基于計算流體力學(xué)的溫室數(shù)值模擬分析

王應(yīng)毅 張 續(xù) 鄧 鑫 BingXin Wu

（浙江榮亞工貿(mào)有限公司，浙江 金華321000）

溫室是在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上，運用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、信息技術(shù)、航天技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、海洋技術(shù)等高新技術(shù)來武裝農(nóng)業(yè)、改造農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系。它具有高投入、高風(fēng)險、高效益等特點，目的是為了促進生態(tài)農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]。計算流體動力學(xué)（CFD）是一種成功的數(shù)值計算方法在溫室試驗中應(yīng)用并驗證許多模型，盡管近十年來計算機技術(shù)的進步使得典型溫室的CFD 模型更加可靠(由于三維幾何結(jié)構(gòu))[2]。本文的目的是探討不同風(fēng)速、風(fēng)扇通風(fēng)口和通風(fēng)結(jié)構(gòu)對工廠通風(fēng)的影響，以通風(fēng)裝置為基礎(chǔ)。利用正交試驗優(yōu)化方法對CFD 模擬結(jié)果進行分析，比較室內(nèi)多個位置的流場指標，為通風(fēng)設(shè)施提供參考[3]。

1 溫室三維建模

溫室建立于浙江省永康市浙江榮亞工貿(mào)有限公司，實驗?zāi)Ｐ蜑?.2×5.1×3.1 m。四周墻體采用聚碳酸酯板。在墻的兩側(cè)與屋頂設(shè)計了12 個風(fēng)機。房間內(nèi)設(shè)置8 個種植架，第一層高度為30 cm，另一層高度為60 cm。晚上光照強度弱，對栽培架每層配備2 臺植物補光燈，可模擬自然光，為植物提供光合作用[4]。在SolidWorks 中工廠模型的建立如圖1 所示。

圖1 溫室三維圖

為了得到最佳的通風(fēng)氣流方式，采用正交實驗設(shè)計對智能化溫室通風(fēng)氣流均勻性進行仿真，表1 給出了L9(33)因子設(shè)計的矩陣，該設(shè)計需要考慮三個主要影響因素:風(fēng)速(因子A)、風(fēng)機通風(fēng)口(因子B)和通風(fēng)結(jié)構(gòu)(因子C)，假設(shè)任意兩個因素不相互影響。

表1 正交實驗設(shè)計表

采用CFD 軟件（FLUENT 16.1）進行模擬計算。將溫室內(nèi)的送、回風(fēng)過程看做三維、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的湍流流動過程；湍流模型選用standard k－ε 模型；為了提高通風(fēng)效率，確定最佳的通風(fēng)方式，我們在建立模型中設(shè)立12 個點作為參考數(shù)據(jù)。垂直氣流比水平氣流更能有效地抑制葉尖燒傷的發(fā)生[7]，所以我們選取Z 方向的氣流速度作為監(jiān)測值。以12 個點Z 方向的風(fēng)速作為評價指標，然后采用信息熵賦權(quán)法進行賦值計算綜合分數(shù)。

表2 正交實驗表結(jié)果

為了更加直觀分析每個不同因子水平對試驗指標的影響程度，如圖2 所示，以正交試驗因子的三個水平數(shù)值量為橫坐標，以Z 方向風(fēng)速大小為縱坐標，建立正交試驗因子與試驗指標之間的坐標系。其中標注橫坐標的A1、A2、A3 表示為風(fēng)速的三個水平，B1、B2、B3 表示為通風(fēng)口大小的三個水平，C1、C2、C3 表示為通風(fēng)機構(gòu)的三個水平。

圖2 各因子對垂直風(fēng)速影響

由表正交實驗極差分析可知，實驗范圍內(nèi)各因素對垂直方向風(fēng)速的影響次序為：（主）A＞C＞B（次），即風(fēng)速＞通風(fēng)結(jié)構(gòu)＞通風(fēng)口。最佳實驗組組合為A3B2C2，風(fēng)速5m/s，通風(fēng)口260mm,通風(fēng)結(jié)構(gòu)為側(cè)進上出。

2 仿真結(jié)果分析

為研究最佳通風(fēng)方式垂直方向風(fēng)速分布情況，選取平面X=1.8m,3.6m,5.4m 截面速度矢量圖如圖3 所示，由于栽培架對空氣流動的影響，中間空氣流動較大。在X=3.6m 時，中間在無栽培架阻力作用下兩側(cè)空氣流動明顯，下方風(fēng)速較大。對比3個面矢量圖發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)風(fēng)速非常的小不適合作物的生長。

3 結(jié)論

在本研究中，為了解決試驗周期長等難題，利用正交試驗設(shè)計對最佳通風(fēng)方式進行分析，通過極差分析比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)當風(fēng)速5m/s，通風(fēng)口260mm,通風(fēng)結(jié)構(gòu)為側(cè)進上出時，通風(fēng)效果最為明顯，為以后探究溫室濕熱環(huán)境分布具有指導(dǎo)意義。

圖3 X=1.8m,3.6m,5.4m 截面速度矢量圖