温室环境中速度场的计算流体力学仿真

本科生毕业论文（设计）
题目: 温室环境中速度场的计算流体力学仿真
姓名:
学院: 工学院
专业: 自动化
班级:
学号:
指导教师: 职称:
2012 年5 月10日
南京农业大学教务处制
目录
摘要 (1)
关键词 (1)
Abstract. (1)
Key words (1)
1 引言 (1)
1.1 研究的意义 (1)
1.2 温室CFD模拟发展概况 (2)
1.3 国内外温室CFD模拟的研究现状 (5)
1.4 CFD软件简介 (5)
1.5 研究的主要内容 (6)
2 Venlo型温室概述 (7)
2.1 温室框架结构 (7)
2.2 遮阳和保温系统 (7)
2.3 计算机自动控制系统 (7)
3 温室的数学模型 (8)
3.1 微分方程的离散 (8)
3.2 微分方程的求解 (8)
4 Venlo温室自然通风的CFD数值模拟 (10)
4.1 计算区域的选择和网格的划分 (10)
4.2 边界条件的处理 (11)
5 温室内速度场模拟的计算结果 (12)
5.1 温室内速度场纵剖面分布情况 (13)
5.2 温室内不同高度水平风速分布情况 (14)
6 总结 (17)
致谢 (19)
参考文献 (20)
温室环境中速度场的计算流体力学仿真
自动化专业学生
指导教师
摘要:近年来，随着计算机技术的发展和性能的改善，计算流体力学(CFD)作为一种成熟的工程设计工具，正越来越多的应用于农业建筑工程中。

本文基于计算流体动力学数值方法, 以无作物的Venlo 型玻璃温室为研究对象，建立与温室同等大小的三维模型，采用标准k-ε湍流模型，选择合适的辐射模型，对温室内部自然通风时的速度场进行了数值模拟，分析了模拟结果，并针对温室的通风环境的改进提出了建议。

关键词: CFD技术，温室环境，自然通风
Abstract:In recent years, with the improvement of computer performance and technology, CFD is now a mature engineering design tool and is increasingly being utilized in various horticultural and agricultural studies .This paper based on computational fluid dynamics numerical methods ,the research object is venlo greenhouse without crops .We establish a 3D mode as same as the true greenhouse, and we adopt standard k－εturbulent mode, choose the appropriate radiation model .Finally we got a numerical simulation speed field when the greenhouse in natural ventilation, analyses the result of simulation, and put forward some suggestions to the improve the greenhouse ventilation.
Key words: Computational fluid dynamics, Greenhouse environment, Natural ventilation
1 引言
计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)是依据流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)，利用计算机求解流体流动的偏微分方程组，进行数值传热等计算，并运用于定性分析和定量描述流体流动的物理现象。

近年来，随着CFD 物理模型和计算方法的不断完善和改进，以及计算机运算速度的不断提高，许多成熟的商业化CFD 计算软件得到不断推广。

近年来，CFD被广泛应用于温室室内环境的数值模拟中，能够较准确地模拟温室室内速度场、温度场和湿度等环境状态，为温室的优化和设计实现提供了很好途径。

研究温室传统的方法是通过温室模型实验。

设计人员可以通过这种方法得到所需要的各种数据，但实验周期长且实验费用昂贵，对于不同的条件，可能还需要多个实验，周期长达数月以上，难于在工程设计中广泛使用；另一种方法是物理模型模拟的方法，把温室内的空气作为总体来建立质量和能量守恒方程，忽略温室内区域间压差和流动的关系来研究温室内的温度分布以及流动情况，因此模拟得到的结果实际上只是温室内环境的集总结果。

温室系统是一个复杂的物理和生物系统，包含许多非线性动态过程(如动态传热过程、作物光合作用和蒸腾作用等过程)。

温室的特点决定了研究温室内环境的困难性，而目前的方法不能从根本上解决问题。

因此，在温室环境建模。

中引入计算流体力学(CFD)方法，可用计算机来模拟温室内的温度场与速度场等。

1.1 研究的意义
设施农业是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约高效可持续发展的现代超前农业生产方式。

