢塞沲的溢度缀难谈靠自然避风降下采。 b o u l 瓤d ( 1 9 9 7 ) l l “。日同样是在魏拱擞震瑟温室内蠡然避风菁l ：境下研究滠室长度对温室流场 的影响参数，从结果的计算当中发现潺赛长度小于5 0 m 时有较离的通风率。另外b o u l a r d ( 1 9 9 7 ) ”q 模拟了单踌封闭的v c n l o 型温巅在浮力作用下的内部环境中，研究了湍动能在温宠内的流动 并加入了对温室内温度场的模拟。之詹b o u l a t d ( 1 9 9 9 ) 、b a i l e y 2 0 、h a x a i r e ( 1 9 9 8 ) 2 1 - 2 2 1 和k a m i 妒b l 雩予不嗣蛇温室类型分涮援羧了褥滠室四周墙壁设为绝热层的情况下，设定疆盖层和 士壤存在温度麓时温室内静温度努蠢， l e ea n ds h o 水“2 唧在1 9 9 8 瓣4 j 连跨双层充气聚乙烯羧的睡拱型廛面溢毫的自然遥风状况 进行了模拟，他的研究中增加考虑了遮阳闷对温室通风的影响，模拟时将遮阳网稽作多孔介质来 处理。并在1 9 9 9 1 ” 卅年在同样的濑窒模型中模拟了侧窗的位鬣，开寓大小，温室跨数，气流速度， 风向对温室自然通风的影响。 以上这爨运用c f d 摸掇的研究审均来考虑温室内有植掳种接静携况，帮不考虑穗戆对温室 内空气滚动，能蘩传递静影响，最然遮榉徽可以比较准确的鸟实验结果迸行耘台，缆与溢宣实际 生产时的状况存在不小的差异，并不能真实她反映温室内微环境，因此在2 0 0 0 年后研究者在研 究时开始将植物作为温室内的一部分米模拟温室环境，使得模拟的结果更有实用价值。 h a x i r e 等( 2 0 0 0 ) 例是第一个考虑植物对温室环境影响的学者，他模拟了植物叶面积对不 同气流速度下风压的影响，并和他在1 9 9 妒。1 年在捌拱温室内所馓的实验数据避彳亍丁对比。从而 确定了植物豹阻力系数。l e e a n d s h o r t 等( 2 0 0 0 ) p ”2 同样也建立了一个势拆气漉逮发枣噬物两 个因素对珏酶的磐嫡的c f d 模型，研究了遴鼠日的大垂及萤寐上植物的存在对空气交换率的影 响。虽然模拟的低气流速度在某些使簧与实验时所用的烟气的流通方向并不一致，甚至速度低于 最低值，但是在植物冠层处经过一段时间后拟台的效果还是不错的。s h k l y a r ( 2 0 0 0 ) ”】和r e i c h r a t h ( 2 0 0 0 ) 3 4 1 ( 2 0 0 1 ) p 5 】在种植番茄的温室内部建立了考虑了植物影响的c f d 模型，模拟了植物 3 中霄农衄太学碗士学位论文 第一荤绪论 对气流的阻力、二氧化碳吸收率、壁面温度、暖气管和外界空气温度，二氧化物流入率和周围环 境的浓度的影响。h a s s a n e s f a t h ( 2 0 0 4 ) p q 模拟了一个带有顶部海水蒸发系统的温室内的微环 境。分析了内部植物和周围环境之间质量和能量的相互作用。f r a n c i s c od o m i n g om o l i n a - a i z ( 2 0 0 6 ) m l 攒攒分析a l m e r i a 型温室内静速度场，溢瘦场。 磷究者中对带有植物温室鳓骈究虽然开始注意，艇还是存在许多基难，所以这方面静研究并 不是缀多。所以他们在这几年对温室的c f d 模拟a 经由整体摸型的建立透渐转变到对具体边界 条件和一燕媳酗温室内环境的研究中。像计算域选择对边界条件的影响，湍流模型的选择对内部 流场的影响，覆盖层或防虫嘲的加盏对气流的影响以及风向对内部气流的影响等等p ”。 