计算流体的基础模拟双膜太阳能温室作物冠层温度和湿度

文摘

在温室作物播种面积的微环境是影响经济增长的主要因素,质量,和害虫控制。在这项研究中,我们提出一个双层薄膜太阳能温室微环境测试系统基于计算流体动力学模拟多孔介质的芹菜树冠。温室是一个真正的检查传感器系统的土壤、空气、辐射和二氧化碳检测来验证仿真结果。通过监测芹菜的树冠的内部环境与0.8和1米的高度,温度波动的时期,我们发现树冠内部的温度和湿度极大地改变了空间和不同的太阳辐射条件下的温室。芹菜的温度和湿度树冠学报》第4 - 14是°C下和10%高出-30%的环境。随着林冠的成长,树冠之间的温度和湿度的差异和其他地区的温室增加。均方根误差的温度和湿度高0.8米芹菜树冠被发现是白天0.56和2.86,0.24和0.81,分别;相应的值为1米高的芹菜树冠被发现是白天0.51和2.26,0.26和0.78。多孔介质模型表示的温度和湿度特征芹菜适当作物,以及模拟方法被证明是有效的和可行的。用仿真方法在这项研究中,在温室作物生产的复杂的微环境可以建模和数字化。

1。介绍

太阳能温室最重要类型的温室用于冷和中国北方干旱地区(1]。他们要么关闭或半封闭式的热系统和由一个包围结构、室内空气、作物和土壤。太阳能温室的环境影响的外部温度、湿度、太阳辐射强度、风速、温室结构和种植作物(2]。作物生长的微环境影响植物效率、健康的增长速度,害虫防治,温室通风、灌溉、和其他相关方面的增长。温度和湿度分布的研究作物的树冠对作物生产和质量很重要(3- - - - - -5]。然而,研究基于计算流体动力学(CFD)模拟温室主要集中在作物生长的温室环境与需求6- - - - - -8]。随着计算机技术的快速发展,CFD-based数值模拟已经广泛用于研究气候的时空分布特征的微环境(如温度)温室(9- - - - - -12]。近年来,更多的学者关注温室作物的微环境。内部温度和湿度的改变温室作物生长过程中已成为一个热门研究课题(13- - - - - -15]。Boulard和罗伊利用CFD方法模拟微气象学的一个封闭的温室在树冠层次(16]。他们想像太阳辐射的分布,发现好的协议实验和仿真测量作物蒸腾。Tadj使用CFD方法模拟在一个封闭的拱形温室小气候番茄种植的影响,讨论了不同的加热系统在温室小气候的西红柿(17]。张曰发明了一种方法来评估超轻型飞机Liaoshen-type太阳能温室气候和热性能,包括详细的3 d番茄树冠结构模拟使用functional-structural植物模型(18]。Nebbali模拟通风隧道番茄温室的气候分布参数使用biband离散纵坐标(做)模型与植物树冠视为多孔介质(19]。他们认为太阳的位置和风力的影响在温室小气候。

在这项研究中,我们研究的温度和湿度分布在一个太阳能温室芹菜作物双层覆盖电影使用CFD方法。我们设计了一个对比实验和两个芹菜的树冠不同高度设置为各向同性多孔介质具有不同的参数。然后,我们使用了ANSYS模拟作物冠层温度和湿度流利。一个简单而有效的温室传感器测试系统设计提供所需的边界和验证条件模拟。CFD模型的准确性验证通过比较获得的值与测量结果与ANSYS流利。此外,我们调查的分布温度和湿度在不同高度的芹菜作物的树冠是探索。

2。材料和方法

2.1。学习网站和传感器系统设置

实验进行了Hailiutu太阳能温室实验网站的内蒙古农业大学。地理坐标如下:40.68°N纬度和经度111.37°E。图1在地图上显示了研究网站的呼和浩特,研究温室的照片。

