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      熱風(fēng)管道加溫下日光溫室根區(qū)溫度場(chǎng)的CFD模擬

      2022-11-07 03:20:46高振軍司長(zhǎng)青張彥萍朱立保
      關(guān)鍵詞:根區(qū)進(jìn)風(fēng)口熱風(fēng)

      高振軍 司長(zhǎng)青 何 芬 張彥萍 朱立保

      (1.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100125; 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100125; 4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院,河北 保定 071001)

      根區(qū)溫度對(duì)作物根系生長(zhǎng),水分及礦物營(yíng)養(yǎng)的吸收產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)根區(qū)溫度高于或低于作物生長(zhǎng)和代謝的最適溫度時(shí),根系生理功能受到抑制或脅迫。日光溫室冬季主要依靠太陽(yáng)能提高室內(nèi)溫度,當(dāng)遇到極端天氣時(shí),室內(nèi)溫度無(wú)法達(dá)到作物最適宜生長(zhǎng)溫度,為此采用主動(dòng)加溫設(shè)備提升空氣和根區(qū)環(huán)境溫度是必要的。熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)具備升溫快,設(shè)備投資低等優(yōu)點(diǎn),在冬季日光溫室生產(chǎn)中已有一定應(yīng)用。但由于實(shí)際生產(chǎn)中,難以掌握實(shí)際根區(qū)溫度分布情況,進(jìn)而影響熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)的調(diào)控。為此,研究熱風(fēng)加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)根區(qū)溫度分布的影響具有重要意義。

      目前對(duì)于溫室加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的方法主要以試驗(yàn)測(cè)試為主。張卓等采用硅橡膠加熱板對(duì)盆栽作物的基質(zhì)進(jìn)行加熱,分析對(duì)比了不同根區(qū)加熱溫度對(duì)作物生長(zhǎng)的影響。賈宋楠等以地暖管加熱溫室土壤為研究對(duì)象,通過(guò)不同試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比得到了熱管的最佳埋設(shè)深度。孫先鵬等開(kāi)展了太陽(yáng)能蓄熱聯(lián)合空氣源熱泵加熱試驗(yàn)研究,通過(guò)多組試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果得到了最優(yōu)的供熱方式。隨著CFD技術(shù)的迅速發(fā)展,該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于溫室的熱濕環(huán)境模擬和自然通風(fēng)模擬,但用于溫室加溫系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方面的研究較少。王謙等構(gòu)建了冬季夜間供暖條件下溫室室內(nèi)熱環(huán)境的CFD模型,并對(duì)室內(nèi)溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。劉文和等采用CFD建立了太陽(yáng)能墻體輔助加溫系統(tǒng)模型,對(duì)加溫系統(tǒng)中的管徑、管間距、流體溫度等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。張勇等構(gòu)建了日光溫室蓄熱后墻的CFD模型,通過(guò)模擬不同工況下蓄熱風(fēng)道的溫度場(chǎng)得到了通風(fēng)蓄熱的高效范圍及有效長(zhǎng)度。

      本研究擬構(gòu)建日光溫室熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)的CFD模型,探究進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速和開(kāi)孔數(shù)量對(duì)根區(qū)溫度的影響,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)確定各參數(shù)對(duì)根區(qū)溫度分布均勻性的影響,以期為熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 日光溫室熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)

      本研究采用的熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)在已有試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái),主要由電熱暖風(fēng)機(jī)、自動(dòng)控制臺(tái)、送風(fēng)主支管等組成,具體布置見(jiàn)圖1。試驗(yàn)日光溫室位于北京密云區(qū)(東經(jīng)116.83°,北緯40.37°),東西方向長(zhǎng)度50 m,南北方向跨度7.2 m,后墻為490 mm厚磚墻,后墻高度2.3 m,脊高3.3 m。室內(nèi)采用高架基質(zhì)栽培種植黃瓜。該系統(tǒng)由自動(dòng)控制臺(tái)對(duì)溫度進(jìn)行控制,當(dāng)空氣溫度低于12 ℃時(shí)自動(dòng)運(yùn)行,達(dá)到15 ℃時(shí)延遲關(guān)閉。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),送風(fēng)主管出風(fēng)口溫度為40~50 ℃,送風(fēng)支管出風(fēng)口溫度25~30 ℃。

