6m肩高玻璃温室辐射场与温度场的试验研究与CFD分析

来源 :江苏大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:yintaozhy1988
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随着设施农业规模的发展,近年来我国大肩高类型玻璃温室日益增多。而随温室肩高的增大,立柱桁架也随之变粗,造成室内辐射不均匀度变大。为改善温室内辐射均匀性,本文在测量散射玻璃辐射特性的基础上,分析不同覆盖材料下温室内部辐射场和温度场的变化,为散射玻璃温室的使用提供理论参考。同时,现有的遮阳调控模型大都是以控温为目标,虽然遮阳网的使用降低了温室内部的温度,但是导致室内辐射强度偏低,不利于作物生长。为优化遮阳网调控模式,改善作物冠层辐射与温度分布,本文研究不同遮阳工况下温室作物冠层温度场与辐射场的变化,为优化遮阳调控方案提供理论基础。  本文以6米肩高连栋玻璃温室为对象,试验测量了温室环境因子分布的变化,建立了相应的温室CFD数值模型,并利用实测试验数据验证了CFD模型有效性。在测量散射玻璃辐射特性和光谱透过率的基础上,利用所建温室CFD模型,进一步研究了不同覆盖材料和不同遮阳率的遮阳网对作物冠层辐射场和温度场的变化,为基于作物光温需求的遮阳调控方案设计与散射玻璃温室的使用提供理论指导。  首先,利用总辐射、散射辐射、光合有效辐射表及超光谱仪等仪器,对散射玻璃进行辐射特性的测量,对试验数据处理,计算得出散射玻璃可见光和红外波段的透过率分别为0.78和0.77,直散射透过率平均值为0.27;所测得的散射玻璃的数值可用于后续散射玻璃覆盖材料温室CFD建模分析。  其次,对大肩高玻璃温室室内外辐射与温湿度数值进行测量,并分析了遮阳网层数对室内辐射与温度影响。当室外平均太阳辐射为735W/m2,室外平均温度为42.1℃时,在一层遮阳率为70%的遮阳网下,室内平均太阳辐射值为203W/m2;对应的室内的光量子通量密度平均值为463.9umol.m-1s-1;室内平均温度为37.9℃,室内比室外低4.2℃。当室外平均太阳辐射为532W/m2,室外温度平均值为39.5℃,在两层遮阳网(一层遮阳率为70%,另一层遮阳率为55%)下,室内平均太阳辐射强度为57.6W/m2 ,对应的室内的光量子通量密度平均值为104umol.m-1s-1;室内温度平均值为35.7℃,室内比室外低3.8℃。说明遮阳网降温显著,但两层遮阳网使得室内辐射值较低,不能较好满足作物的光温需求,有待遮阳调控方案的优化。  然后,对试验温室物理模型简化处理,建立了相应的温室CFD模型。选择标准k-ε湍流模型为空气流动的数值模拟方法;选择DO模型求解辐射传热,采用太阳射线跟踪算法计算太阳直接照射热流;选择水蒸气组分传输模型考虑湿空气对冠层温度场的影响;采用辐射折算的方法模拟外遮阳对室内环境的影响,采用多孔介质的合理设置来模拟内遮阳网和作物,设定边界条件并对模型求解到收敛。分别对比无遮阳、一层遮阳网、两层遮阳网工况下的模拟值与试验值。发现无遮阳网下辐射值和温度值模拟效果较好,辐射值误差为4.8%,温度场误差2.3%;有一层遮阳网下辐射值误差为19%,温度场平均误差为3.3%;两层遮阳辐射值误差为18.7%,温度场平均误差4.5%。在合理的误差范围内,CFD模型有效。  最后,依据所建立的CFD模型,通过改变相应的边界条件,分析了在不同玻璃覆盖材料、不同遮阳率的遮阳网和不同冠层空气相对湿度条件下,温室作物冠层辐射场和温度场的变化。结果如下:在遮阳率为63%的遮阳网下,平均太阳辐射强度为265w/m2 ,对应的光量子通量密度为485.9umol.m-1s-1,平均温度为38℃;在遮阳率 43%的遮阳下,太阳平均辐射强度为 305W/m2 ,对应的光量子通量密度为559.2umol.m-1s-1,平均温度为39.3℃。同时分析了冠层空气湿度变化对作物冠层温度场的影响,在外界辐射温度相同条件下,冠层相对湿度为65%时,室内平均温度为37℃,而相对湿度为95%时,室内平均温度为36.2℃,说明相对湿度相差30%的情况下,冠层平均温度相差0.8℃。此外,分析了不同覆盖材料下的太阳辐射和温度分布,发现在相同条件下,散射玻璃覆盖材料温度内部辐射相对均匀,平均辐射值为260W/m2 ,这比浮法玻璃的平均值低30W/m2;浮法玻璃温室冠层平均温度为43.7℃,散射玻璃温室冠层平均温度为42.9℃。在此分析基础上,以温室黄瓜作物为例,给出了基于作物冠层净光合速率的遮阳调控方案的建议。
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