農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)的多相流傳遞過程研究進展

張建文，賀亞如，王慶貴

(1.北京化工大學(xué) 流體力學(xué)與傳熱研究室，北京 100029；2.西藏山南雅礱綠色畜禽有限公司，西藏 山南 856100)

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農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)的多相流傳遞過程研究進展

張建文1，賀亞如1，王慶貴2

(1.北京化工大學(xué) 流體力學(xué)與傳熱研究室，北京 100029；2.西藏山南雅礱綠色畜禽有限公司，西藏 山南 856100)

摘要：分析了研究溫室多相傳遞過程的特點，對溫室內(nèi)復(fù)雜的多相流動與傳熱問題進行了闡述，進而對目前關(guān)于溫室傳熱、傳質(zhì)過程的CFD(計算流體力學(xué))研究進行了綜述，總結(jié)了CFD在溫室多相流動與傳熱傳質(zhì)研究中的優(yōu)勢，并對CFD研究溫室多相流系統(tǒng)的前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：精細(xì)農(nóng)業(yè)；溫室系統(tǒng)；流體流動；傳熱傳質(zhì)；CFD

0引言

多相流本身是個復(fù)雜的流動過程，而溫室中的多相流過程又同時涉及傳熱傳質(zhì)、植物作用、相間交換等問題。近年來，溫室農(nóng)業(yè)正逐步向精細(xì)化、集約化、科技化發(fā)展。因而研究溫室中的多相流過程對于指導(dǎo)溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的意義。

精細(xì)農(nóng)業(yè)是一種現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)管理理念，旨在實現(xiàn)定點的精確化，定量的精確化，定時的精確化[1]。現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適時引入精細(xì)農(nóng)業(yè)思想，以期通過實時獲取農(nóng)田中每個小區(qū)域的作物信息，診斷作物長勢和產(chǎn)量在空間上的差異，區(qū)別對待，按需實施定位調(diào)控，以實現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[2-5]。

溫室環(huán)境精細(xì)化控制的首要任務(wù)是實現(xiàn)溫室環(huán)境因子的定點監(jiān)測。溫室環(huán)境定點監(jiān)測主要是通過在溫室內(nèi)布控傳感器來檢測溫室內(nèi)環(huán)境因子，但是由于溫室是一個復(fù)雜的多相傳遞系統(tǒng)，溫室內(nèi)環(huán)境因子非常復(fù)雜，完全依賴傳感器檢測實現(xiàn)起來較為困難，且將使成本大大增加，因此完全依靠傳感器實現(xiàn)溫室環(huán)境控制具有一定的難度[6]。

近年來，越來越多的學(xué)者開始研究溫室多相流系統(tǒng)，以實現(xiàn)對溫室環(huán)境的控制。溫室內(nèi)定點的作物信息主要包括水分、養(yǎng)分、光照、溫度、濕度等，對這些環(huán)境因素的控制構(gòu)成了溫室精細(xì)控制的基礎(chǔ)，因此，研究溫室內(nèi)的多相流傳遞過程具有重要的意義。

1溫室中的多相流問題

1.1溫室中的多相流特點

溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，包括溫室空間中的氣體環(huán)境、水環(huán)境、土壤以及植物冠層等微環(huán)境；期間涉及到水分、養(yǎng)分在土壤、植物、大氣間的傳遞過程(圖1)，構(gòu)成了溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的復(fù)雜多相流傳遞問題。

