基于計算流體力學的溫室數值模擬分析

王應毅 張 續 鄧 鑫 BingXin Wu

（浙江榮亞工貿有限公司，浙江 金華321000）

溫室是在傳統農業的基礎上，運用現代農業生物技術、信息技術、航天技術、新能源技術、新材料技術、海洋技術等高新技術來武裝農業、改造農業的技術體系。它具有高投入、高風險、高效益等特點，目的是為了促進生態農業、高效農業、現代農業的發展[1]。計算流體動力學（CFD）是一種成功的數值計算方法在溫室試驗中應用并驗證許多模型，盡管近十年來計算機技術的進步使得典型溫室的CFD 模型更加可靠(由于三維幾何結構)[2]。本文的目的是探討不同風速、風扇通風口和通風結構對工廠通風的影響，以通風裝置為基礎。利用正交試驗優化方法對CFD 模擬結果進行分析，比較室內多個位置的流場指標，為通風設施提供參考[3]。

1 溫室三維建模

溫室建立于浙江省永康市浙江榮亞工貿有限公司，實驗模型為7.2×5.1×3.1 m。四周墻體采用聚碳酸酯板。在墻的兩側與屋頂設計了12 個風機。房間內設置8 個種植架，第一層高度為30 cm，另一層高度為60 cm。晚上光照強度弱，對栽培架每層配備2 臺植物補光燈，可模擬自然光，為植物提供光合作用[4]。在SolidWorks 中工廠模型的建立如圖1 所示。

圖1 溫室三維圖

為了得到最佳的通風氣流方式，采用正交實驗設計對智能化溫室通風氣流均勻性進行仿真，表1 給出了L9(33)因子設計的矩陣，該設計需要考慮三個主要影響因素:風速(因子A)、風機通風口(因子B)和通風結構(因子C)，假設任意兩個因素不相互影響。

表1 正交實驗設計表

采用CFD 軟件（FLUENT 16.1）進行模擬計算。將溫室內的送、回風過程看做三維、穩態、不可壓縮的湍流流動過程；湍流模型選用standard k－ε 模型；為了提高通風效率，確定最佳的通風方式，我們在建立模型中設立12 個點作為參考數據。垂直氣流比水平氣流更能有效地抑制葉尖燒傷的發生[7]，所以我們選取Z 方向的氣流速度作為監測值。以12 個點Z 方向的風速作為評價指標，然后采用信息熵賦權法進行賦值計算綜合分數。

表2 正交實驗表結果

為了更加直觀分析每個不同因子水平對試驗指標的影響程度，如圖2 所示，以正交試驗因子的三個水平數值量為橫坐標，以Z 方向風速大小為縱坐標，建立正交試驗因子與試驗指標之間的坐標系。其中標注橫坐標的A1、A2、A3 表示為風速的三個水平，B1、B2、B3 表示為通風口大小的三個水平，C1、C2、C3 表示為通風機構的三個水平。

圖2 各因子對垂直風速影響

由表正交實驗極差分析可知，實驗范圍內各因素對垂直方向風速的影響次序為：（主）A＞C＞B（次），即風速＞通風結構＞通風口。最佳實驗組組合為A3B2C2，風速5m/s，通風口260mm,通風結構為側進上出。

2 仿真結果分析

為研究最佳通風方式垂直方向風速分布情況，選取平面X=1.8m,3.6m,5.4m 截面速度矢量圖如圖3 所示，由于栽培架對空氣流動的影響，中間空氣流動較大。在X=3.6m 時，中間在無栽培架阻力作用下兩側空氣流動明顯，下方風速較大。對比3個面矢量圖發現左右兩側風速非常的小不適合作物的生長。

3 結論

在本研究中，為了解決試驗周期長等難題，利用正交試驗設計對最佳通風方式進行分析，通過極差分析比較結果發現當風速5m/s，通風口260mm,通風結構為側進上出時，通風效果最為明顯，為以后探究溫室濕熱環境分布具有指導意義。

圖3 X=1.8m,3.6m,5.4m 截面速度矢量圖