高振军，司长青，丁小明，李苇，何芬，李文杨，张建波
侧通风窗纵横比对连栋温室流场均匀性的影响
高振军1，司长青1，丁小明2*，李苇3，何芬2，李文杨1，张建波1
（1.三峡大学 机械与动力学院，湖北 宜昌 443002；
2.农业农村部 农业设施结构设计与智能建造重点实验室，北京 100125；
3.广东省现代农业装备研究所，广州 510630）
【目的】探究侧通风窗纵横比对连栋温室内流场均匀性的影响，为温室设计建造提供理论依据。【方法】本研究以广州地区连栋蝶形开窗温室为研究对象，采用数值模拟和试验结合的方法，设计了4种不同开窗纵横比方案并与试验温室（即开窗方案C）进行对比，引入不均匀系数评价流场均匀性，研究不同开窗纵横比下连栋温室内流场的分布规律。【结果】通过实测值和模拟值对比，温度、风速的平均误差分别为2.48%和8.76%，均方根误差分别为1.10 ℃和2.1×10-3m/s，验证了模型的有效性；
不同开窗纵横比对连栋温室室内平均温度无显著影响，但温度不均匀系数存在明显差异，其中开窗方案A较开窗方案C总体温度不均匀系数减少了41%；
5种开窗方案中，开窗方案A的总体平均风速和风速不均匀系数均优于其他开窗方式，与开窗方案C相比，平均风速提高了23%，风速不均匀系数降低了41%。【结论】从温室内流场分布角度来看，适当降低侧通风窗纵横比，能够有效降低温度、风速不均匀程度。
连栋温室；
纵横比；
自然通风；
数值模拟
【研究意义】连栋温室作为设施农业的重要代表，能够实现作物高效生产，已成为现代化农业发展的重要方向[1-2]。自然通风作为温室环境调控常用的方式，具有经济节约能耗的特点，因此在日常运行管理中优先使用。已有研究表明通风窗的大小、位置及开窗配置是影响温室微气候的主要因素[3-5]，但开窗纵横比对室内环境的影响尚未了解。
【研究进展】计算流体力学（CFD, computational fluid dynamics）作为一种新兴、高效的计算手段，广泛应用于温室通风等相关领域的研究，采用数值模拟方法提高温室性能以及研究温室流场分布具有重要作用。柏宗春等[6]研究了自然通风条件下大棚通风窗的开设位置，借助Fluent软件研究不同侧窗和天窗尺寸下大棚内部的流场规律。赵融盛等[7]以陕西地区塑料温室为研究对象，分析并比较4种侧通风口高度（40、60、80、100 cm）下室内流场、气温、相对湿度均匀性。何科奭等[8]研究开窗配置对温室微气候的影响，揭示极低风速下（小于0.6 m/s）单栋塑料温室内气流和温度场的分布特征。Rasheed等[9]利用CFD技术，比较7种不同屋顶和通风口条件下塑料大棚内温度和通风率大小。以上研究大多关注CFD方法在单栋塑料温室、单跨温室的应用，多数只考虑温室流场分布特征，缺乏对流场均匀性的研究。
【切入点】目前，鲜有研究自然通风情况下侧通风窗纵横比对温室内流场的影响。【拟解决关键问题】本研究以广州地区连栋蝶形开窗温室为研究对象，建立连栋温室三维数值模型，设计了4种不同开窗纵横比并与试验温室模型进行对比，引入温度、风速不均匀性系数，对温室流场分布特性进行评价，探索不同开窗纵横比对室内温度及风速的分布规律。
1.1 试验温室
试验温室位于广州市天河区柯木塱农业技术推广总站示范基地（东经113.40°，北纬23.18°），屋脊为东西朝向。温室长36 m，宽28.8 m，肩高6.5 m，脊高7.5 m。温室东西二侧设有湿帘风机降温装置以及侧通风窗，顶窗采用电动扭矩分配开窗机构，最大开启角度为45°，屋面覆盖材料为4 mm厚漫反射玻璃，四周覆盖5 mm厚度单层钢化玻璃。
1.2 试验条件
选取广州地区夏季典型天气进行试验，试验时间为2020年8月9日，晴天高温天气，风向与屋脊方向平行（即与温室迎风面垂直），室外风速为0.3 m/s，室内无作物，试验期间环境稳定。现场试验从09:00开始，18:00结束，期间温室顶窗、侧窗均处于完全打开状态。采用Auto-100环境数据采集器（北京奥托，温度传感器精度为±0.5 ℃）每隔1 h自动采集室内外温度、风速。室内共设置27个监测点，在0.6、2.5、3.0 m高度处各布置9个采集器（图1）。室外数据采集器距地2.5 m进行安装，周围无遮挡。
图1 连栋温室室内测温点示意图
1.3 评价方法
1.3.1温室流场评价指标
1.3.2 模型精度评价指标
为了评价数值模型的准确性，引入相对误差、平均绝对误差和均方根误差（Root-mean-square error,）评价模型的精度[12]，评价指标越小，意味着模型精度越高，均方根误差计算式为：
1.4 模拟方案
通过文献调研，当室外风速小于0.5 m/s时，由室内外温差所引起的热压通风对室内环境的影响不可忽略[13-15]。鉴于此，考虑连栋温室在风压和热压共同作用下，采用数值计算的方法，探索不同开窗纵横比对温室内流场均匀性的影响。在保证开窗面积以及通风窗底边高度一致的前提下，只改变侧通风窗纵横尺寸之间的比例，设计了4种不同开窗方案与试验温室进行比较。采用瞬态模拟，实际模拟时间10 min，不同开窗方案见表1。
表1 不同开窗纵横比侧通风窗结构参数