溫室內(nèi)的多相流傳遞特點主要表現(xiàn)為：(1)傳遞主體復(fù)雜。以水分傳遞為例，包括植物與土壤間的水分傳遞，植物與空氣間的水分傳遞，土壤與空氣間的水分傳遞，以及由灌溉引起的溫室內(nèi)與外界環(huán)境間的水分傳遞。(2)傳遞涉及多種作用：植物的生理作用，如蒸騰作用、呼吸作用、光合作用等。(3)傳遞過程涉及多種溫室調(diào)控設(shè)施，如灌溉設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、加溫降溫設(shè)施及防蟲網(wǎng)等，這些調(diào)控設(shè)施的存在使得溫室多相流問題呈現(xiàn)出一定的特殊性。(4)傳熱過程兼具對流傳熱與輻射傳熱，包括空氣對流傳熱、太陽輻射及太陽輻射導(dǎo)致的二次(局部)對流傳熱等。(5)傳質(zhì)傳熱介質(zhì)包括植物，構(gòu)成了特殊的傳質(zhì)傳熱阻力。

圖1　溫室中的多相流傳遞

溫室生產(chǎn)過程包括了諸多同時發(fā)生的過程，并且這些過程具有不同的反應(yīng)時間和反應(yīng)模式，而且存在多種相互作用。概括起來，溫室中的多相流傳遞主要包括多相流傳熱及傳質(zhì)過程，其中多相流組分傳遞又包括空氣傳遞和養(yǎng)分傳遞。

1.2溫室中的多相流傳質(zhì)過程

1.2.1溫室空氣環(huán)境的傳遞過程溫室中的空氣環(huán)境傳遞主要指溫室內(nèi)外的空氣交換。一般溫室生產(chǎn)過程中，為了保證溫室的保溫效果，通常需要減少通風(fēng)換氣率。但在生產(chǎn)過程中又有通風(fēng)換氣的需求[7]：(1)必要的通風(fēng)換氣可防止溫室晝夜溫度逆差，促進作物正常生長；(2)密閉溫室容易導(dǎo)致溫室內(nèi)CO2缺乏，則植物光合作用不能順利進行，通風(fēng)能夠補充CO2；(3)排除有毒(或有害)氣體，并調(diào)節(jié)溫室內(nèi)空氣的相對濕度；(4)夜間通風(fēng)也可減少溫室內(nèi)作物的呼吸作用，減少同化物消耗，提高作物產(chǎn)量；(5)夏季通風(fēng)能夠降低溫室內(nèi)溫度。

由此可見，溫室內(nèi)外的空氣交換十分必要，而溫室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計又直接影響著溫室內(nèi)的空氣流動，故溫室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計十分關(guān)鍵。

1.2.2溫室中的養(yǎng)分傳遞溫室中的養(yǎng)分傳遞包括養(yǎng)分在土壤、植物、空氣間的傳遞與流動，其中不僅涉及到相變過程，還涉及到溫室與外界環(huán)境在溫室調(diào)控設(shè)施作用下的養(yǎng)分交換。以溫室中的水分傳遞為例，水分傳遞的同時又伴隨著水的相變過程：土壤中的水分通過蒸發(fā)作用散失到空氣中；夜間溫室內(nèi)水蒸氣的冷凝過程；植物通過蒸騰作用從土壤表面吸收水分，又通過葉面上的氣孔散發(fā)到空氣中；灌溉設(shè)施引起的溫室內(nèi)外的水分傳遞；另外溫室的通風(fēng)系統(tǒng)也促進溫室內(nèi)外的水汽傳遞。

1.3溫室中的多相流傳熱

根據(jù)換熱情形的差異，多相流傳熱可分為與外界無加熱或冷卻等熱量交換過程的絕熱多相流和有熱量交換的多相流傳熱過程。在有熱交換的多相流流動過程中通常伴隨著單組分的相變過程，如液體汽化成蒸汽或蒸汽凝結(jié)成液體。

由于太陽的輻射作用，及溫室中配置的加熱降溫設(shè)備，溫室生產(chǎn)中常常伴隨著熱交換及輻射傳輸過程。

由通風(fēng)引起的能量交換(通風(fēng)引起溫室內(nèi)外能量交換)；加熱系統(tǒng)與室內(nèi)空氣之間的熱交換(冬季為了維持溫室內(nèi)溫度，需通過加熱)；土壤與周圍環(huán)境的熱交換(土壤與溫室內(nèi)空氣進行對流換熱，與植物進行輻射換熱)；植物冠層與空氣間的能量交換。

