計算流體力學在設施農業(yè)的應用

周阿連，陳 靜

（煙臺職業(yè)學院 信息工程系，山東 煙臺 264670）

1 引言

溫室內的氣候環(huán)境變化是非常復雜的，研究者需要做大量的反復實驗，人力財力都消耗很大.計算流體力學的基本特征是數值模擬和計算機實驗，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動力學實驗設備，在科學研究和工程技術中產生巨大的影響.CFD作為一種模擬仿真工具，最先是在化學、汽車、航空、石油等領域發(fā)展起來，在1989年，由Okushima等第一次用計算流體力學（CFD）來研究溫室的通風情況.現在許多研究者用CFD來模擬溫室內的氣候環(huán)境，用以研究外界控制對室內環(huán)境的關系.

2 CFD軟件簡介

計算流體力學（CFD）是近代流體力學，數值數學和計算機科學結合的產物，是一門具有強大生命力的邊緣科學.它以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題.自1981年，英國CHAM公司推出求解流動與傳熱問題的商業(yè)軟件PHOENICS以來，迅速在國際軟件產業(yè)中形成了通稱為CFD軟件產業(yè)市場.在溫室內氣候模型方面，起初用商業(yè)CFD包PHOENICS V3.1（CHAMLtd，London，UK）.后來到商業(yè)CFD包 Fluent 5（Fluent Inc.，Lebanon，USA）和 CFX等.這幾個軟件包提供了相似的工具用來模擬室內氣候，都可以和標準個人計算機和多處理器計算機上運行.CFD軟件依賴復雜的模擬（如變量個數，流體種類）和網格的尺寸，與傳統(tǒng)的實驗相比優(yōu)點在于，可以減小時間和成本，對大范圍的參數進行優(yōu)化，傳統(tǒng)的實驗是不可能做到的.

3 國內外研究現狀

CFD技術用來做溫室內部氣候模型和針對通風影響研究改善結構設計是一個強大的工具.它在工業(yè)的應用如航空、運輸機和化學比較廣泛，在設施農業(yè)的應用研究才剛剛起步.大多研究都是和通風相關的.

3.1 在溫室應用方面

隨著科技的發(fā)展及CFD程序的改進，用空氣的傳送方程計算通風，使得在溫室氣候方面的標量和矢量領域的研究簡單化.這個技術不但可以應用到溫室的一般情況的模擬，如自然通風、機械通風，還可以讓我們考慮溫室內的特征，如防蟲網和栽培的作物等.

3.1.1通風

自然通風是系統(tǒng)通常用來控制溫室氣候的，它需要很少的能源和設備操作以及維護，它比其他系統(tǒng)在控制溫室空氣溫度方面要便宜的多.在夏季，主要的季節(jié)用來降低溫度和增加濕度；當在冬季，通風是為了減少過高的濕度.對溫室控制系統(tǒng)來說，為了作物特殊的氣候條件，一個有效的通風系統(tǒng)是必要的.外部的流動在溫室周圍通常是很復雜的，在溫室內進風口和出風口的位置直接影響內部氣流循環(huán)，是影響通風的最重要因素.自然通風的動力是依靠風速和內外溫室的溫度差異.通常，風的影響超過浮力[1].

1989年Okushima[6]等第一次用計算流體力學（CFD）來研究溫室的通風情況，他用數字方法和1984年Sase在風道獲得實驗結論[7]進行比較.在那時由于有限的計算機資源，盡管他們的結果表明與實驗數據沒有聯系，但他們提供了在溫室內流動形式的重要的新信息.直到1996年Bot等在二跨溫室內CFD模擬與用音速風速儀獲得的數據比較才再一次應用.Al－Helal（1998）[8]用CFD模型研究自然通風在干旱區(qū)域的溫室，比較模擬結果由能量和大量平衡模型決定的平衡模型有很好的一致.Boulard等(1999)[9]研究了自然通風（熱和產生的風）在縮小比例溫室里用二維方法.2001Montero等通過溫差和比例模型的風引起的通風進行了分析[10].童莉等研究了機械通風條件下連棟溫室速度場和溫度場的CFD數值模擬[11].李永欣等用CFD數值模擬Venlo型溫室夏季自然通風降溫的效果[12].

目前，大多的研究者在自然通風方面的研究是基于用煙追蹤技術估計全部的空氣交換率[2]和用能量守恒模型模擬均勻空氣溫度[3].在研究通風在溫室氣候控制上，建立了許多數字函數，不同的環(huán)境變量可以直接與通風率聯系，如風速和風向，太陽輻射或內外溫度.也因為很多的變量參數，所以還沒有人研究出一個通用的溫室通風模型[4].

3.1.2 考慮植物等其他因素

然而，有一個重要的不足在研究由風或浮力壓力引起的溫室內的氣流方面缺少信息.因此，大多作者表現溫室內的氣候條件為統(tǒng)一的溫度和空氣速率在作物區(qū)和植物上方區(qū)域沒有區(qū)別.Haxaire（1999）是第一個研究在溫室內部的氣流中作物的影響，他在風道中實驗，研究了作物葉面積指數和由不同空氣速率產生的壓力下降的關系.這個關系后來應用在CFD對遮蓬在內部氣候的影響調查上.Lee和Short（2000）也研究了一個CFD模型決定空氣速度和壓力在作物的關系.Reichrath等（2000）用實驗數據與CFD預測一個商業(yè)的60跨內種番茄作物的紋絡型溫室內部環(huán)境，獲得很好的一致.