祆溢塞疆d 数蕴模掇的发糕历狂中，我雷】可馥看到滠宝仔d 模获翡发壤趋势：飙对温室静 二维c f d 模拟劐三维酌a = d 模拟 从对小型或按比例缩小的温室进行c f d 模拟到对实际尺寸的 大型商业连栋温室的a ；d 模拟# 从对无植物条件下温室的a ；d 模拟到对有植物条件下温室的 c f d 模拟；从对确定边界条件的濑童c f d 模拟劐对不确定的边界条件的温蜜的c f d 模拟。在更 进一步的二维模型中，将包括的螺物的模型，逶风口歼敖的效果，温室附避矮建筑物蛇影响，热 压积浮力捧疆，以及二氧纯碳扩散蒜。这些对了辩淑璧凌舔流场翦复象挂簌遴一步了温室内部玮 境是盛不可少的。 国f 日运用c f d 对温室内环境模拟的研究很少，而且研究的都较晚，基本上都是这几年开始 研究的，但遮说明我们国内己缎开始注意到c f d 模拟在潞室研究中起着越米旗霆要的作用。北 京化工犬学的耄莉( 2 0 0 3 ) 嗍对机械通风下的华北型您栋滠赛内温度和速度场进行了c f d 模拟， 讨论了入鼹隗速度窝滋帘离发对温室霹控距离鹃影确。串薅农业大学的李承敢( 2 0 0 4 ) 憾嚣 瘫较为棠爝v e n t o 型瀑室的囊然懑强进行了a 移横拟，毒薯论了室拜气按条佟帮潺室开密方式等 因素对v e n l o 型连栋温室自然潺风的影响。中聋表渡大学的陈忠购( 2 0 0 4 ) p 4 1 模拟了机械通风下 的华北型避栋魍料温室的流场，温度场，提出了温室内风机撂放位置对温室内流场的影响。中国 农业太学的郭万东( 2 0 0 4 ) 1 s s l 利用二维模型分析了自然通风下由于温室结构的差异所产生的风压， 井利用模拟续果分析了温室在风压作用下的受力情况。中霹农业大学的朱文见( 2 0 0 5 ) p 埘利用 c f d 工其攘搬了冬季供暖条件下涟绦滠室寝闻热环嫒，并通_ 过黠楱拉缍果的对琵，拽出了最佳静 温宣肉暖气撵布。 扶之前的研究者所作的研究工作来看，对于瀛煮领域的c f d 模拟，计算域的选择、网格的 划分、边界条件的设置以及计算模型的选择都对最后求解的准确性有很大的影礴匈。针对所研究的 问题，应当在结合实验研究的基础上，进行具体分析，台理设置边界条件以及相关参数。c f d 模 拟在温室领域的应用时，如何将c f d 方法与具体闷题缀好趣缀合起来依然憝我们鹭翦研究重点 所在。 1 。4 研究内容和方法 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 1 流量系数的研究现状和理论分析 现阶段我国采用的计算温室通风量函数式中的流量系数在温室通风系统设计过程是一个非 常重要的参数，由于目前没有专门针对温室结构的流量系数可供选择，因此在进行温室设计通风 量的计算时，多采用建筑行业有关通风方面的规范中规定的进、排风窗i z l 流量系数取值。建筑行 业针对建筑的各种特殊情况对流量系数进行过研究，刘方、弓南等人( 2 0 0 0 ) 阳对于建筑开口流 量系数对火灾烟流的影响提出了流量系数的研究方案。 根据流体力学理论p ”，温室窗口通风问题可视为流体力学中的薄壁孔口出流问题。 p 1 p 2 幽1 - 1 ；f l i q 出魔 f 培1 - 1o r i f i ( zf l o wo u t 流体在压强差印现一岛作用下经过薄壁孔口出流时，由于流线不能突然折转，故从孔口流出 后形成一个流柬直径最小的收缩断面c t ，收缩断面的面积4 与孔口断面面积彳之比就是孔口的 收缩系数，用c 表示，则 c 。- 鲁 s ， 对远方向断面和孔口断面列伯努利方程式： a - p c + 三p e + ；吾p e c ， a 。 + j p 嵋+ ；j p ( 1 - 7 因为 h y c 争只一岛 ( 1 8 ) 舭黝 k 。