注 纵横比，即通风窗长度方向与高度方向的比值。
2.1 控制方程
假设连栋温室室内空气为定常不可压缩介质，传质传热过程满足质量、动量和能量守恒方程，并可由通用方程（6）表示[16]：
2.2 物理模型
图2 连栋温室物理模型
2.3 网格无关性检验
对于数值模拟，需要进行网格无关性检验，以保证网格数量不影响最终计算结果。本研究设置3种不同网格划分方案，并将模拟温度值和实际测量值比较得到平均误差，结果见表2。可以看出，3种方案温度平均误差在2.5%左右，均满足计算要求。考虑到计算精度及耗费时间，选择细网格划分方式。
表2 网格无关性检验
2.4 边界条件及模型求解
表3 连栋温室材料物性参数
3.1 模型验证
3.2 不同开窗纵横比对连栋温室温度的影响
3.2.1不同开窗纵横比连栋温室纵截面温度分布
取温室宽度方向的中心截面作为典型截面，不同开窗纵横比下温度分布见图3。可以看出高度方向上温室中层及下层的温度较低，高温区域集中在温室顶层附近，温度分布呈现自下到上的梯度变化。这是由于热压作用，热空气向上冷空气向下运动，形成上层高温下层低温的分布规律。长度方向上室内温度分布呈现出迎风侧温度低，背风侧温度高的现象。一方面是由于室外冷空气首先和迎风窗附近热空气进行交换，带走了大部分热量，使得迎风侧温度低；
另一方面，背风侧窗口附近空气因受太阳辐射和地面辐射加热的影响，温度升高，由于室内压力小于室外压力，热空气进入温室导致背风侧温度高。此外，随着开窗纵横比的增加，低温区域不断减小，高温区域不断增加，表明开窗纵横比影响气流的纵向进深能力（即气流沿温室长度方向的深入能力），这是由于随着纵横比不断增加，通风窗高度方向尺寸逐渐减小，气流在发展过程中上下层气流流通能力减弱。
图3 X=14.4 m时不同开窗纵横比连栋温室温度分布
3.2.2不同开窗纵横比连栋温室横截面温度变化
图4为连栋温室长度方向平均温度及不均匀系数变化，由图4（a）可知，开窗方案B、开窗方案C、开窗方案E沿温室长度方向截面平均温度呈现出上升的趋势，这是由于纵向进深距离增加气流换热能力减弱，以及背风侧风压热压共同作用导致的，详细分析见3.2.1。开窗方案A沿温室长度方向截面平均温度呈现出先下降后上升的趋势，原因是该纵横比下迎风侧冷气流和背风侧热气流在温室中部气流上下流通能力较强，导致该区域的平均温度较低。开窗方案D与开窗方案A的变化趋势相同，只是平均温度最低区域位置靠近背风侧。此外，通过对比开窗方案C与其余开窗方案平均温度，发现降温幅度最大为0.9%，并无显著差异，表明在相同开窗条件下，只改变开窗纵横比对室内平均温度影响较小。
由图4（b）可知，开窗方案A、开窗方案B、开窗方案D、开窗方案E沿温室长度方向上的不均匀系数呈现出先上升后下降的趋势，这是由于迎风侧气流发展时受到相向而来的背风侧气流，导致室内出现气流停滞区温度不均系数上升。随着纵向进深距离增加，迎风侧气流逐渐减弱，背风侧气流增强，温度分布逐渐稳定，温度不均匀系数随之下降。开窗方案C沿温室长度方向上不均匀系数呈现出缓慢上升的趋势，没有出现明显上下波动的情况。
图4 连栋温室长度方向平均温度及不均匀系数变化
3.2.3不同开窗纵横比对连栋温室竖直截面温度变化
图5 连栋温室竖直方向平均温度及不均匀系数变化
3.3 不同开窗纵横比对连栋温室风速的影响
3.3.1不同开窗纵横比连栋温室纵截面风速分布
取温室宽度方向的中心截面作为典型截面，不同开窗纵横比下风速分布见图6。室外空气从温室两侧通风窗进入从顶窗排出，两侧通风窗口处风速较高，并且背风侧风速高于迎风侧。随着开窗纵横比的增加，迎风侧气流纵深能力不断减弱，背风侧气流纵深能力不断增强。同时迎风侧、背风侧区域均出现低速区域，这是背风侧以热压为主的上升气流和迎风侧风压为主的上升气流相遇，形成气流漩涡，导致该区域流通能力较差，造成风速分布不均。因此在弱风条件下，室内气流组织均匀性须同时考虑风压和热压的综合影响。
图6 X=14.4 m时不同开窗纵横比连栋温室风速分布与流线
3.3.2 不同开窗纵横比下横截面风速变化
图7为连栋温室长度方向平均风速及不均匀系数变化。由图7（a）可知，不同开窗纵横比下沿温室长度方向截面平均风速均呈先下降后上升的趋势，这是由于温室迎风侧和背风侧均为高速区域，在气流发展过程中，二侧气流相遇，容易形成气流涡旋，导致平均风速下降。并且，开窗方案A平均风速的均值优于其他开窗方案，较开窗方案C提高了50%。
由图7（b）可知，沿温室长度方向截面风速不均匀系数没有明显规律变化，所以仅分析不同开窗方案最小不均匀系数位置。开窗方案A和开窗方案E在=24 m时，风速不均匀系数取得最小值分别为0.32和0.33；
开窗方案B在=16 m时，风速不均匀系数取得最小值为0.34；
开窗方案C在=28 m时，风速不均匀系数取得最小值为0.43。开窗方案D在=12 m时，风速不均匀系数取得最小值0.42。由此可知，风速均匀的区域大多分布在靠近温室背风侧区域，这是由于背风侧区域以热压通风为主，气流受到干扰因素较少，风速分布较为均匀。
图7 连栋温室长度方向平均风速及不均匀系数变化
3.3.3 不同开窗纵横比下竖直截面风速变化