      1.2 物理模型

      圖2為單個(gè)基質(zhì)栽培槽熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)物理模型,該系統(tǒng)工作時(shí),熱風(fēng)從送風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入,經(jīng)送風(fēng)孔對(duì)根區(qū)進(jìn)行加熱。送風(fēng)管總長(zhǎng)度6 m,管道直徑0.15 m,沿管徑方向均勻開(kāi)設(shè)30個(gè)直徑為0.04 m的送風(fēng)孔。送風(fēng)管上方0.07 m為U型基質(zhì)栽培槽,槽厚為0.002 m,槽內(nèi)為基質(zhì)。由于基質(zhì)栽培槽厚度較薄,且槽底部開(kāi)設(shè)有透氣孔,為簡(jiǎn)化模型忽略栽培槽結(jié)構(gòu)。根區(qū)即為基質(zhì)所在區(qū)域,尺寸為6 m×0.5 m×0.25 m。

      1.進(jìn)風(fēng)口;2送風(fēng)管;3.根區(qū);4.出風(fēng)口;5.流體域 1.Inlet; 2.Air supply duct; 3.Root zone; 4.Outlet; 5.Fluid domain圖2 單個(gè)基質(zhì)栽培槽熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)物理模型Fig.2 Physical model of hot air duct heating system in single substrate cultivation tank

      1.3 測(cè)點(diǎn)布置

      試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集于2021-01-06 T3:30—4:30。根區(qū)溫度采用智能土壤記錄儀TJ1(量程:-40~120 ℃,精度:±0.2 ℃)進(jìn)行測(cè)量,室內(nèi)溫度選用溫濕度記錄儀TR-72U(量程:-40~110 ℃,精度:±0.2 ℃),采用室外氣象站Vantage Pro2采集室外溫濕度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速風(fēng)向等參數(shù)。根區(qū)溫度測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在距離進(jìn)風(fēng)口0.5、3.0和5.5 m的中心面上,溫度傳感器埋設(shè)在土深0.15 m處。

      1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

      采用溫度不均勻度、最低溫度、最高溫度和平均溫度作為評(píng)價(jià)根區(qū)溫度分布特性的指標(biāo)。其中,溫度不均勻度用來(lái)評(píng)估根區(qū)溫度分布均勻程度,各測(cè)點(diǎn)間溫度離散程度越大,溫度不均勻度越高。溫度不均勻度計(jì)算公式為:

      (1)

      式中:

      σ

      為溫度不均勻度;

      t

      為各測(cè)點(diǎn)溫度,℃,

      i

      =1,2,…,

      n

      n

      為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù);為各測(cè)點(diǎn)溫度算術(shù)平均值,℃。

      為使根區(qū)溫度評(píng)價(jià)更加客觀,在根區(qū)長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向分別以1 000、125和10 mm為單位均勻取點(diǎn),共建立625個(gè)取樣點(diǎn),用于后續(xù)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算。

      2 計(jì)算模型與模型驗(yàn)證

      2.1 計(jì)算模型

      為便于仿真模擬計(jì)算,提出以下合理性假設(shè):1)空氣為牛頓流體且不可壓縮。2)根區(qū)視為各向同性均質(zhì)多孔介質(zhì),傳熱方式為穩(wěn)態(tài)傳熱。3)忽略作物根部與根區(qū)之間進(jìn)行熱量交換,根部溫度等同于根區(qū)溫度。4)忽略根區(qū)水力傳導(dǎo)對(duì)模型傳熱的影響。

      本研究以送風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口另一端中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn),定義

      X

      方向?yàn)闄M向,

      Y

      方向?yàn)楦叨确较颍?p>Z

      方向?yàn)榭v向。采用模型和SIMPLC算法對(duì)熱風(fēng)加熱根區(qū)過(guò)程中溫度進(jìn)行模擬,計(jì)算域內(nèi)流體傳質(zhì)傳熱均滿足質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒方程。根區(qū)因結(jié)構(gòu)疏松多孔模擬時(shí)可視為多孔介質(zhì),假定根區(qū)為各向同性均質(zhì)材料,流體和多孔介質(zhì)之間處于熱平衡狀態(tài)。當(dāng)熱風(fēng)加溫根區(qū)時(shí)會(huì)受到來(lái)自基質(zhì)的阻力,滿足方程:

