CFD在温室领域的应用

CFD(Computational Fluid Dynamics)是近代流体力学、数值数学和计算机科学相结合的产物。随着近年来CFD物理模型和计算方法的不断完善和改进，计算机运算速度的不断提高，许多成熟的商业化CFD计算软件得到了不断地推广。CFD研究方法在很多行业已经得到了广泛应用，如石油天然气工业、动力工业、冶炼加工、汽车设计、化学处理、生物医学、暖通空调、食品加工等。CFD研究以3大守恒定律（质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律）作为计算的控制方程，采用有限体积法（FiniteVolume Method）把连续的计算域离散成许多个子区域（体积单元），借助高性能计算机在每个体积单元上对控制方程组进行数值求解，进而在整个计算域上分析流体流动、传热和传质的规律。近年来，一种全新的CFD应用于园艺领域,在该领域CFD被用来模拟温室内部气候环境。然后，利用这些模型来研究温室内部环境对外部环境和控制的依赖性。
1 CFD软件简介
目前，有关温室领域CFD 模拟的研究论文都是采用商业CFD 软件包或为基于相同的理论和数学方法的程序在稳态下进行的。自从1981 年英国CHAM公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS 以来，迅速在国际软件产业中形成了通称为CFD 软件产业市场。到目前为止，全世界至少已有50 余种这样的流动与传热问题的商业软件，在促进CFD 技术在工业实际中的应用起着重要的作用。下面介绍国内有关高等院校和研究院所引进的5 种软件。
1) CFX。该软件采用有限容积法、拼片式块结构化网格，在非正交曲线坐标（适体坐标）系上进行离散，变量的布置采用同位网格方式。可计算的物理问题包括不可压缩及可压缩流动、耦合传热问题、多相流、粒子运输过程、化学反映、气体燃烧、热辐射等，同时还可以处理滑移网格，用来计算透平机械中叶片间的流场。
2) FIDAP。该软件是世界上第一个使用有限元法（FEM）的CFD 软件。其可以计算可压缩及不可压缩流、凝固与熔化、层流与湍流、单相与两相流、牛顿流体及非牛顿流体的流动问题等。
3) FLUENT。这一软件是继PHOENICS 软件后第二个投放市场的基于有限容积法的软件，包含有结构化及非结构化网格两个版本。其可以计算的物理问题类型有：定常与非定常流动，不可压缩与可压缩流动，含有粒子/液滴的蒸发、燃烧的过程、多组份介质的化学反映过程等。
4) PHOENICS。这是世界上第一个投放市场的CFD 商用软件（1981），可以算是CFD/NHT 商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法， 如SIMPLE 方法、混合格式等，由该软件的创始人D BSpalding 及其合作者S V Patankar 等所提出，对以后开发的商用软件有着较大的影响。
5) STAR-CD。这是基于有限容积法的一个通用软件。在网格生成方面，采用非结构化网格，还可以与目前通用的CAD/CAE 软件相连接，如ANSYS，I-DEAS，NASTRAN,PATRAN 等，在适应复杂计算区域的能力方面具有特别的优势。应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动，牛顿流体及非牛顿流体的流动，多孔介质中的流动，亚音速及超音速流动，涉及导热、对流与辐射换热的流动问题，涉及化学反应的流动与传热问题及多相流的数值分析等。
2 国内外温室自然通风的CFD研究现状