由以上對溫室系統(tǒng)多相流問題的分析可知，實現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境的精細(xì)控制具有一定的難度。

2CFD對溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多相傳遞過程的控制

常規(guī)意義上溫室的精細(xì)控制主要是利用遙感技術(shù)獲取溫室內(nèi)作物生長環(huán)境、生長狀況和空間變異的大量時空變化信息，并針對性地提供處方信息。由于溫室內(nèi)多相流問題十分復(fù)雜，溫室環(huán)境是個多變量耦合、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，需要在溫室內(nèi)大量布設(shè)傳感器，實施時具有一定難度且成本較高。

CFD研究能夠?qū)Ω鞣N結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)下的溫室內(nèi)的各項參數(shù)分布進行一個準(zhǔn)確直觀的預(yù)測，與傳感器相比能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室內(nèi)各個點的環(huán)境信息的預(yù)測，更加精細(xì)、詳盡，且能夠大大降低成本。另外，CFD研究建立在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，能夠指導(dǎo)人們從機理出發(fā)，實現(xiàn)對溫室的精細(xì)調(diào)控，從而指導(dǎo)溫室結(jié)構(gòu)的選擇及環(huán)境參數(shù)的調(diào)控。因此，CFD在國內(nèi)外溫室研究中的運用越來越普遍[8]。

2.1溫室傳質(zhì)過程的CFD研究

2.1.1溫室通風(fēng)(空氣傳遞)控制的CFD研究良好的通風(fēng)系統(tǒng)對于保持溫室內(nèi)氣候的穩(wěn)定性分布至關(guān)重要。溫室內(nèi)的通風(fēng)情況嚴(yán)重影響著溫室內(nèi)空氣的交換及溫室的內(nèi)部氣候條件，而這些氣候條件又關(guān)系到溫室內(nèi)作物的生長[9]。CFD研究能夠模擬不同通風(fēng)裝置下的溫室內(nèi)部的氣候分布，減少實驗次數(shù)，降低成本，并且能夠針對自然通風(fēng)口的配置提出指導(dǎo)意見。

Mistriotis等[10]研究了四連棟地中海型溫室。他們先后考慮了3種情形：(1)2個側(cè)窗(開度為45°)以及4個水平開的頂窗；(2)開度為45°的側(cè)窗，第3、4個頂窗開度為85°；(3)只開頂窗，開度為85°。由于頂窗關(guān)于中間的屋脊對稱，故模擬時只研究2個連棟(圖2)。在第一種情形下，新鮮空氣從側(cè)窗進入，熱空氣主要從中間的頂窗R2處流出。通風(fēng)口R2扮演的角色表明更大的頂窗開度將會提高溫室內(nèi)的通風(fēng)速率(第二種情形，頂窗開度85°)。這種情形下，第二股冷空氣流從頂窗R1較低處流入，R1下半部分相當(dāng)于一個入口，但上半部分是暖空氣出口。當(dāng)側(cè)窗關(guān)閉后(第三種情形)，R1是冷流入口，新鮮空氣徑直流向地面，將熱空氣推向溫室中心，熱空氣主要從R2流出，只有一小部分從R1流出。不難看出，第三種情形下的通風(fēng)效率不如前兩種情形。該研究證實了開通側(cè)窗的必要性，即側(cè)窗主要是冷空氣入口，而頂窗主要是熱空氣出口。

圖2　Mistriotis的通風(fēng)口配置研究

沈明衛(wèi)等[11]為了比較華北地區(qū)連棟塑料溫室3種典型的不同頂窗配置形式對其自然通風(fēng)效果的影響，運用CFD對配置不同頂窗的溫室內(nèi)自然通風(fēng)氣流場進行了三維穩(wěn)態(tài)模擬。通過對不同頂窗配置的溫室內(nèi)氣流場分布情況的比較，對于溫室頂窗配置的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

