葡萄棚架下噴霧降溫系統的fluent模擬

張 衡，雷曉云，白云崗，劉洪波

(1. 新疆農業大學，烏魯木齊 830052；2. 新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049)

吐哈盆地作為我國著名的葡萄生產基地，由于極端干旱的氣候條件，葡萄在果實膨大期受干熱風的影響，植株蒸騰作用加強，體內水分平衡失調，光合作用受阻或遭到破壞，有機質轉化失常，對葡萄產量和品質造成極大的影響。為了解決這一問題，在葡萄棚架下安裝彌霧微噴頭，于果實膨大期日溫度最高時進行噴霧降溫處理，既能降低棚架下的高溫又能適當的增加棚架下相對濕度，削減干熱風對葡萄的影響，取得較好的降溫效果[1]。國內外多為研究溫室噴霧降溫，在室外大氣條件下對作物進行噴霧降溫的研究較少[2-7]。譚勝男等進行了溫室噴霧降溫系統模擬研究，研究表明在噴霧后，溫室內溫度明顯降低，噴頭下方降溫最為明顯[8]；王軍鋒等對室外進行降溫效果模擬，結果表明細水霧室外環境降溫可以有效降低人體舒適度指數，增強人體舒適感，有效改善室外環境質量[9]；劉春等對室外空間進行噴霧降溫模擬分析，驗證了數學模型的準確性[10]。

本文是在吐哈盆地對葡萄常規滴灌的基礎上，于葡萄棚架上50 cm、棚架下50 cm和地上30 cm 三種不同位置布設彌霧微噴頭，通過對不同處理上產量和品質的綜合對比，擇選出在棚架下50 cm布設微噴能夠使得葡萄優質高產。針對此處理運用fluent軟件模擬真實的棚架下溫度場分布，在綜合考慮太陽輻射和空氣對流等因素下，采用組分傳輸模型和離散項模型對葡萄棚架下溫濕度分布情況進行穩態數值模擬，并通過試驗所測數據驗證模型的正確性，為噴霧降溫方案的合理設計和規劃提供理論依據，從而可以優化噴霧方案，幫助噴霧降溫設備最大限度地發揮高效節能的優點，促進噴霧降溫技術進一步推廣的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及噴頭布置

試驗地位于新疆維吾爾自治區鄯善縣葡萄瓜果開發研究中心(42.91°N， 90.30°E)，葡萄架長14 m，跨度2 m，高1.8 m，棚架后方與架頂均有藤蔓覆蓋，三測敞開。棚架下方50 cm處每隔2 m安裝一套彌霧微噴毛管及噴頭，共有6個噴頭。噴霧系統采用微孔高壓式霧化技術，可噴射出直徑小于0.5 mm的小液滴。噴頭流量為40 L/h，噴射直徑為200 cm，微噴在葡萄果實膨大期(6月上旬到7月上旬)中午14∶00左右開啟噴水1 h。

1.2 測點布置

在距噴頭垂直高度為10、20、30、40和50 cm處安裝百葉箱，共放置3組內置HC-2溫濕度自動記錄儀，對棚架下空氣溫濕度每隔0.5 h記錄1次，這樣能夠較為全面的測量棚架下的溫濕度分布情況，溫濕度記錄儀布設示意圖如圖1所示。棚架外的氣象資料由小型田間氣象站獲取。

圖1 棚架下溫濕度記錄儀及噴頭位置

2 模型的構建

2.1 基本控制方程

葡萄棚架下的自然通風過程具有明顯的湍流特征，選用標準k-ε湍流模型，噴嘴模型采用壓力旋流霧化噴嘴模型[11]對葡萄棚架進行三維穩態數值模擬。棚架下流體的基本控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程,方程通式為[12]:

(1)

式中：φ為通用變量μ、ν、ω、h、T或E等；ρ為密度，kg/m3；μ為速度矢量；Γ為擴散通量；Sφ為源項。

2.2 計算模型選擇

2.2.1 輻射模型

太陽輻射是影響葡萄棚架下溫度場和濕度場分布的重要因素。當陽光照射到葡萄棚架上時，一部分被葡萄葉片反射和吸收，剩余一部分則通過葉片間的空隙進入葡萄棚架下。進入葡萄架下的太陽輻射，有的被空氣介質吸收，有的被地面吸收和反射。同時，葡萄架還受到熱輻射的影響，棚架下的地面、葡萄藤蔓、空氣之間也通過輻射進行能量的交換。在滿足計算條件的情況下，采用DO離散坐標模型對葡萄棚架下的各項熱輻射進行數值模擬。