    从该领域第一篇论文(Okushima等1989)的出现到现在，能够看到在温室研究领域CFD模拟的复杂性和真实性的一个清晰的发展历程。这主要是由于随着时间的推进，新的、更快速和更高性能的硬件对更复杂的情况预测更具有准确性；同时，CFD软件包拥有越来越多的算法库和计算方法而变得更强大和复杂，从而也增加了它的应用范围。大部分小型温室和比例温室模型的CFD初步研究都是用来研究温室内部环境的。后者的研究是为了通过风洞实验对模拟结果进行验证，因为风洞实验无法对实际大小的温室进行测量。绝大多数温室的研究都是在无植物条件下进行的。大多数的研究人员认为应将植物和结构的因素考虑进来。如果要对温室内部气候环境进行真实的模拟，则植物和气候环境间的交互作用是不可以被疏忽的。然而，一些模拟将植物当作内部环境的一部分，植物被视为多孔介质，植物模型中包括二氧化碳的吸收。需要更详细和具体的植物模型，其中可能包括太阳辐射、湿度和温度的影响。模型的细化必须注意研究下面几方面的平衡，包括模型复杂性，对模拟技术、计算能力以及模拟输出结果必要的准确性。大部分的研究是采用二维模拟。与三维模拟相比，它减少了模拟过程的复杂性，也大大地减少了计算量。从某种程度来说，三维模拟是必需的，因为二维模拟达不到需要的准确性；而三维模拟的主要缺点对硬件的计算能力要求高。模拟一个标准尺寸的商业连栋温室需要一个超级计算机才能完成。对CFD研究的探讨中发现，在这个工作中适当的数学参数的选择和充分正确的边界条件的设定对结果的正确性是至关重要的。其中，一个例子就是湍流模型的选择。对于自然通风的温室，双尺度湍流模型的应用发现比标准的k - ε 模型有着较好的结果；而对于机械通风的温室，二者的效果相差不多。除了湍流、对流、传导和辐射外，传热传质过程也是一些模拟研究的主题。在不同的模拟中，变量一般有气流速度和方向、温度、二氧化碳浓度和空气湿度。在自然通风下不同类型和大小的温室中，对受热压作用的通风如零风速和低风速情况以及受风压作用的通风的模拟都较为成功。得到结论是侧窗的存在增加了空气交换率，从而也降低了室内温度。对于地中海型温室、其他一些拱型和锯齿型温室，一般的结论是如果温室的跨数较多则意味着通风效率的减少和作物水平的温度较高，并且观察得到增加通风口开放面积确实增加了空气交换，同样增加了风速，在所有的通风情形中情况都是如此。如果没有侧窗，在下风通风的情况下，在开着天窗的Venlo型温室当中的作物水平高度存在逆流。一种尝试对大型商业Venlo型温室的一个代表性区段进行的模拟不能达到期望的准确性。因此，对完全的和标准尺寸的温室进行模拟成为必要。
3 国内外温室机械通风的CFD研究现状
    由于国外连栋温室较少应用机械通风降温系统，到目前仅Bailey et al (1994)对机械通风下的Venlo型连栋温室的内部流场进行了CFD模拟。模拟采用三维模型和稳态，CFD研究的对象是一个封闭的4连跨温室和一个9连跨温室，湍流模型采用标准的k - e 湍流模型。首先，对4连跨温室(12.8m×33.3m)的预测结果和有限的实验结果进行比较，证明了CFD方法的可行性。随后，利用CFD进行研究相同温室中风机位置对温室内部流场的影响。然而，对于带有双风机的9连跨的商业温室(56.7m×47.5m)的模拟并不成功,无法进行满意地运行，而且风机的最适宜的位置也无法确定。由于国外的猪舍和鸡舍多采用机械通风，所以这方面类似的研究也相对多些。2001年，Huawei Sun等利用CFD研究机械通风猪在不同风速下舍内的流场分布，探讨猪舍内部布置方式，改善氨在舍内的分布。2002年，Lee等利用CFD对强制通风猪舍进行优化设计，给出不同通风率下，小猪所在位置的风速。我国气候有3大特点：显著的季风特色、明显的大陆性气候和多样的气候类型。所以，大部分地区冬冷夏热，我国的连栋温室在夏季高温季节大多数采用机械通风降温系统，温室制造商对商业温室内部环境信息的需求也越来越多，但国内这方面的研究却刚刚起步。
    利用CFD模拟温室内部气候环境才刚刚起步，这需要更多的时间来关注。未来新的硬件和软件将会使利用更加复杂，需进行大模型的模拟。然而，此时对模拟结果的验证却相应地变少了，尤其是对大型的商业温室来说,不能够被按比例缩小来进行风洞实验再和CFD的模拟结果进行比较。研究人员利用实验技术来获得温室内部的气候信息，包括PIV、热球式风速仪、激光-多普勒风速计、二氧化碳传感器、热电偶、辐照计、温湿度自动记录仪、数据采集仪、气象站以及其他专用仪器都能用来测量气候变量。通过CFD 在参数方面的研究和应用，将会给温室设计、操作和控制方面带来革命性的改变。更进一步就是将CFD 模型数据插入智能温室的控制系统中，来改善其对温室环境的反应，从而来调节温室内的风速，遮光和温度。