      (2)

      式中:

      μ

      為流體動(dòng)力黏度,Pa·s;

      α

      為多孔介質(zhì)滲透率,m;

      C

      為慣性阻力因子,m;

      ρ

      為流體密度,kg/m;

      v

      為流體速度,m/s;

      v

      為流體速度在

      X

      、

      Y

      Z

      方向的分量,m/s。

      2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

      采用ANSYS Meshing對(duì)模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)選用了4種,分別為549 786、820 934、1 014 373和1 238 103,綜合考慮耗費(fèi)時(shí)間和計(jì)算精度,最終采用網(wǎng)格數(shù)為1 014 373,其網(wǎng)格最小正交質(zhì)量為0.5,滿足后續(xù)計(jì)算要求。

      采用試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為模型初始及邊界條件。室內(nèi)空氣溫度初始化為12 ℃、基質(zhì)為15 ℃。送風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口采用速度入口,大小為1.5 m/s,送風(fēng)溫度為30 ℃。出風(fēng)口為流體域上表面,設(shè)為壓力出口邊界。送風(fēng)管道壁面設(shè)置為耦合傳熱,對(duì)流系數(shù)1.5 W/(m·K),溫度為12 ℃。日光溫室流體域四周設(shè)置為對(duì)流傳熱,對(duì)流系數(shù)1.5 W/(m·K),溫度為-3.5 ℃。根區(qū)孔隙率為0.6,采用Ergun方程計(jì)算得到根區(qū)粘性阻力因子和慣性阻力因子。

      2.3 模型驗(yàn)證

      為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性,以實(shí)測(cè)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)作為模型的初始條件,模擬熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)工作1 h后根區(qū)溫度分布情況,并與實(shí)測(cè)根區(qū)溫度對(duì)比。采用均方根誤差(RMSE)評(píng)價(jià)實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果的差異。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,同一位置根區(qū)溫度的實(shí)測(cè)值和模擬值之間的平均相對(duì)誤差為0.89%,均方根誤差為0.02,模型可準(zhǔn)確模擬根區(qū)溫度。

      3 結(jié)果與分析

      采用非穩(wěn)態(tài)模擬方法,時(shí)間步長(zhǎng)為2 s、迭代步數(shù)300步,模擬熱風(fēng)加熱根區(qū)10 min后溫度分布情況。研究進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速和開(kāi)孔數(shù)量3個(gè)因素對(duì)根區(qū)溫度分布的影響規(guī)律,設(shè)計(jì)3因素4水平正交試驗(yàn),得到不同加溫系統(tǒng)參數(shù)組合下最優(yōu)方式。

      3.1 單因素分析

      3

      .

      1

      .

      1

      進(jìn)風(fēng)口溫度對(duì)根區(qū)溫度的影響

      進(jìn)風(fēng)口溫度分別設(shè)為20、25、30和35 ℃,對(duì)根區(qū)加溫過(guò)程進(jìn)行模擬,不同進(jìn)口溫度根區(qū)下表面和中心面的溫度分布見(jiàn)圖3??梢?jiàn),進(jìn)風(fēng)口溫度對(duì)根區(qū)下表面溫度分布有較大影響。當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度為20 ℃時(shí)根區(qū)下表面高溫區(qū)域較少,溫度分布均勻。進(jìn)風(fēng)口溫度為35 ℃時(shí)根區(qū)下表面出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)域,溫度分布不均并呈現(xiàn)出中心高溫向邊緣低溫過(guò)渡的趨勢(shì)。這是由于熱風(fēng)加溫時(shí)間較短,加之根區(qū)傳熱系數(shù)較小,短時(shí)間內(nèi)根區(qū)下表面區(qū)域高溫難以通過(guò)對(duì)流傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞到根區(qū)內(nèi)部,同理根區(qū)上表面區(qū)域低溫難以傳遞到根區(qū)內(nèi)部。

      圖3 不同進(jìn)風(fēng)口溫度(tinlet)根區(qū)溫度分布Fig.3 Root zone temperature distribution under different inlet temperatures (tinlet)