南 c 。! ”1 + 毒 e 称为孔口的流速系数。 经过孔口出流的流量 ”叫”c e a 再；a 再 ( 1 9 ) ( i - 1 0 ) 中国农业丈学硕士学位论文第一章绪论 其中 q 。e c c 。南 ( 1 - 1 2 ) 可见流量系数c q 与收缩系数c c ，流速系数q 有密切的关系，也就是说流量系数c q 与决定收缩 系数和流速系数的物理量均有密切的关系。 1 4 2 研究目标 通过对温室通风窗e l 不同情况下的c f d 模拟，系统研究并确定常见温室开窗形式的流量系 数，解决在温室通风工程设计与研究中缺少流量系数这一设计参数资料的问题，使我国温室设计 更加规范化科学化。 1 4 3 研究内容 ( 1 ) 对我国现有温室的常见开窗形式进行调研归纳。 ( 2 ) 通风窗洞口气流流动的建模。 ( 3 ) 确定采用c f d 方法解决通风窗洞口气流流动模拟问题的初始条件和边界条件。 ( 4 ) 不同的通风窗形式，窗扇开启位置，窗口布置高度及窗口尺寸比例等各种情况下，通风窗 口气流情况及对流量系数的影响。 ( 5 ) 流景系数实验方法的确定。 ( 6 ) 流量系数的系统整理和确定。 1 4 4 技术方案 本次研究针对要解决得问题，主要是按照调研、建立模型模拟、试验验证、修正模型、常见 窗洞口模拟、结果攘理这一系列的步骤进行的。 6 中重表韭大学硬士学位论文 第一章绪论 对我晷温室麴搿窟形式进行赍辩收集，进行赛遗调舞。学 习c f d 软停，熟悉轼静的工作原理，根据滋璧的实际情t 况确定 适合于温室的韧始条件和边界条件。 对溢室昀窑洞甜进行模型的建立，依据所解决的问题合理 的进行控制方程、流动模型、边界条件豹选取。并通过模拟计 算得到模拟结果。 在实际的温宣内对舒洞口进行流体流速、压力的试验测定， 对试验数据进行接理分析。利用试验结果和模拟结果的对比， 对模型进行修芷- 确定港台温室窗洞口模拟的释d 模型豹条件 经置 铡用已确宓的条铎，通过模拟韵手段分辑对滚羲系数产生 影嫡静因素，确定壤影喃鞍丈豹因素。最爱建蠢鑫种开窑形式 蛇模型进行横瓤计算，褥妻 常见开窗窗满目的流薰系数表 黉】一2 研究方案 f j 爵i - 2s c h e m eo f s t u d y 7 l ，上下 中国农业大学硕士学位论支第二章c f d 攒攒基础理论与方法 第二章c f d 模拟基础理论与方法 本章将楚要舟绍进行窑洞日流体流动模接所选择的流体较件，还有使用时掰应用剜的理论知 识，流场数值模撅豹数学物理摸囊、数值求解方法等。这魑基础理论是以下各章应用商嗣软件时， 选择计算方法和确定边界条件的理论依据。 流场数值模拟基本有如下几个环节：建立流动的数学物理模型，得出流动的控制微分方程组： 在计算域上对流动控制微分方程组进行离散，将离散结粜楚理为代数方程组；拟定特定的算法， 然螽摄算法对离散所褥代数方程缀避行求解，扶丽褥到计算域内空气流动情况。 2 1 流体计算软件f l u e n t 麓介 本研究所选用的流体软件是f l u e n t 。f l u e n t 是目前国际上比较流行的商甩c f d 软件包，在 美国的市场占有率为6 0 。凡是跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富 的物理模型、先进的数值方法以及强大静前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、 涡轮机设计等方面都有着广泛的疲用。其在磊油天然气工业上的应用苞据：燃烧、井下分析、喷 射控稍、环境分析、泣气清数，聚积、多相流、管道流动等等溯。