郭萬東等[12]利用CFD軟件CFX對華南型單棟塑料溫室的表面風(fēng)壓進行了數(shù)值模擬。將模擬結(jié)果與前人所做的風(fēng)洞實驗結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬和風(fēng)洞實驗的風(fēng)壓分布趨勢相近，表明CFD方法能夠定性和定量地預(yù)測溫室表面風(fēng)壓的分布規(guī)律。

Francisco Domingo Molina-Aiz等[13]用CFD數(shù)值模擬方法對Almeria型溫室內(nèi)的自然通風(fēng)的風(fēng)速效應(yīng)進行了分析。用多孔介質(zhì)模擬防蟲網(wǎng)和植物間隙中的空氣流動。結(jié)果表明，實驗值與模擬值的吻合度較高。對只配置側(cè)窗和同時配置有頂窗的Almeria型溫室內(nèi)的溫度及空氣速率分布進行了預(yù)測，證明了配置頂部通風(fēng)口的Almeria型溫室內(nèi)通風(fēng)的必要性，對Almeria型溫室通風(fēng)口的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

2.1.2溫室濕度(水分)控制的CFD研究濕度控制是冬季溫室最重要的問題之一；過高的相對濕度(RH)和植物表面自由水的存在很容易引起真菌性病害的發(fā)展。

Davide Piscia等[14]對四連棟溫室內(nèi)夜間條件下的冷凝過程進行了數(shù)值分析。通過UDF導(dǎo)入了薄膜冷凝模型。用CFD模擬了頂棚溫度對溫室濕度的影響，并用實驗進行了比對。模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比對驗證了CFD模型在預(yù)測溫室氣候變量方面的準(zhǔn)確性。

模擬表明，夜間條件下，頂棚是溫室內(nèi)溫度最低的表面；頂棚溫度和溫室濕度比(RH)存在著很強的關(guān)聯(lián)。這就意味著通過控制頂棚溫度來控制溫室內(nèi)的濕度及冷凝是有可能的。這一CFD冷凝模型可用于溫室濕度控制的設(shè)計策略中，尤其是無供暖設(shè)備的溫室中。

譚勝男等[15]采用CFD方法對Venlo型玻璃溫室在夏天自然通風(fēng)狀況下的噴霧降溫過程進行了數(shù)值模擬。在充分考慮太陽輻射影響和室內(nèi)水蒸氣傳輸過程基礎(chǔ)上，結(jié)合離散相模型，構(gòu)建了求解室內(nèi)系統(tǒng)的3D數(shù)學(xué)模型，并對邊界條件的設(shè)置進行了探討。對Venlo型溫室在噴霧降溫措施下室內(nèi)空氣溫度、濕度的變化以及在整個溫室空間的溫度分布進行了數(shù)值模擬與預(yù)測。結(jié)果顯示溫室內(nèi)測點溫、濕度的模擬值與實測值的平均相對誤差分別為4.9%和5.7%，模擬結(jié)果與測試結(jié)果吻合良好。

Bartzanas等[16]在未使用輻射模型的情況下用UDF來描述植物水和熱交換。用包含有氣孔阻力的方程來模擬植物的顯熱和潛熱交換。模擬值與試驗值間的誤差介于12%～15%。但是Wang等認(rèn)為影響蒸騰作用的主要因素是太陽輻射。另外一些研究者Sapounas等[17]用帶有UDF的植物多孔介質(zhì)模型來模擬作物蒸散。

程秀花等[18]對栽有番茄作物的溫室內(nèi)部的溫濕度進行了數(shù)值模擬，將溫室內(nèi)水分蒸發(fā)與作物蒸騰以體積熱源的方式添加，對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)此模擬的模型處理具有有效性。