近來，Bartzanas等（2002）研究了隧道溫室通風的影響由防蟲網引起的壓力，每個優(yōu)良的抵抗牧草蟲和抵抗蚜蟲的網安在通風口也在商業(yè)溫室內由三維模擬.

3.1.3 溫室建筑結構設計

在自然通風Almeria型溫室內的氣流已用二維的方式分析過和三維模擬.Kacira等1998也評估多跨鋸齒溫室的通風在幾個環(huán)境條件.郭萬東等用CFD模擬溫室結構風壓，對溫室結構設計提出建議.

3.2 在畜禽舍應用方面

計算流體力學在工程設計是一個高級的技術，在其他類型的農業(yè)研究逐漸增加，在畜舍環(huán)境方面，研究在家畜身體周圍由于對流引起的熱浮力流動.多墻有進風口的畜舍的通風情況，在風道里采用30分之一的奶牛場比例模型試驗，研究自然通風下的空著牛舍，在屋頂開啟角度的不同，內部空氣和污染物的情況.用計算流體力學模擬有多頭牛在空間內的流場.預測了在夏季實驗的豬舍內氨的分布.預測機械通風的豬舍內微粒的傳送.在對畜舍結構研究方面，在風道里模擬自然通風豬舍內氣流狀況，獲得畜舍的設計參數，溫室結構的動力學阻力的實驗[13].在自然通風下豬舍的比例模型的擋風物對氣流的影響[14].研究了嚙齒動物絕緣籠的通風.通過模擬對畜舍的大小，形狀等提出改進[15].這些研究在對改善畜舍內的環(huán)境，對畜舍設計的改進都提供了很好的依據.

4 分析與討論

4.1 CFD模擬方法討論

在對溫室或畜舍的CFD模擬過程中，有研究等比例模型和小比例模型的，有用二維和三維的方法來進行模擬的，選擇比較合適的方法需要針對不同的問題，也要考慮到計算機本身的限制.

大多數研究通風的實驗是在等比例溫室模型里用追蹤技術.這種方法更貼近真實的情況，但在等比例溫室要確定準確實驗的邊界條件是很復雜的，因為氣流即使在很小的速率下也是紊亂的，所以研究內部的對流循環(huán)是非常復雜的，而且大型的玻璃溫室，不能做成等比例模型放到風道與CFD模擬比較.而且大型的玻璃溫室，不能做成等比例模型放到風道與CFD模擬比較[5].

4.1.2 半/小比例模型模擬

若有定義好邊界條件的穩(wěn)定狀態(tài)可以在比例模型里的實驗室實驗.縮小比例的溫室模型可以容易的控制外界條件，最常用的就是風洞實驗，通過調節(jié)外界的風速變化，分析室內的氣流場，但也因為是在人為控制的環(huán)境下，所以與真實的環(huán)境有一定的差距.

4.1.3 二維模擬

在對溫室環(huán)境進行模擬時采用二維模擬，可以減少模擬過程的復雜性和大大減少計算量.

4.1.4 三維模擬

在二維模型不能滿足精度時就需要三維模型，但需要一臺超級計算機.三維模型可以提供更精確的溫室氣候變化的三維信息，但需要更全面的準確的數據.

4.2 CFD模擬結果的驗證

CFD的準確性主要依賴于設計者的技術、經驗和知識，需要更多可信賴的數據驗證CFD模擬結果，可將驗證CFD模擬結果的方法分為以下幾類：

4.2.1 與傳感器測試結果比較

通過在實際環(huán)境中，用傳感器測得的數據與CFD模擬的結果比較.對于簡單的驗證是可行的，但對于模擬結果的整體準確性驗證，有明顯的不足.實驗驗證傳感器布置較多，實現的是單點測試，無法知道全場信息，容易把局部關鍵點信息丟失，對于工況較多的情況下的試驗量較大；

4.2.2 與風洞測試結果比較

風洞環(huán)境下，在縮小比例模型內，通過傳感器實測結果進行比較，與上述傳感器測試結果比較有相同不足，但工作量相對較少.

4.2.3 與模型比較

模型的計算只能得到整個環(huán)境的平均測量值，不能得到局部各點的詳細數據.

4.2.4 與風洞內PIV測試結果比較

粒子圖像速度場儀（PIV），因為它直接在空氣中追蹤煙顆?；蚱渌襟w，可以準確的獲得全部流動域的流動速度，可用來作為CFD模擬結果驗證，是一個較好的方法，PIV技術在農業(yè)環(huán)境的應用才剛剛起步，此方面的文獻還不多見.

5 結論

CFD的數值模擬，節(jié)省實驗所需的人力、物力和時間.用CFD模擬一個虛擬實際情形可以很通用而且相對便宜，可以為實驗提供指導，并對實驗結果的整理和規(guī)律的得出起到很好的指導作用.但因為測量的空間密度不足夠密，不能任意點都與模擬比較，不能充分的準確預測內部有代表性的氣候，所以這些模擬的結果是定性的，目前，雖然已建立的多種參數的通風模型，但由于大量的氣候參數變量，沒有一個溫室的通風模型為通用的，沒有普遍性.

CFD的前景和它在溫室研究的應用，在溫室設計、操作、和控制策略方面，對參數的研究可能導致革命性的變化，未來可以把CFD模型數據嵌入到溫室控制系統(tǒng)中改善對溫室氣候的風速、光和溫度的變化的相應；確定通風系統(tǒng)的特征，提供對內部氣候條件有效控制.

CFD模擬方法和驗證方法，需要根據實驗條件、計算機硬件條件以及驗證精確度，確定不同的方法，對于高精度CFD模擬驗證，PIV測試是一個比較新穎、準確性好的方法，值得進一步探討.

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