Venlo型温室室内环境数值模拟研究进展

摘要 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）在温室室内环境研究领域的运用越来越普遍。近年来，国内外研究者对Venlo型温室的数值模拟研究做了很全面的工作。总结了前人在网格划分、模型维度及求解模型选取方面的经验，重点阐述了国内外学者对Venlo型温室室内环境数值模拟研究的成果及现状，并讨论了未来温室室内环境CFD模拟研究的方向。

关键词 Venlo型温室；计算流体力学；室内环境；数值模拟

中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）23-0197-02

Research Advances on Numerical Simulation of Venlo-type Greenhouse Indoor Environment

QIU Shi-rong YAN En-cheng

（College of Water Conservancy and Civil Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou Guangdong 510642）

Abstract The application of computational fluid dynamics（CFD）in the research of greenhouse micro-climate is becoming ever more popular.Over the years，researchers did enough studies on the numerical simulation of Venlo-type greenhouse.This paper summarized the previous experience on the meshing，the choices of model dimension and solving model.In addition，a comprehensive review on the current state in research of numerical simulation of Venlo-type greenhouse indoor environment was provided，and the issues in the future studies were prospected.

Key words Venlo-type greenhouse；CFD；indoor environment；numerical simulation

近年来，随着自然种植环境条件不断恶化，极端天气越来越频繁，而人们对蔬菜及各种园艺产品（如花卉）的需求却愈来愈大，使得集约化的温室生产成为必要。温室的高效生产有赖于温室内理想的小气候环境，包括如温度、湿度及适合气流等，而这些因子受温室的通风系统影响很大。因此，通过对通风系统的优化设计，提高室内环境因子分布的一致性，是温室高效生产的有效措施。传统研究温室室内环境的方法有现场实测、比例模型风洞试验和粒子成像技术（PIV）试验等。这些方法对试验条件要求高，耗时，费力，且对于比例模型风洞试验，不合适的相似准则容易导致结果可信度降低，并不适合普遍性运用。

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD），通过计算机模拟计算和图像显示，可以定性分析和定量描述流体流动的物理特性。近年来，在农业设施领域，利用CFD技术模拟室内的小气候环境，取得了突破性地进展，被业内学者认为是一个可以胜任的研究工具[1]。通过利用CFD模拟现实温室内气流的运动过程，可以掌握室内流场和温度场的分布情况，进而可以对室内温控设备和通风系统进行合理地布置调整，同时也为温室外形结构的选型提供理论依据。CFD技术包括前处理（建立模型和网格划分）、求解（包括湍流模型选择、边界条件设置及控制方程离散计算等）及结果后处理。利用CFD研究温室室内环境的一般思路是，对比CFD模拟结果与试验测试数据，验证模拟的准确性，在验证模型基础上，对不同工况进行模拟比较，以期得到更优的温室通风结构[2]。

1 CFD前处理

前处理包括建模和模型网格划分，是CFD模拟的基础，也是整个模拟过程最耗时的部分。早期，由于受计算机计算能力的限制，建模基本采用二维或三维比例模型。如Mistriotis et al[3]建立二维模型对采用自然通风的地中海型温室内流场和温度场进行了模拟。随着计算机软硬件的提高，目前温室室内环境数值模拟，基本采用三维等比例模型。笔者认为，在建模过程中，应该根据实际条件、研究问题及结果精度的要求选择合适的维度与尺寸。对于模拟室内环境问题，认为最好采用三维模型，能很好地再现整个室内场分布。而模拟温室群时，采用比例模型也是必要的，如穆大伟等[4]采用1∶5比例模型模拟了圆拱型连栋温室群自然通风流场，可以减少计算量。网格划分是数值模拟中的重要一环，模型网格质量的好坏对结果影响很大。李永博等[5]定量分析了网格尺寸对温室CFD模拟结果的影响，综合考虑耗时及模拟精度，认为单元网格尺寸为0.3 m时较合适。

2 计算模型选择

2.1 湍流模型

实际流体流动分为层流和湍流2种状态。在研究室内环境流场问题时，通常采用瑞利数Ra作为湍流与层流的判断标准。当Ra>1010时，可以判定为湍流。文献资料表明，自然对流情况下温室内流场瑞利数Ra为109～1011，而强迫对流时，其值更大[6]。因此，研究温室内环境问题时，应该选用湍流模型进行模拟。

湍流模型的种类很多，但通过前人的研究成果发现，大多选择κ-ε模型，少数采用RSM模型。其中κ-ε模型（Fluent）分为标准κ-ε模型、重整化κ-ε模型和可实现κ-ε模型等，标准κ-ε模型使用最为广泛。然而在预测强分离流和压力梯度流动时，标准κ-ε模型预测结果较弱，相反后两者精度会有所提高，但计算时间长[7]。对于不同模型的模拟精度，Mistriotis et al[3]运用PHOENICS求解器，分别采用标准κ-ε模型、双尺度RNGκ-ε模型和CK模型模拟自然通风下单栋人字坡温室（1989年Okushima模拟失败）室内流场，结果发现标准κ-ε模型模拟结果差，而后两者模拟结果能够很好地与风洞试验相吻合。随后，Mistriotis采用CK模型对自然通风两跨地中海型温室进行模拟，模拟结果与Boulard实测数据吻合很好，再次验证了CK模型的高模拟精度。