实验进行一个太阳能温室双层覆盖膜。温室面临来自北部和南部的长度70米,9米的跨度。后壁brick-and-soil结构,厚1.4米,高3.5米。如图2,温室传感检测系统由三部分组成:数据采集、数据存储和数据传输(20.]。短暂、二氧化碳(CD,模型:CD10)、空气温度和湿度(ATH,模型:FLEX1000TH),太阳辐射(SR,模型:YJ-SR200)和土壤温度和水分(STM、模型:MS10)传感器,由大连Zheqin科技有限公司有限公司是连接到一个低频半双工罗拉串行端口(LG207P)数据收集。罗拉数据传输终端支持点对点通信协议与410 - 441 MHz频段工作。收集到的数据,并存储的计算机服务器连接到G780数据传输模块。G780是产品开发串行设备之间的数据传输和网络服务器通过运营商的网络。通过简单的注意命令设置,可以使用G780实现双向串行透明数据传输网络。数据被转移到实验室分析工作站通过4 g无线通信仿真分析(21,22]。

ATH传感器提供14位空气温度(aTp)和12位空气湿度(和)测量。温度测量范围从−20到85°C的精度±0.3°C。湿度测量范围从0%到100% RH的精度±2% RH。STM传感器测量温度−40至80°C,湿度介于0和100% RH和精度±0.5±3%,分别。SR传感器测量光谱范围从0.3到3μm。辐射传感器的核心设备是一个高精度传感器,和石英玻璃盖用精密光学冷加工是安装在传感器有效地防止环境因素影响其性能。图3节目的安排测量分太阳能温室和温室传感器系统的照片。

室外的温度、湿度、太阳辐射、风速和风向的气象站。为了关注作物树冠,传感器组安排在作物的跨越横截面的中心树冠在双方两米(2米)的距离。每组由四个ATH传感器在垂直方向排列。这些传感器可以根据树冠高度调整。专门为0.8米,树冠高度,传感器可以调整到0.1,0.4,0.6,或从地面0.8米,树冠高度1米高,他们可以调整到0.1,0.4,0.8,1米从地面水平。七ATH传感器被安排在内部拱形棚,内膜、外膜,北部和南部的天花板,天花板,两米以上和后方的墙上。这些传感器被用来设置边界条件观察aTp和和温室。三个STM传感器被安排在土壤表层设置边界条件的土壤表面温度和含水率。SR传感器安排在树冠内空气和观察太阳的辐射在温室里面。CD传感器被安排在中间的树冠,大约离地面1.9米观察二氧化碳浓度的变化在树冠和空气。

2.2。CFD模型过程

CFD模拟的温室能源动力学主要是基于多孔介质模型,空气扰动模型,太阳辐射模型,和能源组件传输模型(23]。多孔介质的非均匀材料的结合,在固体作为媒体的支柱,通过毛孔和液体或气体分布。在这项研究中,芹菜树冠被设置为一个各向同性多孔介质模型遵循达西定律。这是基于的物理结构树冠和实验区的微环境24]。因此,多孔介质模型模拟多孔材料的电阻的流体计算域通过添加动量方程的源项。的源项由粘性阻力项和一个惯性损失项。多孔介质模型的视速度的公式如下: 在哪里的动量源项吗方向( , , ), 粘滞系数,的速度吗方向(米/秒),是速度的绝对值,是流体密度(公斤/米³)在温室, 是粘滞阻力系数,是惯性阻力系数。因为树冠内的流体流动是层流,惯性阻力系数可以解决使用Blake-Kozeny方程: 在哪里是压力梯度(Pa),树冠层厚度(m),平均粒径(m),孔隙度,是传入的速度(米/秒)。将方程(1)方程(2),我们得到

在先前的研究中,Ha报道,与0.8和1米高度多孔介质孔隙度为0.35和0.3,分别为(25]。表1显示芹菜作物参数的计算结果。

通过考虑液体的粘度低雷诺数流动,重整化群湍流模型,考虑额外的术语来改善精度(26- - - - - -28),用于仿真。重正化群模型方程如下: 其中下标Φ显示的数量。,temperature or humidity, designated as aTp or aHd, respectively,扩散系数(m²/ s)设置为一个常数,和是流体速度矢量(米/秒)。