设施农业同传统农业的区别主要在于能够为农产品生产提供可以人为进行控制和调节的环境条件，使植物处于最佳的生长状态，使光、热、土地等资源得到最充分的利用，形成农产品的工业化生产和周年生产，从而更加有效地保证
农产品的供应、提高农产品质量、生产规模和经济效益，促进农业现代化。

设施农业是现代农业发展的必然趋势和发展方向，是传统农业产业升级的基础，是实现传统农业向现代农业转换的必由之路。

我国是全世界设施园艺面积最大的国家，约占世界设施栽培总面积的85%。

总面积比1980年增长约350 倍，其中塑料大棚180万多公顷，日光温室70万多公顷，现代化温室1.2万公顷[1]。

人均拥有设施面积达19.4平方米，设施生产的蔬菜人均占有量已突破 80kg，比1980年增长近400倍。

在我国温室栽培时设施农业的重要组成部分，节能日光型温室是一项高投入、高产出、高效益、高技术，并具有一定风险的工程。

由农业部联合有关部门试验推广节能型日光温室，每年每亩可节约燃煤约20吨。

正因为日光温室的节能与环保作用，得到了国际社会的广泛肯定。

我国节能日光温室生产自20 世纪90 年代以来，发展十分迅猛，对解决全国冬春蔬菜淡季，丰富城乡人民的菜篮子，增加农民收入，促进农业农村经济发展，做出了重大贡献。

日光温室生产管理过程中最主要的问题是环境调控能力差，一方面是日光温室结构简单，环境控制能力低；另一方面是日光温室环境调控上经验值和经验的方法较多，因此，日光温室的环境调控只能停留在以经验为主的人工控制阶段，不能进行精确的自动化控制。

然而，良好的温室结构如果不能通过科学合理的应用，也不能最大限度地发挥温室的最佳性能。

在温室的管理过程中，通风换气对温室环境的调节具有非常重要的作用。

首先，日光温室通风可以降低室内温度、排除余湿、排除有害气体、补充二氧化碳；其次，空气循环能使温室内温度和湿度的分布更加均匀，消除室内的冷点、热点和稠密叶面区的高湿点，调节植物叶面微环境、降低叶片温度、减少叶片水分凝结、避免在高湿点产生病害；第三，通过通风换气，还可以使温室内的气体进行流动，进而减小植物叶片蒸腾作用的扩散阻力，提高气体交换的速率；最后，气流运动是作物叶片来回摆动，可以提高整个作物群体的采光性能，提高产量。

在日光温室的实践管理过程中，通过恰当合理的通风技术手段，在同样的条件下获得更大成功的例子屡见不鲜[2]。

在温室生产中，通风是决定内部气候的重要因素之一。

在炎热的夏季，利用通风来交换温室内外的空气从而转移室内热量并降低过高的室内温、湿度。

即便是在冬季，温室也需要通风来降低经过长时间封闭后内部过高的湿度。

另外，对某些作物还需要通风来补充温室中的二氧化碳。

温室通风促进了室内外环境之间的质热交换。

常用的通风方式有自然通风和强制通风,前者是通过打开天窗或侧窗依靠风压或热压作用进行通风,由于其维护方便、不需消耗额外的能源,已成为温室环境调控的首选方式[3]。

不同通风方式下温室内气流模式和温湿度分布不尽相同,而室内微环境分布的均匀性对作物的生长发育有重要影响,因此,研究温室自然通风对室内环境的影响十分必要
计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)是依据流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)，利用计算机求解流体流动的偏微分方程组，进行数值传热等计算，并运用于定性分析和定量描述流体流动的物理现象。