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物 理现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性 和精度等方藏达到最佳组合，从而疑效率地解决备个领域的复杂流动计算闯题。基于上述思想。 f l u e n t 野笈了逡翅子各个领域的流动模按较静，这整软件缝够搂拯流体滚动、传熟传质、纯学反 应和其它复杂的物理褒象，软件之闻采用7 统一豹瓣格生戚技术及共露的圈形舞露，丽各软彳牛之 间的区别仅在予应用的工业背爨不同，因此大大方便了用户。 g a m b r r 一专用的c f d 前置处理器，f l u e n t 系列产鼎皆采用f l u e n t 公司自行研发的g a m b i t 前处理软件来建立几何形状及生成网格。是一具有超强组台建构模型能力之前处理器，使网格可 以有多种形状。对= 维流动可以生成三角形和矩形嘲格；对于三维流动，可以生成四面体、六蔼 俸、三角柱釉鑫字堪等弼格；缝合其体诗算，还可以生成溉台网椿，其蠡遥瘦功能，糍对网搀避 行细分致穰他，或生成不连续搠撂、可交弱格和滑动鹅格。然后由f l u e n t 进行求解【艟l 。 2 2 数值计算的基本方程 本文模拟的对象为流量系数，其数值大，j 、受环境澈发瞬影响很小，可以忽嚷不计，因此在模 攒时并不涉及激发。具体到计算流体力学的控裁方程上簸楚冀骞连续方程、动最方糕。不涉及爨 能量方藏，戳下是计算流体力学对于这类勰题掰采蠲豹控制方程： 连续方程l 叫；任何流动的问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时间内流 体微元体中矢撼的增加，等于同时间间隔内流入该微元的净质量，同时若流体不可压，密度为 常数，方程袭述如下： 8 堂o + 篓。o( 2 。1 ) + 一+ 一一u - 1 ) 蕊移蠢 捌a t + 捌o x + 掣+ 掣警+ 倍+ 等+ 鲁) 沼z ， 却 越缸 i 缸。妙瑟j 型+掣+掣掣一一和陋鲁02_zvato y ) ， 缸 却 越 移l 新裾j 掣+ 掣+ 掣+ 掣堕o z + 倍窘+ 窘) ( 2 _ 。，前缸 静 掘 l 缸毋船j 其中：p盯一p+成拶(2-5) 2 3 流动模型 本文假设流经宙滴口的空气为连续、稳定、不可压缩牛顿流体。采用漆流模溅。 湍流流动是工程技术领域与自然界中常见的流动现象，湍流流动的各种物理参数，如速度、 压力、温度等都随时阔与空问发生随桃的变化。从物理结掏上说，可以把端流露成是由各种不同 尺发静溺旋叠会丽或豹漉动，夫最璇的涡旋不辑跌主流获褥能爨，遴过涡旋闻的期互作用，小尺 度的涡旋不断消失，同时，由于边界的作用，扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这 就构成了湍流运动嗍。 羁藏的溃漉数俊模拟方法可 ；置努为直接数值模拟方法和j # 直搂数值模拟方法。所谓直接数缀 镤攘方法是摆寅撩裳解瞬时溃流控制方程( 2 - 6 ) 和( 2 - 7 ) 。 d i v 球- 0 ( 2 6 ) a 秘u + d i v 吉豢删v “) c z o 批v + d i v ( ) l - 吾嚣+ v d i v ( g r a d v ) ( 2 7 b ) 芸+ d i v 汹) 。一三罢+ v d i v ( g r 缸w ) ( 2 - 7 c ) 啊 p 嗽 而非直接数值模拟方法就是不黉接计算湍流的脉动特性。而魁设法对湍流作某种程度的近似 和簿纯处理。 誊接数值模拟方法分为丈涡流模拟、统计平均法鞠r e y n o l d s 平均法。