顶窗开启方式对顶窗自然通风速度的影响

顶窗开启方式对顶窗自然通风速度的影响

0自然通风系统温室通风可以促进外部环境之间的物质和能量交换，改善环境质量，提高能量利用率。由于自然通风操作简单,能源消耗少,温室大部分时间依靠自然通风来调节环境。随着计算机技术的发展和流体流动模型的不断完善,计算流体力学(CFD)成为了分析温室内气流状况的有力工具,能帮助人们设计出更为有效的温室通风设施。本文利用数值方法对温室内的速度场分布进行了模拟,评价得出在华东地区常用的连栋型塑料温室中采用什么样的开窗方式更为合理,从而为温室的设计和建造提供参考,进一步提高了温室栽培的现代化水平。1cfd和cfd在气流学上的应用,发展得了cfd和cd目前,温室自然通风的主要研究手段仍然是示踪气体法。1989年,Okushima等人第一次用计算流体力学(CFD)来研究温室的通风问题,并将数值模拟方法得到的结果和Sase在1984年做的实验结果进行了对照,并将CFD方法引入到这个研究领域里。而温室数值模拟的模型也从一开始的将空气流动近似看成层流流动来进行模拟和预测,发展到湍流模型,再到取得良好预见效果的k-ε双方程模型和改进的Chen-Kin(C-K)模型。在对不同类型的温室进行自然通风的数值模拟研究中,模型的有效性得到了充分验证。2温室模型和模拟方法2.1模型地面信息浙江大学农业生物环境工程研究所设计、建造的华东型连栋塑料温室为三连跨南北走向,双圆拱型屋顶,北侧设有门斗并开门,其他三侧设有通风窗。屋顶开通长天窗,其开窗形式为齿条式开窗,包括普通的齿条开窗和法国式大开窗。本文建立的模型地面标高为0,温室天沟处高3m,屋脊处(即拱顶)高5m,每跨的跨度7m。普通齿条开窗的窗宽为1m,开启角度60°;法国式大开窗的窗宽3m,开启角度10°。两者开启高度都为0.8m左右。2.2风压作用对温室内温度场和速度场的影响由于温室的长度一般远大于其跨度和高度,而通风窗在长度方向是连续的,并且温室在建造时一般考虑盛行风向垂直于屋脊,所以假设温室的长度是无限的,把模型简化成二维,取通过通风窗的一个剖面,且不考虑温室中种植作物。本文研究的是在不同屋顶齿条开窗形式下,由于风压作用产生的通风使温室内温度场和速度场在通风窗剖面上的二维分布情况。只考虑风压作用是因为在1994年Papadakis等人的研究中指出,当外界的风速大于1.8m/s时,热压作用对通风的影响可以忽略不计。使用Gambit在两个模型中共划分9402个和9943个均匀分布的结构化网格,并初步确定边界条件;使用Fluent进行数值模拟计算。在只考虑通风产生的热量交换情况下,将温室的墙体设置成良好的绝缘体;不考虑辐射带来的热交换,只考虑风压作用产生的通风,重力可视为0;气体材料的性质为理想气体。本文所用的CFD模型选用湍流模型,所有的计算都用Launder和Spalding在1974年建立的k-ε模型中完成。假设在各近壁处的流动符合单层壁面函数法的对数分布规律。在风压通风入口处给定气体流速。3结果和数据分析3.1通风速度分布假设从侧窗入口的风速为2m/s。图1和图2显示了普通齿条开窗和法国式大开窗温室内通风速度矢量的分布。在普通齿条开窗的温室中,到第3跨的通风速度仍在1m/s左右,可控范围比较大。在第1、第3跨的上部和第2跨的下部,产生了涡流,因此第2跨的通风效果并不理想。每一跨中通风速度分布比较均匀,但速度曲线在中间跨中有一个明显的起伏过程。在法国式大开窗的温室中,沿着气流的方向通风速度比较平缓地递减,涡流产生的位置都在温室的天沟以上,这对于温室内种植的作物来说是非常有利的。3.2作物层内速度基准线及量化一般作物层在离地面1m到天沟以下0.5m。在普通齿条开窗和法国式大开窗的温室中,作物层平面的平均通风速度为0.91m/s和0.87m/s。普通齿条开窗的温室作物层速度的最小值和最大值分别是0.02m/s和2.21m/s;而在法国式大开窗温室中,分别为0.07m/s和2.08m/s。分别取Y=1m,1.5m,2.0m,2.5m等4条作物层内的基准线来进行速度的分析比较。图3和图4是在两种开窗温室中作物层不同高度值处其速度的量化分布。普通齿条开窗的温室中,作物层的通风速度在第2跨较小。由于受中间跨旋涡的影响,曲线的斜率(即速度)分布起伏很大,这对作物栽培和生产而言是不利的。在法国式大开窗温室中,作物层通风速度分布曲线相似,呈均匀的平缓递减态势,分布得很均匀。3.3温室通风速度分布图5和图6是普通齿条开窗温室(白)和法国式大开窗温室(黑)在相同作物层高度上的通风速度比较。在作物层较低的层面上,普通齿条开窗的温室在第1跨和第3跨的通风速度均要大于法国式齿条开窗温室。而在作物层较高处,这个结论正好相反。此外,普通齿条开窗的温室在跨与跨连接的地方通风速度可以达到最大值。就中间跨而言,法国式大开窗温室的通风效果要明显好于普通齿条开窗的温室。所以,不同的作物类型可以选用不同开窗形式的温室。4通风均匀度比较通过对华东型连栋塑料温室常用的普通齿条开窗和法国式大开窗两种顶窗开启方式进行温室内速度场的模拟比较,得出以下结论:1)普通齿条开窗到达另一侧侧窗的通风率稍大一些,可控的跨数较大,而法国式大开窗温室内的通风均匀程度明显较好;2)普通齿条开窗的温室作物层中的通风速度略大于法国式大开窗的温室,通风效果比较好,有利于作物生长;3)对于直接栽种于基质中、放在1m高左右床上的作物而言,可以选用普通齿条开窗的温室,而对于垂直距离较大,从底部攀爬或顶部挂下的作物而言,考虑到通