日光温室内最佳风速指标与CFD模拟

论文摘要

本文针对我国园艺设施最主要的结构类型日光温室进行了自然通风风速分布规律和影响因素进行了研究,探讨了温室内的风速因子对温室性能的影响重要性。在试验测试的基础上,采用CFD （Computational Fluid Dynamics）方法模拟了西北型节能日光温室自然通风过程中室内气流场的变化,并将CFD模拟的预测值与实际观测值进行了比较和分析,CFD模拟较好的体现了日光温室自然通风情况下室内气流场的变化规律。在以上研究的基础上,进一步研究了日光温室厚皮甜瓜生长发育最佳风速指标,从形态指标和生理指标等方面确定了在日光温室内厚皮甜瓜生长发育最适宜的风速范围。通过研究得到以下结论:1.通过10个观测点对西北型节能日光温室内的风速分布规律和室外风速与通风面积对室内风速的影响进行了观测与研究,结果表明西北型节能日光温室中的风速日变化晴天呈双峰曲线,阴天呈单峰曲线。日光温室内的气流运动速率在水平方向的分布规律为:东西方向变化不大,南北方向呈“V”字型分布。2.温室内风速折减率随高度的增加而增加;在不同的通风面积比情况下,最佳通风效果的通风面积比在18%25%之间。在25.2%的通风面积下,室内气流运动速率与室外风速存在较强的线性关系,在节能日光温室内,室内气流运动速率随室外风速的增大而增大,随室外风速的减小而减小。3.通风面积比从12.7%上升到25.2%时,室内温升先迅速降低,后缓慢降低,温室内的平均温升从2.36℃降到1.34℃,其中在通风面积比为18.8%25.2%时温升下降缓慢。说明日光温室通风效果最佳的通风面积比为18%25%。4.经过对日光温室内的光照强度、空气温度、室内风速、土壤温度和空气相对湿度五个因子进行因子分析,其结果显示,主因子数是4个,这四个因子所包含的信息量占总体信息量的96.77%,在进一步经过方差极大旋转,得到因子载荷矩阵方差为0.56817,其中第一主因子主要由X（2） （空气温度）和X（4）（土壤温度）决定,第二个主因子主要由X（1）（光照强度）决定,第三个主因子主要由X（3）（室内风速）决定,第四个主因子主要由X（5）（空气相对湿度）决定。这四个因子的信息量贡献率分别是35.48%,20.96%,20.29%和20.04%。因此说明,日光温室内的风速是影响温室小环境性能的主要环境因子之一。5.采用CFD理论模型对西北型节能日光温室自然通风过程室内风速分布情况进行了数值模拟,预测了自然通风的西北型日光温室的内部流场分布情况。数值模拟结果表明:使用标准的k-ε湍流模型对自然通风的西北型日光温室的CFD模拟结果与实验测试结果吻合得较好,证明了选用的CFD软件对自然通风的西北型日光温室进行CFD模拟研究的可行性。在同样条件下,12.7%和25.2%两种通风面积比方案的CFD模拟,室内风速预测值与实验测试值的平均差值分别为-0.00239m/s和0.079441m/s,平均偏差为实验测试结果的1.26%和18.30%,CFD数值模拟结果与实验测试的结果基本一致。6.通过对实验温室的CFD模拟,得到了温室内部流场的详细信息。温室的三个通风口附近风速较大,并以顶通风窗口的风速最大。风速从三个通风口向温室的内部呈球形放射状向外递减,变化较为剧烈;在温室内的中间下部风速较大,且较为均匀,上部风速较小,且随着高度的增加风速逐渐减弱;后墙通风口的设置对改善节能日光温室的通风效果并不明显,并且在后墙通风口的上下两侧形成了两个明显的低速涡流区域。7.试验研究了温室内0.0 m·s-1（CK）、0.4 m·s-1(A-1)、1.0 m·s-1（A-2）、2.2 m·s-1（A-3）的气流运动速度对厚皮甜瓜开花坐果期生长发育和生理效应的影响。结果表明:处理（A-2）较对照单叶叶面积增加21.68%、叶面积指数增加63.06%、气孔导度增加120.32%、蒸腾速率和光合速率均大幅增加,成熟时间提早2d、总糖含量增加11.07%、产量提高24.43%;同时,成熟果实的可溶性固形物含量和蛋白质含量随着风速的增加而增大,处理A-3分别比CK增大13.88%和3.6%;还原糖含量随风速的增加而递减,CK比处理A-3高10.53%;果肉厚度和果实Vc含量差异不显著。说明温室内的气流运动速率对厚皮甜瓜的生长发育和产量品质有显著影响,并以1.0 m·s-1的气流运动速率效果最好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 本课题的提出
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.2.1 研究的目的
• 1.2.2 研究的意义
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 日光温室通风研究概况