2.2.2 組分運輸模型

空氣相對濕度是葡萄生長發育的重要因素自己一，為探索葡萄棚架下溫濕度場的分布情況，在fluent數值模擬中選用組分運輸模型。設置混合物為空氣和水蒸氣的混合體，通過水蒸氣的質量分數換算計算出空氣的相對濕度(RH)，并將此氣體混合物視為不可壓縮理想氣體，在2種組分間無化學反應發生。首先把水蒸氣的質量分數轉換為空氣含濕量，進一步將含濕量轉換為空氣的相對濕度。為求解濕空氣的溫度，須求解濕空氣的焓，其關系滿足如下組分守恒方程[13]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：h為焓，J/m3；E為總能，J；P為大氣壓；ρ為空氣密度，kg/m3；mj為對應組分的質量分數；hj為對應組分的焓，J/m3；μi,μj為速度矢量；Keff為有效熱傳導系數；(τij)eff為有效黏性應力；Cp,j為定壓比熱容，J(kg·K) ；Jj為組分擴散量，g/s；T為有效溫度,K；Sh為體積熱源項，W/m3。

2.3 計算域與網格劃分

為了使模擬結果和實際溫度場分布具有較高的擬合度，fluent模型的棚架結構與實際棚架結構完全相同。計算域的大小直接影響模擬結果的真實性，計算域過小流場會失真，過大會增加網格的數目，計算量增大。合理選擇計算域的大小對模型模擬的準確性和計算量的多少有很大的影響。為使模型棚架下空氣流動情況與實際情況達到較高吻合度，在棚架結構的基礎上在東、南、西、北四個方向各延伸10 m，形成一個大空間包裹著葡萄棚架。在計算流體動力學中，網格的劃分尤為重要，直接影響到計算的速度變化和計算結果的成敗等。網格的劃分是模型計算精確的關鍵，網格劃分的好可以保證計算結果的精確，同時縮短計算時間，網格質量的好壞直接影響到模擬過程的穩定性和收斂性以及模擬結果的精度性、可靠性。為使模擬值更精確，對計算域的出口邊界進行網格的局部加密，并用六面體網格對棚架下的計算域和棚架外部空間進行劃分，共創建了2 653 560個節點和2 584 845個網格，棚架內為空氣流體流域。

2.4 邊界條件

棚架下fluent數值模擬主要是以空氣作為研究對象，給定合理的邊界條件：棚架的南側設置為進風入口(velocity-inlet)邊界條件；棚架北側設置為壓力出口(pressure-outlet)邊界條件；由于棚架開口方向仍有葡萄棚架樹立，故將棚架的上及前后側設置為固壁(wall)邊界條件；地面設置為固壁(wall)邊界條件。測得地面溫度為30 ℃，棚架外氣溫達40 ℃，棚架下初始相對濕度33%，風速約為1 m/s，霧滴溫度為16 ℃(灌溉用水取自地下水井)，其他各項主要邊界條件的初始條件和邊界條件如表1所示。

表1 初始條件和邊界條件參數

3 結果與分析

3.1 fluent模型驗證

噴霧后，對不同測點高度的實測平均值和模擬平均值做比較，如圖2所示。可以看到，溫度模擬值與實測值模擬良好，平均差值為0.22 ℃，平均相對誤差為0.6%，不同高度中20 cm處的模擬值較實測值誤差最大為1.4%，30和50 cm處的誤差最小，僅為0.8%；相對濕度的模擬值與實測值的平均差值和平均相對誤差分別為1.41%和4.1%，不同高度中20 cm處的相對濕度模擬值與實測值相對誤差最大為6.9%，30 cm處誤差最小，僅為0.1%。數值模擬結果較為真實地反映了葡萄棚架下的溫、濕度的空間分布，各項均有較小的誤差。由此可見，本研究建立的數學模型有效，邊界條件合理。

圖2 測點的實測值與模擬值比較

3.2 不同噴霧位置的溫度場分布

從噴霧后葡萄架下不同水平高度的溫度場的變化(圖3)中可以看出，通過微噴后，葡萄棚架下不同高度的溫度場存在明顯的變化。從噴頭到地面，不同水平上的溫度是依次增加的，噴頭處溫度最低，隨著高度的遞減溫度緩慢增加，這是由于水溫較低，噴霧先影響噴頭位置的溫度，再呈梯度方向影響溫度變化。

