基于CFD的寒地水稻育秧大棚环境数值模拟分析与农业研究

本文是一篇农业毕业论文，本文以寒地水稻育秧大棚作为研究对象，采用 CFD 软件对其内部环境进行三维数值模拟分析，模拟值与实测值吻合较好。为使水稻秧苗在大棚内优势生长，提高秧苗质量，利用已验证的模型对实验大棚进行通风结构参数优化，结果可作为实际生产运用中的理论依据。


1 绪论

1.1 研究的目的和意义
在我国生产的粮食作物中，水稻占据了主要位置，其每年的种植面积和产量都在大幅度的增加。东北地区是我国水稻的主产区，每年水稻的耕种占地都呈增长趋势。由于东北地区地处寒地，气候比较寒冷且早晚温差较大，因此在水稻育秧期间多会遭遇到早春低温、阴雨寡照、升温慢等多种不利环境因素影响，严重降低了水稻秧苗的质量。为了避免因天气原因给水稻秧苗带来的危害，东北地区的水稻育秧工作一般选择在每年的 3 月中旬至 5 月中旬在育秧大棚内进行。在大棚内进行育秧的过程中，大棚内部空气温湿度是直接影响水稻秧苗生长的重要环境因素，温湿度过高或过低都会对水稻秧苗造成危害。为使水稻秧苗能够在大棚环境内优势生长，方便种植人员做出精准分析与及时进行调控措施处理，准确掌握水稻育秧大棚内各环境因子的分布情况与变化规律变得十分必要。
传统获取环境因子数据的方法工作量大，实验周期长，且需要精准度很高的测量设备和测量人员熟练及准确无误的测量方法，无法满足数据的准时性和高效性，因此对温室大棚内部环境因子进行理论模拟研究已成为一种必要。随着计算机技术及数值计算的不断完善与发展，计算流体动力学 CFD—Computational Fluid Dynamics，以其全面、高效、准确、成本低等优点，已成为通过建立计算机模型、处理测量数据以及分析验证结果来模拟解决温室大棚内部环境问题的得力工具。采用 CFD 方法进行数值模拟，不但能得到环境因子在整个温室大棚内外空间上的分布情况以及随时间的变化规律，而且在外界气候和温室结构发生改变时，仅对建立模型的边界条件进行修改就可预测出室内环境随之发生的变化，这为我们对温室大棚内部环境进行模拟研究提供了非常有效且便利的条件。本文以种有水稻秧苗的寒地水稻育秧大棚为研究对象，采用 CFD 方法建立三维模型对自然通风条件下的大棚内部温湿度场和气流场进行深入的模拟分析，与实际测量值相对比得到验证后可对其他外界条件下的大棚内部环境进行新的模拟预测，提前得知大棚内部环境的分布情况和各环境因子的变化规律，为掌握水稻秧苗长势和及时有效调控水稻育秧大棚内部环境提供详细有效的理论依据。
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1.2 国内外研究动态和趋势
CFD（Computational Fluid Dynamics）—计算流体动力学是包含以（动量方程、质量方程以及能量守恒方程）流体控制方程为依据的模拟仿真软件，它可以对流体进行模拟分析，主要分为三部分：前处理、求解和后处理。随着计算机技术的不断发展与 CFD 软件的不断完善，CFD 在温室中的应用普及范围变得十分广阔，主要用于温室环境的模拟研究。下面将分别叙述国外和国内应用 CFD 在温室环境中的研究状况。
1.2.1 国外应用 CFD 在温室环境中的研究
（1）二维 CFD 模拟
在采用 CFD 方法对温室的早期研究中，由于受到物理模型不完善以及计算机计算能力的限制，研究者主要针对简单条件下的温室内部流场和温度场分布进行二维模拟。
① 考虑不同湍流模型因素
1997 年，Mistriotis 等以两连跨和四连跨的圆拱型屋面温室为研究对象，采用 RNG与 CK 湍流模型对其分别在零风速和低风速情况下的内部流场与温度场分布情况进行了模拟分析，经对比得出结论：模拟与实际结果存在较高的一致性。
1997 年，Boulard 等以自然通风条件下的圆拱型连栋温室为研究对象，通过采用 CK湍流模型以温室内部流场为目标进行数值模拟及研究，验证了 CK 湍流模型的可靠性。同年，采用标准 k 湍流模型模拟研究了不同温室长度对室内流场所带来的影响，得出结论：当温室长度 50m 时，通风效果相对较好。
2000 年，Shklyar 等运用了一个经过对 k 湍流进行改进的程序而不是直接采用现有的双尺度湍流模型对自然通风条件下的温室内部流场进行模拟分析，为我们引入了一种网格划分方法—区域结构化网格法。
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2 水稻育秧大棚实验设计与环境分析