可用的湍流模型很多，但还没有适用于各种流动现象的湍流模型。每种湍流模型预测精度非常依赖于湍流条件和几何模型。因此，在湍流模型的选择方面，需要考虑到流动包含的物理问题、精确性要求、计算资源及模拟求解时间的限制。

2.2 壁面函数

一般的湍流模型，如κ-ε模型、RSM模型、LES模型，都仅适用于湍流充分发展区域，对于近壁面低雷诺数Re区域不能很好地解决。对此，一般采用标准壁面函数或增强壁面函数法来处理壁面附近区域[8]。相比而言，后者要求更密的近壁面网格，计算处理时间长，且不容易收敛，因此目前大多数学者趋于选择标准壁面函数。

采用标准壁面函数法处理近壁面区域，在收敛时间及简化问题方面有些优势，但碰到存在较强压力梯度等问题时，运用此法容易忽略一些重要区域信息，如维护壁面附近物理参数分布。因此，笔者认为，在模型不是很复杂、尺寸不大的情况下，可以适当采用增强壁面函数法，这对于提高计算精度、捕捉一些关键位置信息很有作用。

2.3 边界条件的设置

合理设置边界条件是CFD能够准确模拟的关键。CFD软件（如Fluent）中有很多边界条件类型可供选择，常用的有速度进口、压强进口、自由出流、压强出口等外部面边界条件。对于温室室内环境数值模拟问题，需要设置边界条件的部位有温室进、出风口，维护壁面，地面，室内外遮阳系统，喷淋系统及植物层。

（1）进、出风口。模拟自然通风工况时，一般将进风口设置为速度进口边界，出风口则设为自由出流边界。对于机械通风，陈晓[9]将湿帘进气口设为压强进口，风机侧设为速度出口，而李本卿[10]则将进气口定义为速度进口，出口速度由求解器自行算出。另外，对于进出风口处设有防虫网的情况，将防虫网设为一维多孔介质边界[6]。

（2）温室维护壁面。温室维护壁面主要以传导、对流和辐射方式与温室内外空气进行能量交换。可以通过设定维护壁面材料属性，并将维护壁面与两侧空气传热方式设置为耦合传热形式来处理[11]。但也有将温室维护结构表面及土壤表面设为具有漫射特性的灰体对待[12]。

（3）室内外遮阳与喷淋系统。由于CFD模拟软件中没有与遮阳和喷淋系统相似的模型，因此如何合理处理遮阳与喷淋系统边界成了温室室内环境模拟的难题。李永欣等[11]将遮阳网遮光率对太阳辐射能量源项进行折减来处理遮阳网边界，而喷淋系统边界，则将喷淋区域空气温度的实测值以离散形式输入，结果表明，这种处理方式是可行的。

（4）室内植物。室内植物的蒸腾和光合作用对植物层附近区域温度场和流场都影响较大，因此对室内环境进行模拟时，一般分为无植物和有植物2种情况。对于植物层边界，大多数学者以多孔介质边界条件处理。

3 Venlo型温室数值模拟研究

从1989年Okushima et al[13]首次将数值模拟技术运用于温室室内环境研究以来，国内外研究者先后对各种类型温室进行模拟研究，图1统计了近15年相关领域文章发表情况。从图1中可以看出，前人对Venlo型温室的研究工作较其他类型温室要多。

Venlo型温室室内环境调节的主要方式有自然通风和机械通风，还有辅助措施如遮阳、喷淋等。在自然通风工况下，室外风速、风向及通风窗口的大小和位置会影响室内温度场和流场分布。而对于机械通风，风机湿帘的安装高度、距离及相对湿度是影响室内场分布的主要因素。前人对这些工况条件下Venlo型温室室内环境因子分布都有过分析研究，表1总结了近10年来的研究成果[14-20]。

另外，也有学者[21-24]对冬季采暖工况下Venlo温室室内环境进行模拟。其中，盛军强[21]、吴飞青[23]在验证CFD模型的基础上，分别对不同出风形式热风采暖管道进行模拟，并提出了各自的优化方案。而朱惠斌等[24]采用ANSYS 中Fluid141单元模拟热风加温Venlo型温室温度场，模拟结果能够较好地反映实际室内温度场分布。

4 展望

CFD技术逐渐成为研究温室室内环境的主流方式，主要是由于其具有方便、省时、成本低和适用范围广等优点。从上述前人研究成果可以发现，国内外学者对Venlo型温室室内环境的数值模拟研究比较全面，对不同工况及具体的通风方案有较充分的研究。但对以下方面还应做更加深入系统的研究：一是在选择湍流模型时，国内研究者基本都选择标准κ-ε湍流模型和标准壁面函数，缺乏对不同湍流模型模拟精度做对比分析；二是验证CFD模拟模型的误差可信度范围没有得到统一认识，这对于科学合理的运用CFD技术非常关键；三是还应补充如水培种植、热水管采暖等工况下Venlo型温室的模拟研究；四是应该加强其他用途型Venlo温室的研究，如植物检疫隔离温室（设有小隔间），采用风机换气和空调降温方式，类似工况数值模拟研究很少报道。随着CFD技术的不断成熟，以及其模拟室内环境准确性的提高，CFD模拟技术将逐渐被用于工程生产领域，定会给温室设计提供很多帮助。

5 参考文献

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