近年来，随着CFD 物理模型和计算方法的不断完善和改进，以及计算机运算速度的不断提高，许多成熟的商业化CFD 计算软件得到不断推广。

近年来，CFD被广泛应用于温室室内环境的数值模拟中，能够较准确地模拟温室室内速度场、温度场和湿度等环境状态，为温室的优化和设计实现提供了很好途径。

1.2 温室CFD模拟发展概况
CFD(计算流体力学)作为一种模拟仿真工具经历了发展阶段现己成为一个功能强大的设计工具。

它广泛地应用于研究各种传递过程包括流体流动，传热和传质等。

CFD模拟一般的输出结果包括流体的速度和方向、压力、温度和浓度在空间和时间上的分布。

CFD最先是在化学，汽车，航空宇宙和核工业等领域中建立起来的，在近几年来，一种全新的CFD技术用于园艺领域的研究，在园艺领域CFD被用来模拟温室室内的气候环境。

然后利用这些模型来研究温室室内环境对外部环境和控制的响应。

目前有关温室领域CFD模拟的研究论文都是用商业CFD软件包或基于相同的理论和数学方法的程序在稳态下进行的。

自从1981年英国CHAM 公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件 PHOENICS 以来，迅速在国际软件产业中形成了通称为 CFD 软件产业市场。

到今天，全世界至少已有50余种这样的流动与传热问题的商业软件，在促进 CFD 技术应用于工业实际中起到很大的作用。

其中的软件如 CFX(computationalFluid Dynamics Services, Harwell, UK)， Fluent (Fluent Europe Ltd. Sheffield, UK), CFD2000/Stom (Adative Research Cooperation, Huntsille, USA), PHOENICS (CHAM Ltd., London, UK) and STAR-CD (computational Dynamics, London, UK) 等提供了模拟不同类型的传递过程的各种可能性。

上面5 种软件国内的有关高等院校和研究所均已引进。

根据模拟的复杂性（如参数的个数和流体的种类）和网格的尺寸，所有的程序提供相似的工具来模拟温室内的气候而且可在个人电脑和多处理器电脑上运行。

目前各种软件的最新版本不断推出，功能越来越接近，功能也越来越全面。

影响温室环境的主要因素有通风率、湿度、温度和二氧化碳浓度。

这些参数对室内气候和生产的影响主要来自于少量的实验。

大部分小型的温室，单独的隔离间和比例温室模型都进行过实验研究。

不选择大型的商业温室作为实验研究的主体是由于进行详细测量花费巨大，耗时很长，担心大规模的实验操作给温室生产带来损失，而且商业温室的巨大尺寸不适于实验操作，将大大增加实验测量的复杂性。

而小规模的实验结果并不能代表大型现代商业温室的情况。

一个特别值得关注的是考虑作物存在的情况下温室的环境情况。

而温室内作物对室内环境的影响的测量是非常困难的，也很少有这方面的实验研究。

然而，园艺产业对温室内部环境相关信息的需求与日俱增。

CFD 被认为是一个可以胜任的研究工具。

正确地使用 CFD 软件，它不仅能正确和具体地模拟温室内环境的传递过程，而且能为温室产业提供一定的温室环境信息，从而减少了大量昂贵的实验测量费用。

在温室研究领域，CFD己经用于对温室内部环境的简单研究(如预测温室内部的流场和温度分布)并且与现有的实验数据进行比较。

无植物条件下单跨的温室常被用来模拟，而且研究的焦点主要集中在通风和内部流场上。

己知的大多数模型都是二维的。

全部出版的研究论文都是用商业的CFD软件包或为基于相同的理论和数学方法的程序在稳态下进行的。

Bailey(1994年)等对机械通风下的venlo。

型连栋温室的内部流场进行了CFD模拟。

模拟采用三维稳态模型，并采用标准的k-ε湍流模型。

CFD研究的对象是一个封闭的四连跨的温室和一个九连跨的温室。

对四连跨温室的预测结果和有限的实验测量结果进行了比较，证明了CFD方法的可行性。

利用CFD来研究相同温室中风机位置对温室内部流场的影响。

对于带有双风机的九连跨的商业温室的模拟并不成功，无法进行满意地运行，而且风机最合适位置也无法确定。

short(1996年)等采用了标准湍流模型对自然通风下二连跨锯齿型温室内部流场进行了三维、稳态的CFD数值模拟，对二连跨温室有侧窗和无侧窗两种情况进行了模拟比较。

