现代化温室温度场数字化模拟研究

论文摘要

现代化温室因其高产高质的特点已成为我国设施农业发展的重要方向,发展迅速。但由于温室环境控制技术的复杂性,造成我国温室生产在产量及品质与发达国家存在很大差距。随着计算机技术的提高,采用CFD方法研究温室环境分布及环境控制效果评估已成为有效的手段,我国CFD研究仍处于起始阶段,因此积极开展将CFD方法应用于温室内部环境模拟的理论研究意义重大。本文以张家港WSBRZ自控型玻璃温室为研究对象,利用数值模拟工具CFD对温度场进行了模拟,并结合试验数据的综合分析,探讨温室温度场的分布规律和CFD方法的可行性。本文的主要研究内容及成果如下：（1）针对传统温室环境监测系统成本大、布线复杂等缺点,应用ZigBee技术设计一套无线传感网络温室环境监测系统。系统由无线采集节点网络和监测管理中心组成,无线采集节点网络由网关节点、路由节点和终端节点采用串状网络拓扑结构组建各网络节点通过软件自动唤醒实现温室温湿度环境数据的自动采集,经多跳路由或（?）接发送到网关,管理中心通过串口通讯读取网络节点采集的数据。试验表明,该系统工作能耗低,工作时能耗22.4 mA,休眠时能耗0.9 uA,性能稳定,数据包接收成功率高达95.4%,满足温室温湿度环境监测需求。并应用该系统对现代化温室气候环境参数进行了测量试验。（2）理论研究了温室环境传热传质机理模型以及温室CFD模拟数学模型,详细分析温室覆盖层、室内空气层及作物层以及地表层的热量平衡,并建立了用于温室CFD模拟中作物多孔介质区作物层温度求解模型,为CFD模拟作物模型建立提供强有力的基础。结果表明,作物层温度模拟值与实测值比较吻合,其决定系数为R2为0.9301。（3）选取现代化温室室内区域和室外区域作为CFD模拟的计算域,建立温室同等大小的三维模拟,利用计算机流体力学（CFD）软件,采用标准k-ε湍流模型,并对近壁区作了合理处理,选择合适的辐射模型,番茄作物区采用多孔介质模型,选取实际测量数据作为模拟边界条件,对温室内部温度场进行了数值模拟。对模拟结果与试验测试结果进行对比验证,温室内部空气温度的模拟值与实测值的绝对误差为0.2℃～2.2℃,平均误差为0.91℃,平均相对误差为3.1%,最大相对误差为7.7%。温室内部空气相对湿度的模拟值与实测值的绝对误差为0.2%～11.1%,平均误差为4.35%,平均相对误差为6.4%,最大相对误差为16.6%。数值模拟结果与实验测试结果吻合得很好,证明了CFD模型的可行性。用所建立的模型分析温室内部温度场分布情况,结果表明：温室内部作物区温度较低,相对湿度高,且温度分层明显,作物以上部分温度较高,相对湿度低,但变化平缓,作物冠层平面南北温差大,最大相差5.3℃,西面温度略高于东面温度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 设施农业发展概况
• 1.2.1 国外设施农业概况
• 1.2.2 我国现代化温室发展现状及问题
• 1.3 国内外温室CFD模拟研究现状
• 1.3.1 国外温室CFD模拟的发展与现状
• 1.3.2 我国温室CFD模拟的发展现状及面临的挑战
• 1.4 研究内容与整体方案
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 课题整体方案
• 1.5 本章小结
• 第二章 温室理论模型和数值模拟数学模型
• 2.1 温室内部空气的质量守恒方程
• 2.2 温室的能量守恒方程
• 2.2.1 温室覆盖层的能量守恒
• 2.2.2 温室作物层的能量守恒
• 2.2.3 温室地表能量守恒
• 2.3 温室CFD模拟数学模型
• 2.3.1 基本控制方程
• 2.3.2 湍流模型
• 2.3.3 辐射模型
• 2.3.4 作物模型
• 2.3.5 组分模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 温室环境数据测定试验设计
• 3.1 试验温室概况
• 3.2 测试内容及方法
• 3.2.1 室外气象参数
• 3.2.2 室内温湿度
• 3.2.3 覆盖材料、土壤和叶片温度
• 3.3 室内温湿度ZigBee无线采集系统设计
• 3.3.1 系统硬件设计
• 3.3.2 系统软件设计
• 3.3.3 系统性能测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 试验结果分析与作物层温度模拟
• 4.1 试验结果分析
• 4.1.1 室外气候特征分析
• 4.1.2 温室内部纵向温湿度变化情况
• 4.1.3 温室内部水平面温湿度变化情况
• 4.2 作物层温度模拟研究
• 4.2.1 作物层温度建模及求解
• 4.2.2 模拟结果验证与分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 现代化温室温度场CFD数值模拟
• 5.1 计算域选择及网格划分
• 5.2 边界条件设置
• 5.2.1 温室通风口初始风速的边界条件
• 5.2.2 温室壁面边界条件
• 5.2.3 番茄作物边界条件
• 5.3 CFD模拟求解策略
• 5.3.1 微分方程的离散
• 5.3.2 微分方程的求解及控制参数设定
• 5.4 模拟结果验证
• 5.5 温室CFD数值模拟结果分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读研究生期间发表的论文