      表1示出不同進(jìn)風(fēng)口溫度根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果??梢?jiàn),隨著進(jìn)風(fēng)口溫度增大,根區(qū)溫度不均勻度明顯上升,由2.78×10增大到8.24×10,增長(zhǎng)幅度為196.40%。這是由于熱風(fēng)加溫導(dǎo)致根區(qū)下部分區(qū)域溫度高于根區(qū)平均溫度,離散程度增大。根區(qū)最低溫度隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),變化幅度為1.35%。根區(qū)最高溫度、平均溫度和進(jìn)風(fēng)口溫度均存在正比例線性關(guān)系,即隨著進(jìn)風(fēng)口溫度的增大,最高溫度和平均溫度相應(yīng)升高,增長(zhǎng)幅度分別為42.96%和2.78%。這是由于進(jìn)風(fēng)口溫度直接影響根區(qū)下表面溫度分布,下表面與根區(qū)內(nèi)部進(jìn)行熱量交換,間接使得根區(qū)整體平均溫度升高。

      表1 不同進(jìn)風(fēng)口溫度根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
      Table 1 Calculation results of root zone temperature evaluation index under different inlet temperatures

      進(jìn)風(fēng)口溫度/℃Inlet temperature溫度不均勻度Temperature unevenness最低溫度/℃Lowest temperature最高溫度/℃Maximum temperature平均溫度/℃Average temperature202.78×10-213.3516.4614.77254.35×10-213.3718.8214.91306.22×10-213.5321.1415.03358.24×10-213.4123.5315.18

      3

      .

      1

      .

      2

      進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速對(duì)根區(qū)溫度的影響

      進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速分別設(shè)為1.5、3.5、5.5和7.5 m/s,對(duì)根區(qū)加溫過(guò)程進(jìn)行模擬,不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速根區(qū)溫度分布見(jiàn)圖4??梢?jiàn),根區(qū)下表面溫度高、溫度梯度大,每個(gè)送風(fēng)孔對(duì)應(yīng)根區(qū)下表面形成高溫區(qū)域,并且隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增大,下表面高溫區(qū)域明顯增加。這是由于在相同開(kāi)孔條件下,進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速越大,送風(fēng)孔風(fēng)速就越大,熱空氣與根區(qū)交換更為充分。根區(qū)上表面區(qū)域?yàn)榈蜏?,并隨著風(fēng)速的增加低溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大,主要是由于根區(qū)上表面區(qū)域主要和室內(nèi)冷空氣進(jìn)行交換。此外,根區(qū)內(nèi)部溫度隨風(fēng)速的改變變化較小,說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)熱風(fēng)加溫對(duì)根區(qū)內(nèi)部溫度升溫能力有限。

      圖4 不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速(vinlet)根區(qū)溫度分布Fig.4 Root zone temperature distribution under different inlet wind speeds (vinlet)

      表2示出不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果??梢?jiàn),隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增大,根區(qū)溫度不均勻度明顯上升,由6.22×10增加到1.29×10,增長(zhǎng)幅度為106.75%。這是由于進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增大,使得根區(qū)下表面溫度迅速升高,但根區(qū)內(nèi)部溫度變化不明顯,因此整個(gè)根區(qū)整體溫度不均勻度增大。此外,隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大,根區(qū)最低溫度不斷減小,減少幅度為4.00%;最高溫度不斷增大,增長(zhǎng)幅度為11.92%。對(duì)于不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速下,根區(qū)平均溫度隨進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增大呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì),變化幅度為0.60%。

      表2 不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
      Table 2 Calculation results of root zone temperature evaluation index under different inlet wind speeds

      進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速/(m/s)Inlet wind speed溫度不均勻度Temperature unevenness最低溫度/℃Lowest temperature最高溫度/℃Maximum temperature平均溫度/℃Average temperature1.56.22×10-213.5321.1415.033.59.46×10-213.2222.5115.055.51.16×10-113.1223.3715.117.51.29×10-113.0123.6615.12

      3

      .

      1

      .