Abderzak Kichah等[19]通過實驗驗證了計算流體力學(xué)(CFD)在模擬溫室內(nèi)的溫濕度及植物蒸騰速率等方面的準(zhǔn)確性。在100 m2的溫室隔間內(nèi)，對長凳上的盆栽鳳仙花屬植物進行了實驗觀察。同時對植物及其周圍環(huán)境間的熱能及水汽交換進行了二維模擬。植物子模型將植物作為多孔介質(zhì)并且針對潛熱和顯熱傳遞加入了特定的源相。通過實驗與模擬結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)，CFD模型不僅能夠模擬植物冠層內(nèi)的溫度分布，同時還能模擬一天內(nèi)植物葉面溫度的垂直分布。實驗和模擬的比較表明，CFD模擬在預(yù)測從頂部到底部的植物的葉面溫度上有很好的準(zhǔn)確性，同時對一天內(nèi)植物蒸騰速率的變化趨勢提供了一個好的預(yù)估(r>0.92)。24 h內(nèi)對整體蒸騰速率的測量值和模擬預(yù)測值間的差值<15%。最終證明該模型可通過預(yù)測植物水需求，及時調(diào)整灌溉策略。

2.2溫室傳熱過程的CFD研究

溫室內(nèi)微氣候并不只受對流傳遞的影響，輻射也是很重要的一個影響。但是，在早期的很多應(yīng)用CFD研究中，都沒有同時解決輻射傳遞和對流傳遞的耦合問題。

Fodaros等[20]對日光照射下弧形隧道溫室的氣候進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明輻射對溫室系統(tǒng)的影響是呈動態(tài)變化的。可見溫室內(nèi)的輻射過程相當(dāng)復(fù)雜，故在CFD模擬研究時通常用簡化的方式來處理[21]。對太陽及熱輻射效應(yīng)的處理，多數(shù)情況下都是在物理邊界上設(shè)定具體的壁面溫度[22-23]或熱通量[24-25]來代替直接在計算域的邊界上設(shè)置輻射條件。Kim等[26]建立了一個用于計算單棟溫室內(nèi)表面太陽輻射通量的簡單模型。截至目前，僅有少數(shù)研究包含有求解光強的輻射傳輸方程(RTE)的輻射機理。

雖然Lee等[27]用P1模型來求解RTE。但是，到目前為止，應(yīng)用最廣泛的仍是DO輻射模型。由于DO輻射模型兼具準(zhǔn)確性、計算經(jīng)濟性、靈活性的優(yōu)點，使得模擬半透明壁面輻射成為可能。

Chen等[28]基于低雷諾數(shù)k-ε湍流動能原理，應(yīng)用DO輻射模型來模擬溫室內(nèi)輻射熱傳遞，用多孔介質(zhì)來模擬植物并考慮植物的顯熱和潛熱傳導(dǎo)，建立了一個加熱溫室的CFD模型(圖3)。并開發(fā)了一種新穎的基于CFD和EPM的溫室熱控制策略，這種熱控制策略能夠節(jié)省能量消耗量，并能維持適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)溫度和更好的控制系統(tǒng)性能。最后用實驗證明了以CFD-EPM為基礎(chǔ)的溫室熱控制策略能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測溫度(圖4)，從而最大限度地降低溫室內(nèi)的能量消耗，提高溫室系統(tǒng)性能。

圖3　溫室供暖系統(tǒng)的熱平衡

圖4　溫室內(nèi)空氣溫度的模擬值與實測值的對比圖

譚勝男[29]以Venlo型現(xiàn)代化溫室為研究對象，利用CFD數(shù)值模擬軟件和現(xiàn)場試驗，對溫室內(nèi)微環(huán)境進行了模擬、驗證和預(yù)測。模擬過程中選擇DO輻射模型，用多孔介質(zhì)模型模擬溫室內(nèi)種植的黃瓜作物。將模擬結(jié)果與試驗測試結(jié)果進行對比驗證分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果吻合良好，證明了所建立的CFD模型的有效可行性。

