基于计算流体力学的温室数值模拟分析

王应毅 张 续 邓 鑫 BingXin Wu

（浙江荣亚工贸有限公司，浙江 金华321000）

温室是在传统农业的基础上，运用现代农业生物技术、信息技术、航天技术、新能源技术、新材料技术、海洋技术等高新技术来武装农业、改造农业的技术体系。它具有高投入、高风险、高效益等特点，目的是为了促进生态农业、高效农业、现代农业的发展[1]。计算流体动力学（CFD）是一种成功的数值计算方法在温室试验中应用并验证许多模型，尽管近十年来计算机技术的进步使得典型温室的CFD 模型更加可靠(由于三维几何结构)[2]。本文的目的是探讨不同风速、风扇通风口和通风结构对工厂通风的影响，以通风装置为基础。利用正交试验优化方法对CFD 模拟结果进行分析，比较室内多个位置的流场指标，为通风设施提供参考[3]。

1 温室三维建模

温室建立于浙江省永康市浙江荣亚工贸有限公司，实验模型为7.2×5.1×3.1 m。四周墙体采用聚碳酸酯板。在墙的两侧与屋顶设计了12 个风机。房间内设置8 个种植架，第一层高度为30 cm，另一层高度为60 cm。晚上光照强度弱，对栽培架每层配备2 台植物补光灯，可模拟自然光，为植物提供光合作用[4]。在SolidWorks 中工厂模型的建立如图1 所示。

图1 温室三维图

为了得到最佳的通风气流方式，采用正交实验设计对智能化温室通风气流均匀性进行仿真，表1 给出了L9(33)因子设计的矩阵，该设计需要考虑三个主要影响因素:风速(因子A)、风机通风口(因子B)和通风结构(因子C)，假设任意两个因素不相互影响。

表1 正交实验设计表

采用CFD 软件（FLUENT 16.1）进行模拟计算。将温室内的送、回风过程看做三维、稳态、不可压缩的湍流流动过程；湍流模型选用standard k－ε 模型；为了提高通风效率，确定最佳的通风方式，我们在建立模型中设立12 个点作为参考数据。垂直气流比水平气流更能有效地抑制叶尖烧伤的发生[7]，所以我们选取Z 方向的气流速度作为监测值。以12 个点Z 方向的风速作为评价指标，然后采用信息熵赋权法进行赋值计算综合分数。

表2 正交实验表结果

为了更加直观分析每个不同因子水平对试验指标的影响程度，如图2 所示，以正交试验因子的三个水平数值量为横坐标，以Z 方向风速大小为纵坐标，建立正交试验因子与试验指标之间的坐标系。其中标注横坐标的A1、A2、A3 表示为风速的三个水平，B1、B2、B3 表示为通风口大小的三个水平，C1、C2、C3 表示为通风机构的三个水平。

图2 各因子对垂直风速影响

由表正交实验极差分析可知，实验范围内各因素对垂直方向风速的影响次序为：（主）A＞C＞B（次），即风速＞通风结构＞通风口。最佳实验组组合为A3B2C2，风速5m/s，通风口260mm,通风结构为侧进上出。

2 仿真结果分析

为研究最佳通风方式垂直方向风速分布情况，选取平面X=1.8m,3.6m,5.4m 截面速度矢量图如图3 所示，由于栽培架对空气流动的影响，中间空气流动较大。在X=3.6m 时，中间在无栽培架阻力作用下两侧空气流动明显，下方风速较大。对比3个面矢量图发现左右两侧风速非常的小不适合作物的生长。

3 结论

在本研究中，为了解决试验周期长等难题，利用正交试验设计对最佳通风方式进行分析，通过极差分析比较结果发现当风速5m/s，通风口260mm,通风结构为侧进上出时，通风效果最为明显，为以后探究温室湿热环境分布具有指导意义。

图3 X=1.8m,3.6m,5.4m 截面速度矢量图