      3

      開(kāi)孔數(shù)量對(duì)根區(qū)溫度的影響

      開(kāi)孔數(shù)量分別設(shè)為20、30、40和50,對(duì)根區(qū)加溫過(guò)程進(jìn)行模擬,不同開(kāi)孔數(shù)量根區(qū)溫度分布見(jiàn)圖5??梢?jiàn),根區(qū)下表面對(duì)應(yīng)送風(fēng)孔處為高溫區(qū)域,但面積大小存在差異。具體表現(xiàn)為當(dāng)開(kāi)孔數(shù)量為20時(shí),高溫區(qū)域面積較小并且每個(gè)區(qū)域之間不連續(xù);當(dāng)開(kāi)孔數(shù)量為50時(shí),高溫區(qū)域面積較大并且每個(gè)區(qū)域連為一體,這是由于每個(gè)通風(fēng)孔在對(duì)應(yīng)根區(qū)下表面形成高溫區(qū)域面積有限,當(dāng)開(kāi)孔數(shù)量較少時(shí)極易出現(xiàn)高溫區(qū)域不連續(xù)的情況,隨著開(kāi)孔數(shù)量的增加,高溫區(qū)域之間連為一體,表明隨著根區(qū)溫度的升高,整體溫度不均勻度增大。

      圖5 不同開(kāi)孔數(shù)量(n2)根區(qū)溫度分布Fig.5 Root zone temperature distribution under different number of openings (n2)

      表3示出不同開(kāi)孔數(shù)量根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果,可見(jiàn),隨著開(kāi)孔數(shù)量增加,根區(qū)溫度不均勻度明顯上升,由5.97×10增加到7.21×10,增長(zhǎng)幅度為20.77%。這是由于開(kāi)孔數(shù)量增加導(dǎo)致熱空氣與根區(qū)熱交換面積增加,使得根區(qū)下表面溫度升高,造成根區(qū)溫度分布不均勻度增加。根區(qū)最高溫度和平均溫度隨著開(kāi)孔數(shù)量的增加,增長(zhǎng)幅度分別為10.43%和0.40%,呈現(xiàn)出不斷升高的變化趨勢(shì)。這是由于相鄰送風(fēng)孔加熱根區(qū)時(shí)形成“疊加效應(yīng)”,產(chǎn)生局部高溫。最低溫度隨開(kāi)孔數(shù)量增加上下波動(dòng),變化幅度為1.08%。

      表3 不同開(kāi)孔數(shù)量根區(qū)溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
      Table 3 Calculation results of root zone temperature evaluation index under different numbers of openings

      開(kāi)孔數(shù)量Number of openings溫度不均勻度Temperature unevenness最低溫度/℃Lowest temperature最高溫度/℃Maximum temperature平均溫度/℃Average temperature205.97×10-213.6919.4715.00306.22×10-213.5321.1415.03407.15×10-213.7021.3115.08507.21×10-213.5421.5015.06

      3.2 正交試驗(yàn)

      以根區(qū)溫度分布均勻性作為評(píng)價(jià)指標(biāo),在單因素分析的基礎(chǔ)上,以進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速和開(kāi)孔數(shù)量作為試驗(yàn)因素,每個(gè)因素考慮4個(gè)水平,試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表4。對(duì)3因素4水平正交試驗(yàn)選用

      L

      (4)正交表,利用熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)CFD模型進(jìn)行不同參數(shù)組合下的模擬計(jì)算。由于根區(qū)溫度不均勻度為負(fù)向指標(biāo),即數(shù)值越小越好,所以對(duì)其采用逆向化處理(NMMS),使其變?yōu)檎蛑笜?biāo),即表明根區(qū)溫度分布均勻程度大小。模擬結(jié)果見(jiàn)表5。

      表4 熱風(fēng)管道加溫參數(shù)因素水平表
      Table 4 Hot air duct heating parameter factor level
      Table

      水平Level進(jìn)風(fēng)口溫度/℃Inlettemperature進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速/(m/s)Inlet wind speed開(kāi)孔數(shù)量Number ofopenings1201.5202253.5303305.5404357.550

      表5 熱風(fēng)管道加溫參數(shù)正交試驗(yàn)表及計(jì)算結(jié)果
      Table 5 Orthogonal test
      Table and calculation results of heating parameters of hot air duct

      試驗(yàn)Test進(jìn)口溫度/℃Inlet temperature進(jìn)口風(fēng)速/(m/s)Inlet wind speed開(kāi)孔數(shù)量Number of openings溫度均勻度Temperature uniformity1201.5201.002251.5300.783301.5400.344351.5500.005203.5300.906253.5200.897303.5500.248353.5400.369205.5400.7310255.5500.3211305.5200.8512355.5300.4613207.5500.5814257.5400.5315307.5300.6316357.5200.80