图8为连栋温室竖直方向平均风速及不均匀系数变化。由图8（a）可知，不同开窗纵横比下沿温室竖直方向截面平均风速均呈先下降再上升的趋势。这是由于通风窗底部以下区域空气向上运动时，受到来自迎风侧水平方向上的气流干扰，容易形成气流涡旋，平均风速下降。随着高度的增加，气流发展充分，平均风速增大。并且，开窗方案A平均风速的均值优于其他开窗方案，较开窗方案C提高了36%。
由图8（b）可知，开窗方案A、开窗方案B、开窗方案C、开窗方案E沿温室竖直方向截面风速不均匀系数变化呈现出先上升后下降的趋势，主要是由于温室两侧气流相遇，造成风速在同一截面上分布不均，导致风速不均匀系数上升。随着气流的不断发展，气流涡旋区域逐渐减小不均匀系数随之下降。开窗方案D风速不均匀系数曲线在竖直高度1～3 m呈下降趋势，由图6（d）可知，这是由于背风侧与迎风侧温室底部风速具有较大差异，导致同一截面风速不均匀系数较大，但随着高度的增加，流通能力增强使得同一截面风速差异减小。
图8 连栋温室竖直方向平均风速及不均匀系数变化
3.4 流场均匀性评价
为了全面评价不同开窗方案对温室通风效果的影响，依据式（1）—式（4）计算5种开窗方案总体平均温度、总体温度不均匀系数、总体平均风速、总体风速不均匀系数，计算结果如表4所示。
表4 不同开窗纵横比下温室流场均匀性评价指标
由表4可知，开窗方案C与其余开窗方案室内平均温度相比最大温差为1%，表明改变开窗纵横比对温室内平均温度影响不显著。不同开窗纵横比下室内温度、风速不均匀性系数存在明显差异，具体表现为：开窗方案A的平均风速和风速不均匀系数明显要优于其余开窗方案，与开窗方案C相比，开窗方案A的平均风速提高了23%，风速不均匀系数降低了41%，表明开窗纵横比为0.5时，能够增加空气上下流通能力，降低风速不均匀系数；
随着开窗纵横比的增大，温度不均匀系数逐渐增加，表明开窗纵横比对连栋温室温度分布均匀性具有重要影响，其中开窗方案A较开窗方案C的温度不均匀系数降低了41%。
自然通风作为连栋温室常用的通风方式之一，通常采用通风窗的合理配置以提高室内温度、风速分布均匀性。王新忠等[21]认为侧窗和顶窗联合通风作用下，室内降温效果最好。Akrami等[22]在研究侧通风与顶通风对室内微气候的影响，发现侧通风口对通风的贡献最大。现有研究表明侧窗对室内气流流动以及合理分布发挥着重要的作用。因此，为了保证室内流场均匀分布，为作物生长提供适宜的生长环境，有必要开展侧通风窗对室内流场分布均匀性的研究。
本研究设计了5种不同开窗纵横比方案，发现在不同侧通风窗纵横比下，室内温度、风速不均匀系数具有较大差异，主要是由于自然通风条件下室内环境受到风压和热压的共同作用，表明开窗纵横比对室内流场分布均匀性具有较大影响。随着开窗纵横比的不断减小，气流的纵向进深能力不断增强，主要是由于在开窗面积一定的情况下，侧通风窗竖向尺寸越大、气流上下流通能力越强，使得室内温度、风速分布更加均匀，这与程征[23]得出的结论一致。开窗纵横比对室内平均温度影响不显著，表明开窗纵横比主要影响气流分布均匀性，对室内温度大小影响有限。
此外，本研究并未考虑作物对连栋温室通风的影响，实际生产中作物会阻碍气流流通，造成温度、速度分布不均。另外，湿度作为农业生产必须考虑的环境因子，了解室内湿度分布均匀性具有重要的意义。因此，日后考虑将作物以及湿度等因素纳入到CFD仿真模型，以期能够更好指导温室设计建造。
2）不同开窗纵横比对连栋温室室内平均温度无显著变化，但对室内温度分布均匀性具有显著影响。开窗纵横比越大，迎风侧冷空气在温室长度方向纵深能力越弱，室内温度分布越不均匀，温度不均匀系数越高，其中开窗方案A较开窗方案C总体温度不均匀系数减少了41%。
3）不同开窗纵横比下连栋温室室内温度、风速不均匀性系数存在明显差异。5种开窗方案中，开窗方案A的总体平均风速和风速不均匀系数均优于其他开窗方式，与开窗方案C相比，平均风速提高了23%，风速不均匀系数降低了41%。
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Influence of Aspect Ratio of Side Ventilation Window on Air Circulation in Terraced Greenhouses
GAO Zhenjun1, SI Changqing1, DING Xiaoming2*, LI Wei3, HE Fen2, LI Wenyang1, ZHANG Jianbo1
(1. College of Mechanical & Power Engineering of China Three Gorges University, Yichang 443002, China;2. Key Laboratory of Farm Building in Structure and Intelligent Construction, Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Beijing 100125, China; 3. Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment, Guangzhou 510630, China)