Mistriod(1997年)等在无风速和低风速的情况下采用RNG和与CK湍流模型对圆拱型屋面温室内部流场和温度分布进行了二维的CFD数值模拟，对实物大小的两跨和四连跨圆拱型屋面温室进行了预测，给出了内部流场和温度场的分布，模拟结果和实验值吻合得很好。

Striods(l997年)等对实物大小的二维CFD模型，计算域为周围的一个93.5mx54mx14.5m的区域，在不考虑浮力影响的自然通风的圆拱型屋面温室内部流场和温度分布进行了二维的CFD数值模拟，采用了标准k-ε湍流模型、双尺度RNG模型和
CK模型三个不同的湍流模型。

结果表明对于自然通风，双尺度RNG湍流模型比标准的k-ε模型吻合性更好。

Boulard(l997年)等采用CK湍流模型对自然通风条件下的圆拱型连栋温室内部流场进行了CFD数值模拟，证明了选用的CK湍流模型的有效性。

同年， Boulard等采用标准湍流模型对自然通风条件下的圆拱型连栋温室内部流场进行了CFD数值模拟，研究温室长度对温室流场的影响参数，从结果的计算当中发现温室长度<50m有较高的通风率。

Boulard(1997年)等建立了与实物的比例为1/2的比例模型，对在浮力作用下的单跨封闭的venlo型温室的内部环境进行了二维的CFD数值模拟，得到湍动能和温度的分布并和实验数据进行了对比。

Haxarie(1998年)等对单跨封闭的venlo型温室建立了原实物1/2比例大小的CFD 模型，研究了单面和双面通风在浮力作用下的情况，模拟了流场和温度场的分布。

同年，Haxarie(l998年)等建立了与原实物1/2比例大小的CFD模型，采用标准湍流模型对浮力作用下的温室的自然通风进行了模拟。

定义覆盖层和土壤不同温度(在22~24K之间)来形成两者之间的温度差，温室四周墙壁设为绝热。

Boulard(1999年)等建立了1/2的比例模型，采用标准湍流模型对浮力作用下的封闭的Veulo型温室的内部流场进行了CFD数值模拟。

定义覆盖层和土壤温度在22-24K 之间来形成两者之间的温度差，温室四周墙壁设为绝热层。

Lee和short(2000年)对4.5连跨双层充气聚乙烯膜的圆拱型屋面温室的自然通风进行了二维、稳态的CFD数值模拟，采用多孔介质来模拟遮阳网，研究了风速从0.1到6m/s之间时，温室的空气交换率。

除此之外，还研究了通风口的大小及苗床上植物的存在对空气交换率的影响。

Reichrath(2001年)等采用标准k-ε和RNG湍流模型对大型商业venlo型连栋温室的内部环境进行了二维的CFD数值模拟。

同年，Reichrath(2001年)等采用标准k-ε和RNG湍流模型对无植物条件下的温室内部流场进行了模拟。

对不同的温室长度，风速，湍流模型和数学参数下的内部流场的研究进行了比较。

MikeBrugger(2003年)等采用标准k-ε与RNG等多种湍流模型对自然通风条件下的连栋温室的降温进行了二维、稳态的CFD数值模拟。

讨论了室外风速分别为2，3，4和5m/s时室内的空气交换率。

通过对CFD模拟的实验验证，对采用自然通风的连栋温室进行优化设计。

中国农业大学的童莉(2003年)建立了无植物条件下湿帘机械通风的华北型连栋塑料温室三维数值模拟模型，得到了合理的速度场分布和温度场分布数值模拟结果，并与试验值进行了比较。

与试验值相比，模拟结果误差成5%，在入口风速小于1.5m/s，，入口气温小于26℃(热浮力影响较小)的情况下效果更好。

并讨论了入口风速和湿帘高度对温室可控距离的影响:提高入口风速可以增大温室的可控距离，湿帘高度越大，可控距离越大。

中国农业大学的陈忠购(2004年)利用CFD方法建立了华北型连栋塑料温室实物大小的三维CFD模型，采用稳态和标准k-ε湍流模型对实验温室在不同湿帘高度和安装高度情况下的温室环境进行了CFD模拟，预测了实验温室内部的流场和温度场的分布情况，实验值和计算值吻合得比较好，由此验证了CFD模型对华北型连栋塑料温室的可行性和有效性。