直接数值模 拟釉失满模熬虽然霹驻褥鹫相对礁确豹计算结果。健对计算极内存鞠计算速度的要求非常赢，露 前还无法用于真正意义上的工程计算。从工程应用的观点来看。对：f 解决实际问题主要是看湍流 所引起的平均流场的变化，是看蹙体的效果，所以目前运用最多的就是r e y n o l d s 平均法，r e y n o l d s 平均法鹃核心是不囊接求孵瓣野的n a v i e r - s t o k e s 方疆，琵是慧尽办法求解对均纯的r e y n o l d s 方 程( 2 - 8 ) 蜂”。 9 中国农业大学碗土学位论文 第二章c f d 模拟基础理论与方法 i i i 一i ! ! u l , i h l i ii 邕鼍期曼罾景舅舅烹皇曼曼黑墨瞳恿舞尝鲁墨 言张+ 毒班鹣) 一詈+ 毒卜警一妒弼卜( 2 - 8 ) 这样，币仪可以避免d n s 方法计算赣大的问题，而且对工程实际应用可以取得很好的效果。 根据对r e y r t o l d s 应力做出的假设或处理方式不弱，睡前常厢的湍流横型有两类：r e y n o l d s 瘦力横型和涡流禳型，在r e y n o l d s 应力模型方法中，是考虑到旋转流动及流动方惫表瑟馥率变他 的影响。最然说r e y n o l d s 威力模型应用范围要比涌流模型广泛，但有文献证明目前这种模型并不 完善，而且该模型计算量要比涡流模型大的多。对计算机配簧要求很高。涡流模型方法是不直接 处理r e y n o l d s 废力项，面跫s l 入湍漉牯度( t t t r b u l e n tv i s c o s i t y ) ，然詹搬游滚应力表示成潦流粘 度静墨致，骧个诗冀醣关键在于确定这种潦自女糙度。俊据确定靛度羲徽诗方程数露的多少，酒旗 模型包括了零方程模型、方程模型和两方程模型。其中零方程模型及一方程模型由于其自身的 限制性，在实际工程中很少使用脚1 。 标准露一s 攘型是典型蠹孽两方程楱撰，该模型是譬翦使用最广泛的辅滚模型。该模型是由 l a u l a t e r 和s t , a l a i n g 手1 9 7 2 零提出的，程狡熬中，表示魏渤耗散辜豹# 被定义为： 糕胤 襄示演裁嬷的七被定义为： ( 2 9 ) 丘。噬2 1 2 ( 十+ 万 ( 2 - 蚴 、， 灞动粘度f 可表示威k 和的函数，邸： 段。p e 竺 ( 冬1 1 ) # 在标准毒一s 模型中，蠡和g 憝两个基本来知爨，与之对成得输运方程为： 掣+ 掣一北+ 云 , 烨l a kl l + c 小& c z - m 掣+ 掣一珊+ 等) 卦g 。詈瓴+ 屯p 和协 其中 暖是m - y - 平均速度梯度g i 起的湍动舷七的产生顼； q 是出于浮力弓l 起豹滚动筢七的产生顼，对手不可鹾漉体，毽= o ； 表示可压湍流中脉渤的扩张，对于不可压流体，= o 。 谯标准七一s 模型中，根据l a u n d e r 等的推荐值及后来的实骏验证，模型常数c 。、c 2 。、以、雌、 o ：鲍取值为： g 。= 1 4 4 q 。= 1 9 2 ，。0 9 ，吼= 1 。0 ，玩= l 。3 1 0 中国农业大学碗士学位论文第二章c f d 模拟基础理论与方法 2 4 微分方程的离散与求解 2 4 1 微分方程的离散 建立了室内空气漉动酌数学耪理模型之羼，藏可戳；c 雩裙荚方程进行离敬，姨蔼将誉易勰鲍偏 微分方程方稷缀转化为易靛的代数方程缎。目前，在数值计算方法中存在兰种离散方法：有限差 分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) ，有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) ，有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 。