• 1.3.2 风速与作物生长发育关系研究概况
• 1.3.3 温室通风的CFD 模拟研究进展
• 1.4 本研究的主要内容和预期目标
• 1.4.1 研究的主要内容
• 1.4.2 研究的目标
• 1.5 采取的研究方法和技术路线
• 1.5.1 研究方法
• 1.5.2 技术路线
• 第二章 日光温室内风速分布规律研究及影响因子分析
• 2.1 引言
• 2.1.1 温室内气流运动的基本原理
• 2.1.2 通风量的试验测试方法
• 2.1.3 国内温室风速研究进展
• 2.2 试验材料与方法
• 2.2.1 试验温室
• 2.2.2 试验方法
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 日光温室内风速的日变化规律
• 2.3.2 日光温室内风速水平分布
• 2.3.3 室外风速对日光温室内风速的影响
• 2.3.4 通风面积对温室内风速的影响
• 2.3.5 温室内外温度差对温室内风速的影响
• 2.4 讨论
• 2.4.1 日光温室内风速的日变化和分布规律
• 2.4.2 室外风速对室内风速的影响
• 2.4.3 温室内外温度差对温室内风速的影响
• 2.4.4 通风面积对温室内风速的影响
• 2.5 结论
• 第三章 温室内风速因子与温室环境性能的关系
• 3.1 引言
• 3.1.1 温室环境与作物生育
• 3.1.2 日光温室内环境研究概况
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 供试温室
• 3.2.2 测试方法
• 3.2.3 测定指标与分析方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 建立因子模型
• 3.3.2 因子旋转
• 3.4 讨论与结论
• 第四章 西北型日光温室内环境的CFD 模拟研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 CFD 软件简介
• 4.1.2 国内外温室自然通风的CFD 研究现状
• 4.1.3 国内外温室机械通风的CFD 研究现状
• 4.1.4 发展方向
• 4.2 温室自然通风的测试手段
• 4.2.1 示踪气体测试（Tracer Gas Measuring）
• 4.2.2 压力测试（Pressure Measuring）
• 4.2.3 风速测试（Wind Speed Measuring）
• 4.2.4 风洞测试（Wind Tunnel Measuring）
• 4.2.5 水洞测试（Water Tunnel Measuring）
• 4.3 温室自然通风的研究方法
• 4.3.1 经验回归法（Regression Modeling Method）
• 4.3.2 Bernoulli 方程法（Bernoulli Equation Method）
• 4.3.3 质量（水蒸汽气）平衡法（Vapour Balance Method）
• 4.3.4 能量平衡法（Energy Balance Method）
• 4.3.5 CFD 方法（ComputationalFluidDynamicsMethod）
• 4.4 西北型节能日光温室的CFD 建模
• 4.4.1 控制方程
• 4.4.2 模拟方案的确定
• 4.4.3 网格生成
• 4.4.4 边界条件
• 4.4.5 数值模拟方法
• 4.5 计算结果和数据分析
• 4.5.1 温室内风速的的模拟计算结果
• 4.5.2 温室内风速纵剖面分布情况
• 4.5.3 温室内不同高度水平风速分布情况
• 4.6 气流场CFD 模拟的验证
• 4.7 结论
• 第五章 温室内风速对作物生长发育的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 方法
• 5.2.3 测定指标及测定方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 风速对甜瓜单叶叶面积和叶面积指数的影响
• 2 浓度的影响'>5.3.2 风速对叶片叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO₂浓度的影响
• 5.3.3 室内不同风速对甜瓜熟性、产量和品质的影响
• 5.4 讨论
• 5.5 结论
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 对今后研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介