Wang等[30]基于中國中部典型的扇形垂直截面的塑料大棚溫室建立的CFD模型中的微氣候進行了研究。為了模擬棚頂及覆蓋層的對流轉(zhuǎn)移和輻射交流的耦合作用，在原來的CFD模型中加入了輻射模型，代替了通常所用的基于能量守恒的耦合方法。并且在作物冠層建模中獨創(chuàng)性地采用了分形滲透模型。對數(shù)值模擬結(jié)果與測量實驗數(shù)據(jù)的分析比較表明，該模型是成功的。隨后該模型被用于探究溫室內(nèi)微氣候變量分布，表明此類型溫室內(nèi)的氣流形式、溫度、濕度都與鋸齒狀溫室中不同。該研究表明這種新穎的CFD模型可作為溫室設(shè)計及微氣候研究的有效工具。

此外，還有部分學(xué)者將CFD模擬與優(yōu)化控制相結(jié)合來實現(xiàn)對溫室環(huán)境的控制。如李永博等[31]在CFD模擬的基礎(chǔ)上引入均勻性評價指標(biāo)，通過數(shù)值求解得出溫室內(nèi)溫度控制的最優(yōu)化方案，指導(dǎo)溫室內(nèi)溫度的精細(xì)控制。此方法對于溫室內(nèi)其他環(huán)境因子的研究同樣適用。

3結(jié)論

CFD研究對溫室內(nèi)定點信息的預(yù)測更加精細(xì)、詳盡，不僅能預(yù)測即時信息，還能夠預(yù)測未來一段時間內(nèi)溫室環(huán)境因子的分布情況，能夠從機理出發(fā)指導(dǎo)溫室的通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、灌溉、施肥等操作。此外，CFD研究與常規(guī)的實驗研究相比，能大大減少傳感設(shè)備的布控，降低成本。因而CFD研究是實現(xiàn)溫室精細(xì)化控制的強有力工具。

CFD研究在處理有植物生長的溫室時仍具有一定的局限性。目前已有的研究中，大多將植物看作多孔介質(zhì)，植物的蒸騰作用、光合作用、呼吸作用等生理作用通過源相來導(dǎo)入。而源相中關(guān)于植物的作用往往是依據(jù)現(xiàn)有的作物生長模型來處理，如對植物蒸騰作用用Penman-Monteith方程來描述。這就涉及到各種參數(shù)的確定，且對于不同作物或同一作物的不同生長階段，這些參數(shù)均有差別，因此利用CFD對溫室內(nèi)植物冠層的處理有一定的難度。對植物與溫室環(huán)境的作用機制及各種相關(guān)聯(lián)參數(shù)進行進一步的研究，將對溫室生產(chǎn)的精細(xì)化控制產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的意義。

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(責(zé)任編輯：管珊紅)

收稿日期：2016-01-14

基金項目：工信部2012年物聯(lián)網(wǎng)專項資金資助。

作者簡介：張建文(1969—)，男，山西夏縣人，教授，博士，研究方向：流體力學(xué)與傳熱。

中圖分類號：S625

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)07-0126-05

Research Advance in Multiphase Flow Transfer Process of Agricultural Greenhouse System

ZHANG Jian-wen1, HE Ya-ru1, WANG Qing-gui2

(1. Lab of Fluid Flow and Heat Transfer, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China;2. Shannanyalong Green Animal & Plant Limited Company in Tibet, Shannan 856100, China)

Abstract：The author analyzed the characteristics of multiphase flow transfer process of agricultural greenhouse system, expounded several problems in complex multiphase flow and heat transfer inside the greenhouse, further reviewed the current researches on computational fluid dynamics (CFD) of heat and mass transfer process in the greenhouse, summarized the advantages of CFD in the study of multiphase flow and heat-mass transfer in greenhouse system, and discussed the prospects of CFD in the study of greenhouse multiphase flow system.

Key words：Precision agriculture; Greenhouse system; Multiphase fluid flow; Heat and mass transfer; CFD