有限藏分法根据t a y l o r 展开得到，从数学上分析误差较为方便，但是物理意义不明显； 有疆容积法拜好榴反，它楚遁过将诗算域划分为簿教抟控翻体，再在控潮体上对各个守瞧控制擞 分方程进行积分而得到离散的代数方程缀，因此该方法物理意义明显，但越难以分析其谡麓：有 限元法则可对不规则形状的计算域进行离散，在局部是用琏续的函数表达所求的物理量场【删。 本文采蘑基予有限元的有隈体积法l 鳓j ，计募区域被划分为许多规则崴不规则螅小謦元，将 能量方程、动爨方程和质璧方程等送行离数，对每一个攀蠢霹得到一缎凑数焉麴控制方程纽。控 制方程组中包禽多个方程和米知变量，对离散厨的控制方程组的求解可以分为联立求解法和分离 式求解法，联立求解法可以分为隐式算法和照武算法；在分离式求解法中，一类是以速度、压力 为基本变璧遴露求辩的原始变整法，另一类是以满量、流霸数为变量避稼求解散非原始变慧法。 分离式求解法岛联立求解法魄较，求解过程其商缓文的灵滔挂，运算避稳孛对计算瓿的内存要求 不高，因此当计算硬件条件较低时，分离式求解法具有很大优势，尤其是分离式求解法中的压力 修正法在流动计算中应用得最为普遍，本文将来用分离式求解法中的压力修正法对温室窗洞口流 体流动进行数德模拟，扶两确怒流量系数。 2 4 2 方程求解 建立了流场中的各交鬃的离散方程并确赢边界条传之藤，裁可以求瓣线性代数方程缀了。线 馁代数方嚣键的求解透常有赢接法和迭代法两大类。对予濂体瀛动阔蘧，选终合适的幸 葬方法是 经济、快速、有效的求解线性代数方程组所必需的。迭代法赔指通过逐次逼近来获得线性代数方 稳组的近似解的方法。目前，在工程计算中广泛采用的s i m p l e ，s i m p l i c ，p i s o 算法都是通过 迭代来求簿方稷的。 采用逯代法 分离式求解法) 进行求解，其步骤如下： 1 + 在当前解的基础上，更新流体属性( 如果计算刚刚开始流体的属性用初始解来更新) 。 2 为了更新流场，“，v 和，r 的动量方程用当前压力和表面质鬣流量按顺序解n l 。 霸为第一步得到的速度可艟在届帮不清足连续性方程，新戮献连续性方稷拳l 动量方稷攘导糖匿 力校正鲍泊松方程。然瑶瓣出压力校正方程获取压力和速度场以及表瑟矮量流量的必要校正从 而满足连续性方程。 3 。在适当的地方，用前面熙新的其它变量的数值解出湍流、能量、组分与及辐射等标量。 4 当包奢相闻耨会瓣，可氍用离散褶鞔迹计算来更薪连续糖的源瑷。 5 检壹设定的方程的收敛髓。 ：随到满足收敛判据结束上述步骤。 i l 中国农业太孥硕士学使逢文第三章c 鼢模拟确定温室通风日流量系数方法躺建立及实验验证 第三章c f d 模拟确定温室通风口流量系数方法的建立及实验 验证 3 1 试骏温室开窗形式的c f d 模拟 如前文所述，采用计算机模拟的优点很多，但是模拟能否取得成功、模拟结果收敛与否及是 否能选至4 所器耪度，要受到诸多因素的影喷，如几何、物理模型的建立、稠格的划分、求解器计 算设譬等，爱处理分析也是十分复杂的超程。溢室托傅构造复杂、规模大，模擞所嚣要确定躲边 界条件、数学物理棱型躲选择，档荚参数的确定，都嚣瑟通过研究如驵确定。本章采用f l u e n t 软件包对试验温室的开窗形式进行c f d 模拟研究，将数值模拟结果与试验测试结果进行比较和 分析，验证a 方法和软件对温室开窗流量系数的模拟的可行性，并进而对常见温室的侧窗开 窗形式以及顶窗开密形式进行了模拟，确定出温室开密形式的流量系数，为温室规范性的参数估 计提供了参考数据。 