当太阳辐射穿过半透明的薄膜温室,光线反射和折射。考虑到半透明的电影特征和阳光强度在内蒙古,做模型被选中来模拟太阳辐射的影响在温室热环境。做模型方程如下: 在哪里是向量的方向,是位置向量,是电影的吸收速率,太阳辐射强度(W / m²), 是太阳辐射能吸收电影(MJ / m²), 由电影发出的辐射能(乔丹),然后呢辐射强度是通过这部电影(W / m²)。

ANSYS仿真不流利,温室气体被设置为水蒸气和空气的混合物。能量传递是通过使用一个水分转移,体积分数和水蒸发模型。从这些模型,我们获得 在哪里是组件的体积浓度在混合气体(毫升/ m³),组件的质量浓度(毫克/米³),是组件的质量扩散系数(m²/ s),是额外的广义源(米/秒)。

2.3。分析设置和啮合网格

我们监控微环境的变化在中央部分的温室树冠。具体来说,中间部分的二维物理模型建立了双层薄膜太阳能温室使用计算机辅助设计和随后用于CFD模拟使用ANSYS流利。值得注意的是,高的树冠高度相同的作物种植时没有外部干扰,仿真结果的中间部分可以代表的总体趋势微环境因素(如温度)在温室29日]。在这项研究中,我们使用一个2 d仿真模型监控林冠微环境特征的分布,因为模型可以反映林冠下的温度和湿度分布较低的干扰和一些测试数据。我们使用津南Shiqin第一Benqin芹菜,这是源于Shandon省份不同,中国和本地区被广泛种植。我们种植了162行11植物芹菜在东西方向上的9月15日,2018年。芹菜的增长模式的树冠高度为0.8米(2018年11月25日)和1米(2018年12月20日)进行了比较。济南Shiqin第一Benqin可以长到约1.2米;它形成一个相对质树冠在0.8米,适用于收获1米高度。因此,芹菜0.8和1米的高度,是最适合这个品种相对比较有考虑到孔隙度和其他相关微环境因素考虑在这个研究。温室传感器系统操作在9月23日12:00开始,每半小时收集的数据。数据被选中(即上午十一时。, the warm-up period in the greenhouse) and 0:00 a.m. (i.e., the cool-down period in the greenhouse) for systematic energy dynamics analysis.

在分析中,我们使用CFD (ICEM-CFD)划分网格和计算模拟域。作物树冠面积和空气noncanopy温室里的部分被设置为计算域。内部和外部的边界膜弧由网格加密部分和随后在计算域离散。网格计算的质量高于0.35,和最大网格大小设置为0.02。这个设置不仅提高了计算的精度,而且提高了计算的速度(30.]。的温度区域内外膜之间的接近晚上室外温度后内膜被关闭了。因此,这一地区被忽视了。我们设置的测点传感器在ANSYS流利而获得的测点数据和检测数据导入到起源进行验证和分析。

在ANSYS流利的解法,semi-implicit pressure-linked方程方法(简单的)算法模拟计算。我们设置了最小二乘细胞压力梯度和标准。动量、能量和H₂O将二阶逆风,湍流耗散率、湍流动能,DOs将一阶逆风[31日]。低松弛因子的压力、动力、湍流耗散率,和湍流动能被设置为0.3,0.7,0.8,和0.8,分别和其他人被设置为1。能源和DO-intensity收敛残留的标准设置为10⁶,另一个残差收敛都设置为10³(32]。

2.4。边界条件

地面边界条件包括室外气候,土壤,墙壁,作物区域边界,内部和外部的塑料薄膜。作物是多孔介质,和边界是porous-jump边界。其他边界设置为一堵墙,在塑料薄膜和内心的拱形棚设置为半透明的媒体(33]。表2介绍了各种材料的热性能参数的太阳能温室。

3所示。结果

3.1。能通量动力学仿真

图4显示了日间和夜间在连续时间步迭代误差曲线模拟和CFD计算迭代。由于模型的精度和网格设置,错误的迭代曲线收敛迅速和顺利。我们之前可以获得仿真结果获得新的测试数据(半小时),所以可以使用这个模型结合温室测试系统实现实时仿真和监控的温室环境。