2.1 实验大棚环境简述
本次实验是在黑龙江八一农垦大学校园内农学院实验的水稻育秧大棚中进行的，该棚育秧起始时间均相对较晚。地理位置为东经 125°09′，北纬 46°35′，处于北温带大陆性季风气候区。该地区的气候特征为：春季和秋季多风，夏季炎热，冬季寒冷多雪，全年无霜期较短。年平均气温 4.2℃，极端最低气温可达到-39.2℃，极端最高气温可达到 39.8℃，年均无霜期 143 天，年均风速 3.8m/s，一年中的降水量可达到 427.5mm。冬季盛行偏北风，寒冷且有雪，表现为热量总体降低；夏季盛行偏南风，前期表现为干热，后期表现为降水量增大；春秋两季均为过渡季节，春季表现为冷暖不定，且干旱多风；秋季表现为寒潮偏多，温度下降急剧。
实验的水稻育秧大棚为东西走向，东西长度 60m，南北方向跨度 10m，脊高 2.8m，采用低密度 PVC 塑料薄膜覆盖；东西两侧大门均为高 2.2m，宽 2.6m；南北两侧的卷帘尺寸均为长度 59m，开度 0.5m，距离地面高度 0.65m。大棚内种植的水稻秧苗，实验时处于离乳期，高度约为 0.15m，此时最适宜的生长温度为 21℃~25℃，湿度为 50%RH~90%RH，实验的水稻育秧大棚如图 2-1 所示。

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2.2 测试内容及方法
2.2.1 大棚外环境参数测量
大棚外环境参数包括：空气温湿度、风速、风向等。外环境参数每 10min 自动记录一次，实验采用以单片机为核心的无线多点实时监测系统。
大棚外采用的传感器测量范围与精度介绍：空气温度测量范围-30℃~100℃，分辨率0.01℃，测量精度±0.5℃；空气相对湿度测量范围 0~100%RH，分辨率 0.01%RH，测量精度±2%RH；风速测量范围 0~45m/s，分辨率 0.1 m/s；风向测量范围 16 风向。

2.2.2 大棚内环境参数测量
大棚内空气温、湿度采用 AM2302 温湿度传感器（温度测量范围-40~80℃，分辨率0.1℃，测量精度±0.5℃；湿度测量范围 0~100%RH，分辨率 0.1%RH，测量精度±2%RH）测量；太阳光照度采用 AS813 光照度仪（测量范围 0~200000Lux，分辨率 1Lux，测量精度±4%）测量。传感器实时采集到的大棚内部环境数据通过无线模块传输到上位机上。
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3 CFD 模型的构建 ..............................21
3.1 水稻育秧大棚物理模型 .........................21
3.2 水稻育秧大棚数学模型 ........................21
4 水稻育秧大棚环境 CFD 数值模拟验证与分析................... 31
4.1 水稻育秧大棚建模及计算域的确定 ................ 31
4.1.1 水稻育秧大棚模型的建立........................ 31
4.1.2 计算域确定..................... 32
5 风速风向对水稻育秧大棚环境的影响分析...................... 41
5.1 风速对水稻育秧大棚环境的影响 ..................... 41
5.1.1 大棚内温湿度分布模拟分析....................... 41
5.1.2 大棚内气流分布模拟分析............... 43