3 1 。t 计算域酶选择 一般来说，c i ；d 模拟中，通常选择研究对象的藏体或者相对独立的一部分作为计算域，即 可以蟪择研究对象的一个截面作为计算域，来进行二维模拟。也可以建立兰维模型来进符计算。 相比之下，= 维模型计算较为缒革，需要的计算机搽源棚对菱小：丽三维模燮较为复杂，但是能 够更穗确的撼逑实际馕况，提供荑多豹蓿塞。由于本次磷究阏题是气体在密溺翻的滚动情况，不 用考虑流体进入温室后豹流动分帮，蕊且密洞口疆丽上下左右各个方彝鹩气体流动都会对其产生 影响，所以不适宜采用二维模溅。因此本次模拟采用的魑兰维的窗洞e l 局部部分为模拟对象。 利用墙体作一个分断面，将计算域分为两部分，两部分计算域是靠中闯的窗洞口相连接的， 通过这种设崽，可以清楚地看出流体流过窗洞口时的流动情况。所以在定义计算域时，设定一 个壤体为围体域，两边温室肉乡 空气为流体域。计舞城的大小器搬据具体黪流体闯题所定，主要 原剐赣燕流体在计算壤内要充努豹流动，太大会影骥模搬计舞豹速度，太小静话流体无法充分静 流动，会造戒模板的不准确。般来说，对于窗稠翻的流体流动，流体在距离窗斓口处一个窗洞 口水利半径的距离以外，基本上就达到了稳定的流动。 3 1 2 黼格划分 选定计算域，建立了试验澄寰的几秘模型，藏可淡对连栋滠室跨搭划分了。网格霹臣分为结 丰哿纯闷格鞠# 结构化弼格两种。结构化网捂是较为标潍酌几何划分，适合于标准的几何体，如西 边形网格和穴面体网格。采用结构化网格进行计算，易予收敛，计算结果精度较高。但是对于复 杂几何体，生成结构化网格费时费力。非结构化网格则是非标准的几何划分，如三角形网格、四 面体网格、盒字塔型网格等。非结构嘲格消除了结构化嘲格中节点的结构性戳制，节点和单元的 中国农业大学磷士学位论文第三章( 网模拟确嶷涵室通风口流量系数方法的建立及蜜验验证 分毒可控性好，因而能较好媳娃理边界，适明予模拟冀鬟铸况下的复杂外型。槌对两青，非结擒 仡礴捂生成豹髓播数蟊较多，计算耪度举擞鳓掏纯弼格。 本文中的模拟，将流体域平口固体域分成两部分分别进行嗣格划分。对不周区域的网格划分采 用不同的网格密度特别是在窗洞口附近对网格进行了加密。模拟试验了备种网格形式，由于窗 洞口形式的复杂性，只有嚣结鞠的三角形燃撩疑为台适，瓣鼠魄较逶予对”f 一步更为复杂的窗滠 弱形式搂撼掇供避用静途径。 3 1 3 边界祭件的设定 温室遥风的流量系数受流体湛度翡薏耋鸭缀，l 、，可近歙认为只与压力大小、气漉速寝大小、窗 洞口的形状、结构、尺寸以及周围的遮挡物的形式有关，因此在边界条件设定时，不用考虑温度， 即不计算流体力学里的能量方程。本次模拟将进口条件设定为压力入口( p r e s s u r e - i n ) ，出口条 俘设定为撬力出掰0 嘲s u 地删) ，馨在塞濑髓疆俺设定一个压力差，然嚣靛可 ；王在这个压力差的 挥斑下查餐流体流过密洞麓辩的情况。域就键可娃分析出在不慝窗漏翻形式下，淘定躺舔力差由 于宙洞口形式的不同或者周边环境的不同而产生的不同的流速，从而得到不同窗洞口形式的流量 系数。 在这量簧据出鹃是，遍器条件所设定的蕊力，劳不燕计算结果所樽劐的压力结果，这个氍力 仅仅是在凝宠边界初始条静孵所假定静一个援力，是用予软纷进行韧始纯计算时的参数，这个握 力与实际的计算压力比较接近，但还是有本质上的不同的，这样做只是有利于计算结果的收敛。 墙体的边界条件设置为墙体( w a l l ) 。由于本次模拟并不涉及到温度、辐射、传热等能量交 换，困她壤体零霈要进行特剐的一些参数的设定，墙体在邈个模掇孛仅仅照起刭了一个阻磷流体 流动静作用。 3 1 4 控制方程的选取 由手本次试验采用机城通风，困就窘濑弱的流体滚动胃槐为湍流流动。现在懑流