浙江工业大学的陈晓(2008年)建立了无植物条件下的机械通风的venlo型温室的三维稳态的CFD模型，采用标准k-ε湍流模型、DO辐射模型以及SIMPLE算法对实际大小的温室环境进行CFD数值模拟。

模拟值与实测值的对比结果证明了CFD模型的有效性。

并讨论了内遮阳的设置、风机与湿帘的安装高度、湿帘的高度以及温室长度的协调配置
等结构参数进行了深入研究。

1.3 国内外温室CFD模拟的研究现状
从该领域第一篇论文的出现到现在，能够看到在温室研究领域CFD模拟的复杂性和真实性的一个清晰的发展历程。

这主要是由于随着时间的推进，新的、更快速和更高性能的硬件对更复杂的情况预测更具有准确性；同时，CFD软件包拥有越来越多的算法库和计算方法而变得更强大和复杂，从而也增加了它的应用范围。

大部分小型温室和比例温室模型的 CFD 初步研究都是用来研究温室内部环境的。

后者的研究是为了通过风洞实验对模拟结果进行验证，因为风洞实验无法对实际大小的温室进行测量。

绝大多数温室的研究都是在无植物条件下进行的。

大多数的研究人员认为应将植物和结构的因素考虑进来。

如果要对温室内部气候环境进行真实的模拟，则植物和气候环境间的交互作用是不可以被疏忽的。

然而，一些模拟将植物当作内部环境的一部分，植物被视为多孔介质，植物模型中包括二氧化碳的吸收。

需要更详细和具体的植物模型，其中可能包括太阳辐射、湿度和温度的影响。

模型的细化必须注意研究下面几方面的平衡，包括模型复杂性，对模拟技术、计算能力以及模拟输出结果必要的准确性。

大部分的研究是采用二维模拟。

与三维模拟相比，它减少了模拟过程的复杂性，也大大地减少了计算量。

从某种程度来说，三维模拟是必需的，因为二维模拟达不到需要的准确性；而三维模拟的主要缺点对硬件的计算能力要求高。

模拟一个标准尺寸的商业连栋温室需要一个超级计算机才能完成。

对CFD研究的探讨中发现，在这个工作中适当的数学参数的选择和充分正确的边界条件的设定对结果的正确性是至关重要的。

其中，一个例子就是湍流模型的选择。

对于自然通风的温室，双尺度湍流模型的应用发现比标准的 k-ε模型有着较好的结果；而对于机械通风的温室，二者的效果相差不多。

除了湍流、对流、传导和辐射外，传热传质过程也是一些模拟研究的主题。

在不同的模拟中，变量一般有气流速度和方向、温度、二氧化碳浓度和空气湿度。

在自然通风下不同类型和大小的温室中，对受热压作用的通风如零风速和低风速情况以及受风压作用的通风的模拟都较为成功。

得到结论是侧窗的存在增加了空气交换率，从而也降低了室内温度。

对于地中海型温室、其他一些拱型和锯齿型温室，一般的结论是如果温室的跨数较多则意味着通风效率的减少和作物水平的温度较高，并且观察得到增加通风口开放面积确实增加了空气交换，同样增加了风速，在所有的通风情形中情况都是如此。

如果没有侧窗，在下风通风的情况下，在开着天窗的 Venlo型温室当中的作物水平高度存在逆流。

一种尝试对大型商业 Venlo型温室的一个代表性区段进行的模拟不能达到期望的准确性。

因此，对完全的和标准尺寸的温室进行模拟成为必要。

1.4 CFD软件简介
目前，有关温室领域CFD 模拟的研究论文都是采用商业CFD 软件包或为基于相同的理论和数学方法的程序在稳态下进行的。

自从1981 年英国CHAM公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS 以来，迅速在国际软件产业中形成了通称为CFD 软件产业市场。