      對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析,確定熱風(fēng)管道加溫參數(shù)對(duì)根區(qū)溫度均勻性影響的主次因素及最佳組合方式(表6)??梢?jiàn),開(kāi)孔數(shù)量的極差值最大為0.601,進(jìn)風(fēng)口速度的極差值最小為0.105,表明在給定試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),開(kāi)孔數(shù)量對(duì)根區(qū)溫度分布均勻性影響最大,進(jìn)風(fēng)口速度對(duì)根區(qū)分布均勻性影響最小。觀察熱風(fēng)管道加溫系統(tǒng)參數(shù)在不同水平時(shí)的變化可以看出,隨著進(jìn)風(fēng)口速度的增大,對(duì)根區(qū)溫度均勻分布影響程度逐漸增加;隨著進(jìn)風(fēng)口溫度以及開(kāi)孔數(shù)量的增大,對(duì)根區(qū)溫度分布均勻影響程度均減小。因此,當(dāng)進(jìn)口溫度為水平1,進(jìn)風(fēng)口速度為水平4和開(kāi)孔數(shù)量為水平1時(shí),得到最佳參數(shù)組合,即進(jìn)風(fēng)口溫度為20 ℃,進(jìn)風(fēng)口速度7.5 m/s和開(kāi)孔數(shù)量為20時(shí),此時(shí)根區(qū)溫度分布最均勻。

      表6 根區(qū)溫度分布均勻性因素極差分析
      Table 6 Analysis of the range of factors for the uniformity of temperature distribution in the root zone

      指標(biāo)Index進(jìn)風(fēng)口溫度/℃Inlet temperature進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速/(m/s)Inlet wind speed開(kāi)孔數(shù)量Number of openingsK10.8020.5300.886K20.6320.5980.693K30.5150.5910.489K40.4050.6350.285極差 Range0.3970.1050.601主次順序Primary and secondary order開(kāi)孔數(shù)量>進(jìn)風(fēng)口溫度>進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速最佳水平 Best level141

      注:、、和為各個(gè)因素對(duì)應(yīng)各水平結(jié)果的平均值。

      Note: , , and are the average values of the results corresponding to each level of each factor.

      4 結(jié) 論

      本研究建立了日光溫室熱風(fēng)管道根區(qū)加溫系統(tǒng)CFD模型,采用單因素分析法探究不同進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速和開(kāi)孔數(shù)量下根區(qū)溫度分布規(guī)律,設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)綜合考慮各因素對(duì)根區(qū)溫度分布均勻性的影響,得到以下結(jié)論:

      1)將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,根區(qū)實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度平均相對(duì)誤差為0.89%,均方根誤差為0.02,證明模型可靠,可以準(zhǔn)確描述根區(qū)溫度分布情況。

      2)當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度由20 ℃增大到35 ℃,根區(qū)溫度不均勻度和最高溫度增長(zhǎng)幅度分別為196.40%和42.96%;當(dāng)進(jìn)風(fēng)口速度由1.5 m/s增大到7.5 m/s,根區(qū)溫度不均勻度和最高溫度增長(zhǎng)幅度分別為106.75%和11.92%;當(dāng)開(kāi)孔數(shù)量由20增大到50,根區(qū)溫度不均勻度和最高溫度增長(zhǎng)幅度為20.77%和10.43%;根區(qū)平均溫度和最低溫度最大變化幅度均小于5%。表明隨著進(jìn)風(fēng)口溫度、風(fēng)速、開(kāi)孔數(shù)量的增大,根區(qū)溫度不均勻度、最高溫度有較為明顯的增加,平均溫度和最低溫度無(wú)顯著變化。

      3)在研究參數(shù)范圍內(nèi),影響根區(qū)溫度分布均勻性主次順序?yàn)殚_(kāi)孔數(shù)量>進(jìn)風(fēng)口溫度>進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速,最優(yōu)參數(shù)組合方式為:進(jìn)風(fēng)口溫度為20 ℃,進(jìn)風(fēng)口速度7.5 m/s,開(kāi)孔數(shù)量20。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,在保證作物實(shí)際所需溫度的條件下,優(yōu)先選用進(jìn)風(fēng)口溫度較低,進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速較高以及開(kāi)孔數(shù)量較少的參數(shù)組合,來(lái)保證根區(qū)溫度分布均勻性。

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