3.2。能通量动力学仿真

数据5和6显示温度和湿度分布的CFD模拟结果与不同的芹菜树冠高度11:00和0:00点。,分别。从图5,它可以看出上午十一时。,heat is exchanged through the opening of the inner membrane, and the temperature between the inner and outer membranes reaches the highest value. The lowest temperature is measured at the bottom of the canopy layers. The temperature difference between the middle position of the 0.8 and 1 m high celery crop canopies, and the internal environment are 7.6 and 9.3°C, respectively, and the corresponding lowest soil surface temperatures are 11.0 and 9.3°C. The temperature difference in the canopy area of the 1 m high celery crop is larger than that in the canopy area of the 0.8 m high celery crop. The internal humidity of the canopy is higher than 80%; it forms a gradient from the bottom to the top, with the highest humidity approaching 95%. By comparing the simulated cloud maps, it can be found that the humidity distribution of the 0.8 m high celery canopy is similar to that of the 1 m high one.

从上到下的芹菜树冠,温度降低,湿度增加时通过太阳辐射加热;在水平方向上(从墙上的内膜),温度湿度增加而减少。这些结果表明,低孔的树冠在温度和湿度上的巨大差异。

由于内膜收于16:00时,温室夜间在冷却阶段。在温室热量的主要来源是土壤的辐射热,墙壁,和作物树冠。我们可以看到在图6,晚上最低温度测量塑料薄膜部分外附近土壤的0.8和1米高的树冠是4.9和5.1°C,分别。最高气温记录底部的0.8和1米高的作物的树冠是8.1和8.3°C,分别。温室内的湿度达到值在90%以上。这时,温室在冷却阶段,整个温室湿度差异很小。该地区湿度多孔介质层的温室里是一样的。0.8和1米高的树冠,最高湿度记录在南部边界附近的覆盖膜是94%和96%,和最低湿度记录附近的北墙是87%和85%,分别。湿度的差异之间的底部和5厘米以上的面积0.8和1米高的树冠是1.1%和0.5%,分别。

从底部到顶部的树冠,芹菜树冠内部温度的降低,湿度在冷却过程中变化不明显(没有太阳辐射)。从墙上的温室(水平方向),温度升高和湿度降低。这些结果表明,林冠孔隙度和高度不影响显著的温度和湿度。

3.3。模拟验证分析

验证仿真模型中,我们比较了模拟和测量结果的温度和湿度的树冠不同高度11:00和0:00点。我们选择了ATH传感器数量标签2,5,7,8,9,11日和15对温度和湿度的验证34]。水平和垂直温度和湿度分布的作物树冠可以通过选择观察测量分。ATH传感器没有。2、5、8、11是温度和湿度的用于验证结果在垂直方向的树冠,而传感器7号、8和9是用于验证在水平方向上。ATH 15号传感器被用作温室环境比较点。图7显示验证结果。

从图中,可以观察到的温度和湿度分布的总体趋势是一致的在0.8和1米高的树冠。除了测试点9号仿真值低于测量的温度。模拟湿度值在测试点2、5、7、8和9比测量值较低,而相反的趋势是观察到测试点11和15。11点和0:00点。,the relative errors of the temperature are 7.06% and 6.64%, respectively; the corresponding values of the humidity are 4.34% and 6.35. The root mean square errors of the temperature and humidity with the 0.8 m high celery canopy are 0.56 and 2.86 during the day and 0.24 and 0.81 at night, respectively; the corresponding values for the 1 m high celery canopy are 0.51 and 2.26 during the day and 0.259 and 0.78 at night.

