基于CFD热环境仿真的节能日光温室结构优化研究

来源 :沈阳农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:xuerscc
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节能日光温室的空间结构形态直接影响着温室内的热环境,进而影响着温室作物的产量与品质。目前,现有日光温室存在不同结构类型和外形构造各异的问题,究竟采用何种外形构造更能使温室充分利用太阳光能、获取最佳的热环境效应值得深入研究探讨。日光温室的空间结构形态特征参数主要包括脊高、北墙高度、北屋面水平投影长度和跨度,均是日光温室设计和建造中所必需考虑的因素。这些结构参数相互影响,形成了动态依存的关系,因此不是凭借经验或简单效仿就可实现的。本研究考虑作物与温室环境之间的热量交换,系统性地研究多个温室空间结构形态特征参数变化对温室热环境影响的作用规律,并作定量描述,对温室结构优化设计具有重要意义。本研究以沈阳地区的日光温室作为研究对象,采用试验与CFD数值模拟相结合的方法构建了节能日光温室作物层级三维动态热环境CFD仿真模型,将番茄作物看作多孔介质,考虑了其与温室之间的热量交换。对比平均温度的模拟值与实测值,其差值在0.1~2.2℃之间,最大误差为13.2%,预测均方根偏差和归一化均方误差分别为4.7%和6.5%。模拟温度与实测温度吻合度良好,这表明该数值模型能较好地描述温室内的热量交换过程。基于构建的仿真模型,系统地阐明了日光温室结构参数(脊高、北墙高度、北屋面水平投影长度及跨度)变化对温室热环境影响的作用规律,重点研究了各结构参数变化对温室内的温度分布、太阳能截获、蓄放热性能的影响,并作定量描述。采用多元极值理论对计算得到的模拟数据进行参数分析并推导其相关性,结果表明适用于辽沈地区10m跨日光温室的脊高为6.2m,北墙高度为4.0m,北屋面水平投影长度为2.0m。由于同一地理纬度的日光温室脊跨比几乎不受其跨度变化的影响,可以假定为一个常数,并根据模拟结果获得了适用于辽沈地区的8m~12m跨度节能日光温室的脊高、北墙高度和北屋面水平投影长度等空间形态特征参数。另外,若辽沈地区的种植者需要综合热性能较好的日光温室,可以优先选用8m跨与9m跨温室。本研究可为辽沈地区节能日光温室空间结构形态特征参数的设计和优化提供理论指导。
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