6 水稻育秧大棚通风结构参数优化

6.1 水稻育秧大棚卷帘安装高度与大门尺寸优化模拟
水稻是喜高温、多湿的植物，其在不同时期培育秧苗过程中所需的最适生长环境不同。离乳期作为决定秧苗生长质量的重要时期，此时要进行长时间通风炼苗并严格控制棚内温度。通过对实验水稻育秧大棚内部环境的数值模拟结果分析得出：受外界太阳辐射以及大棚结构的影响，棚头、棚尾（东、西）两侧大门附近的温度较高、作物层高度附近的温度超过水稻秧苗生长的最适温度，大棚内空气总体流动缓慢，不能与外界环境进行良好的交换。为使秧苗能够在大棚内优势生长，需对大棚进行降温处理。而在自然通风降温中，增加大棚内外部气体的流动性是最有效且最便捷的方法。实验的水稻育秧大棚较简易，仅能通过两侧的卷帘和大门作为通风口进行大棚内外气体的交换。为此，利用已验证的水稻育秧大棚 CFD 模型，通过优化大棚的卷帘和大门这两个通风结构参数来实现棚内降温。
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7 结论与展望

7.1 主要研究结论
本文以寒地水稻育秧大棚作为研究对象，采用 CFD 软件对其内部环境进行三维数值模拟分析，模拟值与实测值吻合较好。为使水稻秧苗在大棚内优势生长，提高秧苗质量，利用已验证的模型对实验大棚进行通风结构参数优化，结果可作为实际生产运用中的理论依据。
（1）以种有水稻秧苗的水稻育秧大棚作为研究对象，建立数学模型，并将实测的环境数据作为边界条件，对晴天和阴天两种典型天气情况下的大棚内部环境进行 CFD 数值模拟研究，得出结论：温度与湿度的模拟值相对实测值偏低，晴天天气的温度模拟值与实测值有 5 个点相差超过 5℃，其余各点的平均相对误差为 4.8%；阴天天气的温度模拟值与实测值有 4 个点相差超过 3.5℃，其余各点的平均相对误差为 4%；晴天天气的湿度模拟值与实测值有 4 个点相差超过 5%RH，其余各点的平均相对误差为 4.9%；阴天天气的湿度模拟值与实测值有 5 个点相差超过 4%RH，其余各点的平均相对误差为 4.5%。晴天天气下大棚内温湿度变化梯度明显，外界空气从北侧卷帘进入后沿着大棚棚壁流动，再由背风面返回，在大棚内部形成 “逆时针”涡流，大棚内空气总体流动缓慢，不能与外界环境进行良好的交换。
（2）外界不同风速风向对大棚内部环境的影响。外界风速每升高 1m/s，大棚内进风口处的卷帘温度降低约 0.2~0.6℃，湿度升高约 1.5~3.3%RH，风速升高约 0.8m/s；背风口处的卷帘温度降低约 1~1.2℃，湿度升高约 2~4%RH，风速升高约 0.3m/s；作物层高度附近的温度降低约 0.2~1℃，湿度升高约 1~3%RH，风速升高约 0.02~0.2m/s。不同外界风向对大棚内分布模式有明显影响，大棚在建造过程中要结合所在地区的主导风向确定大棚的走向。
（3）大棚通风结构参数优化。设计卷帘安装高度分别为 50cm、55cm、60cm，大门尺寸分别为 2m×2.5m、2.5m×3m，对大棚内部环境总共进行 6 次数值模拟与分析。研究表明：在卷帘安装高度为 55cm，大门尺寸为 2m×2.5m 的通风配置下模拟结果较好，作物层高度附近的温度约为 23.6℃，湿度约为 47.6%RH，满足水稻秧苗的最适生长环境且大棚内的环境总体分布更为均匀。
参考文献（略）