4所示。讨论

发现双层薄膜太阳能温室控制太阳能辐射能通过内外膜之间的地区传播。内膜的开口大小和时间被发现影响温室环境的温度和湿度分布和作物微环境。作物微环境中的温度和湿度与树冠结构不同于温室环境中被发现。在太阳辐射下,作物冠层温度低于环境温度,湿度高于环境湿度。Boulard和罗伊认为,树冠上的多孔介质的特征参数是影响质量的主要因素和作物与环境之间的换热。然而,他们认为整个作物树冠和研究树冠表面的温度和湿度。使用先进的建模技术,张模拟每个温室组件的表面温度和作物在器官水平个人离开。作物的准确和复杂的建模,但长时间的模拟是不利于及时指导和作物生产的建议。许等人建立了一个辐射模型的太阳能温室的温度和湿度,发现作物树冠明显受太阳辐射影响(35]。Adeyemi使用水胁迫指数来描述温度和湿度分布特征的灌溉条件下作物冠36]。徐和Adeyemi研究太阳辐射和水运,树冠的分别,但缺乏分析物理特性和模型建设。我们的研究进一步验证作物树冠表面有效地阻止了太阳辐射,温度和湿度分布有差异在树冠。

从上述研究,这项研究的结果,可以得出结论,在辐射下,树冠的内部温度和湿度主要影响树冠结构和参数。通过树冠表面质量和热量交换。树冠内的温度和湿度组成了一个根据树冠结构的分层分布。这表明,温度和湿度的分布可以建模相对容易通过设置适当的作物的植物孔隙度。虽然一些研究[37- - - - - -39)报道,可以增强作物生长控制温室的环境条件,我们的研究结果表明,在温室作物需要的温室环境条件不同。因此,我们得出这样的结论:温室作物的生长可以增强通过设置一个控制温度和湿度范围通过使用辅助设备,如加热、通风、灌溉系统,不同的作物灌溉系统,通过削减作物树冠的形状来促进光拦截。

与传统温室监控和分析系统,与多孔介质的CFD模拟树冠模型可以用来记录的内部微环境状态树冠使用温室检测系统。此外,CFD方法允许更快的收集和分析的结果,这是很重要的害虫控制温室通风、灌溉、和其他方面的密集型作物生产。然而,也有一些问题,还需要进一步研究。首先,多孔介质模型使用的平均孔隙度芹菜作物树冠,和错误可能发生的区域孔隙度千差万别。此外,模拟的边界条件的温室环境作为一个整体;然而,在太空中有一定的差异。这两个问题是导致仿真误差的主要因素。其次,通过温室检测系统获取数据需要人工操作导入ANSYS流利的CFD模拟分析(40]。

在未来,提高模拟的准确性将树冠模型划分为多个层对不同疏相结合。基于这项研究的结果,三维CFD模拟研究与辅助设施应进一步探讨微环境因素的空间分布在温室条件下作物树冠。

5。结论

我们提出了温室微环境测试系统,可以监控环境因素(即。温度和湿度)用CFD模拟多孔介质树冠模型ANSYS流利。

这项研究的结果表明,林冠内部的温度和湿度变化空间和不同在很大程度上与太阳辐射条件下温室。芹菜树冠的温度和湿度是学报》第4 - 14约°C下和10%高出-30%的环境。随着林冠的成长,树冠之间的温度和湿度的差异和其他地区的温室增加。

多孔介质模型可以准确模拟芹菜作物之间的传热传质和温室空气和土壤。用仿真方法在这项研究中,在温室作物的生产可以建模和数字化。

数据可用性

繁殖所需的原始/处理数据不能共享这一研究获得的结果在这个时候,因为他们是在一个正在进行的研究中使用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

魏、J负责概念化,方法,验证、资源、空间分析、写作(草稿准备),写(审查和编辑)、可视化、和资金收购。气、L和鲁伊·S负责资源,写作准备(初稿),和数据管理。一派,G负责资源、软件和形式分析。Kunyu L负责资源、软件和调查。Na T负责融资收购,写作(审查和编辑),和可视化。所有作者批准了最终版本的手稿。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(61663038)和中国内蒙古自然科学基金(2019号ms05027)。作者感谢编辑和评论员的建设性意见。我们还要感谢秦刚H,能源动力与机械工程学院、华北电力大学、为他的援助与ANSYS仿真流利和ICEM。

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