【Objective】The geometry of side ventilation windows is an important design parameter of greenhouse and this paper investigates the impact of their aspect ratio on air circulation in terraced greenhouses.【Method】The study is based on butterfly windows of terraced greenhouses in Guangzhou, using numerical simulation and experimental data measured from a greenhouse (Window C). We modelled five aspect ratios and compared the numerical simulations with experimental data. Air circulation in the greenhouse is quantified using non-uniformity coefficients.【Result】The average errors between the simulated and measured temperature and wind speed are 2.48% and 8.76% respectively, and their associated root mean square errors are 1.10 ℃ and 2.1×10-3m/s, respectively. Changes in the aspect ratio do not result in significant effect on average temperature in the greenhouses, but affect temperature variation noticeably. Among the five aspect ratios we compared, Window A gives the greatest average wind speed and highest wind uniformity coefficient. Compared with Window C, it increase average wind speed by 23% and the wind speed uniformity coefficient by 41%.【Conclusion】Our results show that reducing the aspect ratio of the side ventilation window as currently used by local farmers can effectively increase the uniformity of both temperature and wind speed in the greenhouse.
multi-span greenhouse; aspect ratio; natural ventilation; numerical simulation
1672 - 3317（2023）02 - 0087 - 08
S625.1
A
10.13522/j.cnki.ggps.2022165
高振军, 司长青, 丁小明, 等. 侧通风窗纵横比对连栋温室流场均匀性的影响[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(2): 87-94.
GAO Zhenjun, SI Changqing, DING Xiaoming, et al. Influence of Aspect Ratio of Side Ventilation Window on Air Circulation in Terraced Greenhouses[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 87-94.
2022-03-29
“十三五”国家重点研发计划项目（2017YFD0701500）；
农业农村部农业设施结构工程重点实验室开放课题（201903）
高振军（1986-），男。副教授。主要从事温室环境模拟及流体机械。E-mail: 570186276@qq.com
丁小明（1976-），男。研究员，主要从事温室设施装备研究和标准化。E-mail: dingxiaoming@aape.org.cn
责任编辑：赵宇龙
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