從噴頭位置的溫度分布[圖3(a)]中可以看出，棚架下溫度快速下降，降溫效果明顯，尤其是在噴頭位置，由于風速及太陽輻射影響，棚架下溫度延風速方向呈梯度變化，在下風向溫度最低，進風口處溫度最高。在不同水平高度，自噴頭位置向下[圖3(b)～(f)]，溫度依次遞增，這是由于地面受太陽輻射和空氣流動影響，在微噴作用下開始釋放熱量，并蒸發水滴，使得溫度上升。受棚架外的高溫影響，地面溫度與棚架進風口在距離上由內到外逐漸遞減。且在圖中可以看出，在棚架橫向開口處由于受到干熱風影響，溫度下降較為緩慢，在棚架后方由于受到葡萄藤蔓的隔離作用，溫度下降最為明顯。

圖3 不同梯度水平面溫度場分布

4 結 論

(1)對吐哈盆地葡萄架下的噴霧降溫系統進行fluent數值模擬，棚架下測點的平均溫、濕度的模擬值與實測值的平均相對誤差分別為0.6%和4.1%，模擬結果與實測結果擬合度較高，說明所建立的fluent模型和邊界條件是正確的，采用離散相模型模擬噴霧降溫是可行的。

(2)棚架下噴霧后溫度在水平方向上沿進風口位置存在明顯的梯度變化，噴頭處最低，在豎直方向上隨著離噴頭位置增加，溫度逐漸增大。棚架下方同一水平面上，由于兩側受到藤蔓和干熱風的影響，藤蔓一側溫度下降明顯，無藤蔓遮擋一側受干熱風影響，溫度下降緩慢。

(3)噴霧降溫系統設備便宜，安裝簡單，降溫效果好，且其在降溫的同時增加了空氣濕度，對吐哈地區葡萄受高溫天氣影響的熱灼有明顯的抑制作用，且可以在給葡萄生長環境降溫的同時可以提高葡萄的產量及品質。

參考文獻：

[1] 易 鑫, 劉 潔, 魏青松,等. 數值模擬在節水灌溉技術中應用的研究概述[J]. 節水灌溉, 2017,(1):87-89.

[2] 蘇佳佳. 寒冷干旱地區日光溫室內溫度場的數值模擬[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學, 2013.

[3] 馬駿馳. 基于ANSYS的機械通風溫室內流場及溫度場的數值模擬[D]. 武漢：華中農業大學, 2006.

[4] 趙春江, 韓佳偉, 楊信廷,等. 基于CFD的冷藏車車廂內部溫度場空間分布數值模擬[J]. 農業機械學報, 2013,44(11):168-173.

[5] 賀 城. 基于CFD的豬舍內氣流場和溫度場模擬研究[D]. 武漢：華中農業大學, 2009.

[6] 方 慧, 楊其長, 張 義,等. 基于CFD技術的日光溫室自然通風熱環境模擬[J]. 中國農業氣象, 2015,36(2):155-160.

[7] Keesung Kim,Jeong-Yeol Yoon,Hyuck-Jin Kwon,et al. Giacomelli,In-Bok Lee. 3-D CFD analysis of relative humidity distribution in greenhouse with a fog cooling system and refrigerative dehumidifiers[J]. Biosystems Engineering,2008,100(2).

[8] 譚勝男, 汪小旵, 保智敏,等. 溫室內噴霧降溫系統的CFD模擬[J]. 江蘇農業學報, 2013,29(2):283-287.

[9] 王軍鋒, 屠欣丞, 黃繼偉,等. 細水霧室外環境降溫效果的數值模擬[J]. 江蘇大學學報(自然科學版), 2009,30(6):591-595.

[10] 劉 春, 吳辰旸, 張 帆. 室外空間噴霧降溫的建模與分析[J]. 西安建筑科技大學學報(自然科學版), 2013,45(3):324-329.

[11] Moon S, Abo-Serie E, Bae C. Air flow and pressure inside a pressure-swirl spray and their effects on spray development[J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2009,33(2):222-231.

[12] 王福軍. 計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M]. 北京：清華大學出版社, 2004.

[13] 約翰D.安德森. 計算流體力學基礎及其應用[M]. 北京：機械工業出版社, 2007.