到目前为止，全世界至少已有50 余种这样的流动与传热问题的商业软件，在促进CFD 技术在工业实际中的应用起着重要的作用。

下面介绍国内有关高等院校和研究院所引进的5 种软件。

1) CFX。

该软件采用有限容积法、拼片式块结构化网格，在非正交曲线坐标（适体坐标）系上进行离散，变量的布置采用同位网格方式。

可计算的物理问题包括不可压缩及可压缩流动、耦合传热问题、多相流、粒子运输过程、化学反映、气体燃烧、热辐射等，同时还可以处理滑移网格，用来计算透平机械中叶片间的流场。

2) FIDAP。

该软件是世界上第一个使用有限元法（FEM）的CFD 软件。

其可以计算可压缩及不可压缩流、凝固与熔化、层流与湍流、单相与两相流、牛顿流体及非牛顿流体的流动问题等。

3) FLUENT。

这一软件是继PHOENICS 软件后第二个投放市场的基于有限容积法的软件，包含有结构化及非结构化网格两个版本。

其可以计算的物理问题类型有：定常与非定常流动，不可压缩与可压缩流动，含有粒子/液滴的蒸发、燃烧的过程、多组份介质的化学反映过程等。

4) PHOENICS。

这是世界上第一个投放市场的CFD 商用软件（1981），可以算是CFD/NHT 商用软件的鼻祖。

这一软件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，由该软件的创始人D.B.Spalding及其合作者S.V.Patankar等所提出，对以后开发的商用软件有着较大的影响。

5) STAR-CD。

这是基于有限容积法的一个通用软件。

在网格生成方面，采用非结构化网格，还可以与目前通用的CAD/CAE 软件相连接，如ANSYS，I-DEAS，NASTRAN,PATRAN 等，在适应复杂计算区域的能力方面具有特别的优势。

应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动，牛顿流体及非牛顿流体的流动，多孔介质中的流动，亚音速及超音速流动，涉及导热、对流与辐射换热的流动问题，涉及化学反应的流动与传热问题及多相流的数值分析等。

1.5 研究的主要内容
本课题主要研究Venlo型日光温室内的速度场CFD模拟。

1）利用计算流体力学原理，构建venlo型日光温室的三维模型。

2）合理划分网格。

3）综合考量温室材质以及室内外各种变化因素，合理设置边界条件。

4）进行速度场的模拟，并对结果进行验证和分析，提出合理建议。

2 Venlo型温室概述
2.1 温室框架结构
温室结构形式为venlo型玻璃温室。

温室采用热镀锌钢制骨架，覆盖材料为4mm厚浮法玻璃，透光率接近100%。

温室顶部及四周为专用铝型材。

温室顶部为双向开窗，齿轮齿条副传动venlo型玻璃温室具有外形美观、吊挂能力强，透光性好等优点。

适合大面积蔬菜及花卉种植。

一个完整的温室系统通常包括下列各个部分或其中的部分内容:温室框架结构主要由基础、立柱、析架、凛条椽子、天沟、门、电动天窗。

温室跨度:16m，每跨小屋顶数:2。

2.2 遮阳和保温系统
内保温系统:温室配置齿轮/齿条传动内保温系统，用于冬季热能的储存和夏天遮光保护作物免遭强光灼伤。

控制箱及减速电机，既可手动，又可自动控制。

分3套布置在温室的3个独立单元，3套分别独立控制。

外遮阳系统:温室配置齿轮/齿条传动外遮阳系统。

控制箱及减速电机，既可手动，又可自动控制。

幕帘采用国产黑色聚乙烯折叠网，遮阳率70%，正常使用寿命5年。

2.3 计算机自动控制系统
控制系统采用分布式控制系统，上位机为工控机，下位机为单片机。

配套测控单元，温度、湿度、光照传感器，室外气象站，可根据室内外环境参数自动控制天窗、侧窗、外遮阳机构、内保温幕机构、湿帘-风机系统、滴灌系统等各执行机构，以调节温室内部的小气候环境，也可以根据现场实际情况进行人工手动控制。

图1 venlo型温室模型。