塑料连栋温室（精选七篇）
塑料连栋温室 篇1
关键词：园艺学,温室结构,理论研究,载荷研究,风荷载
0 引言
设计荷载是结构设计的基本依据,是保证结构可靠性和经济性的首要因素。风雪荷载作为连栋温室结构设计中主要活荷载,在温室这种轻型结构中占有重要的地位。其定义、计算取值直接影响着连栋温室结构的安全性和经济性。
中国机械工业联合会自2001年10月起实施了有关温室的若干项行业标准,2002年7月国家质量监督检验检疫总局又颁布了两项国家标准。这些标准尽管还存在着这样或那样的问题,但已说明温室行业已逐步进入正常的发展轨道。本文根据《温室结构设计荷载》国家标准,针对我国华东地区连栋温室结构设计中的风荷载定义方法、计算取值、荷载组合等进行了较深入的探讨和分析,并对风荷载的标准值进行了修正。
1 影响风荷载参数
《温室结构设计荷载》中风荷载定义:垂直作用在温室结构表面的风荷载标准值为
式中wk—风荷载标准值(kN/m2);
βz—高度z处的风振系数;
U s—风荷载体形系数;
µz—风压高度变化系数;
w0—基本风压(kN/m2)。
2 主要参数确定
2.1 风振系数βz、风荷载体型系数us的确定
βz为高度z处的风振系数,平台z高度处的风振系数βz可按下式计算,即
式中ξ—脉动增大系数;
v—脉动影响系数;
ɕz—振型系数(取1.00)。
其中,脉动增大系数如表1所示;脉动影响系数,如表2所示。
根据我国华东连栋温室都非高层建筑的特点,可以取风振系数βz为1.0。对于风荷载体形系数µs,可按GBJ9-87第6.3.1条有关规定采用。
2.2 风压高度变化系数Uz的确定
平均风速实际是一定时间间隔(时距)内的平均风速,即
式中v0—平均风速(m/s);
v(t)—瞬时时速(m/s);
τ—时距(s)
风速是随时间不断变化的,一般来说,时距越短,平均风速越大;时距越长,平均风速也就越小。因而如何取值对分析很有影响,通常取规定时间内平均风速作为计算的标准。根据阵风的特性,每次大风约在lmin重复一次,阵风的卓越周期约在lmin,如以10min为标准,则基本上覆盖10个周期的平均值,我国标准取平均风速时距为l0min。各国平均时距的取值变化很大,为了具有可比性及分析的方便,在动压计算时取基本风速为30m/s,时距为10min。根据不同时距与10min时距风速换算系数,如表3所示。
对于温室这类轻型结构,特别是自重很轻的塑料大棚而言,计算温室的基本风速oV时应采用平均时距小于l0min的平均风速作为统计样本,再根据极值I型分布函数(函数曲线如图1所示)求得。风速记录表明,瞬时风速要远远大于l0min平均风速。因此,从理论上讲,用一定高度测量出的年最大瞬时风速资料计算出的一定重现期最大风压值也远大于用相同高度测量出的10min平均年最大风速资料所求出的相同重现期的最大风压值。
我国建筑结构荷载规范(GB/T 18622-2002)关于基本风压是这样定义的:以当地空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50年一遇10min最大风速为标准。按基本风压=最大风速的平方/1600来确定的风压值(《建筑荷载规范》附录),即
同一高度的风速还与地貌或地面粗糙度有关,如大城市市中心建筑密集,地表愈粗糙,风能消耗愈大,因而风速或风压也愈小。例如,海岸附近平均风速最高,而大城市中心最低。由于粗糙度不同,影响着平均风速或风压的取值,因此有必要为平均风速规定一个共同的标准。我国建筑结构载荷规范中定为4类,具体如表4所示。
风压高度变化系数:风压随高度的不同而变化,其变化规律与地面粗糙度有关,对于平坦或稍有起伏的地形,风压高度变化系数µz应按地面粗糙度类别查表。但由于温室建筑的特点,其高度一般不超过10m,大多在5m左右。因此要考虑风压高度折减,一般情况下不能直接按规范(GB/T18622-2002)中的风压高度变化系数表取值。但可按下列公式计算,同时要满足风压高度变化系数最小值不低于0.62,即有
根据华东温室所处地区特点,取地面粗糙度类别为B类,风压高度变化系数按Uz=(z/10).032计算,但最小值不低于0.62。风压高度变化系统,如表5所示。
2.3 基本风压0W的确定
W0可按全国基本风压分布图的规定取值,建议连栋温室基本风压取值不得小于0.3k N/m2(相当于9级风)。当城市或建设地点的基本风压值在全国基本风压分布图上未给出时,可通过对气象和地形条件的分析,参照全国基本风压分布图上的等值线,用插入法确定。
3 分析比较
对于同一结构,无论采用何种规范标准,压力系数取值仅与风洞试验有关,因此可以通过动压来比较不同规范标准下等效静态风压的变化。动压的表达式为动压q=Uz(0V2/1600)。当考虑阵风作用因子时,动压q应乘以阵风作用因子G。
不同标准下动压随高度变化曲线如图2所示。其中,曲线1—考虑风压高度系数和阵风作用因子时的动压(中国);曲线2—考虑风压高度系数时的动压(中国);曲线3—考虑风压高度系数时的速度压强(日本);曲线4—未考虑风压高度系数时的速度压强(日本);曲线5—考虑阵风作用因子时的动压(美国I=0.95);曲线6—未考虑阵风作用因子时的动压(美国I=0.95);曲线7—考虑阵风作用因子时的动压(美国I=1.0);曲线8—未考虑阵风作用因子时的动压(美国I=1.0)。
从上面的分析可以看出:考虑风压高度变化系数和阵风作用因子,按中国建筑结构荷载规范(GB/T18622-2002),必须进行重现期修正。取重现期调整系数为1.1,动压计算表达式为
把式(3)、式(4)、式(6)带入式(9)得
式中Uz一风压高度变化系数,常用见表5;
G一阵风作用因子,常用见表6;
2W0一基本风压(k N/m);
ur—重现期调整系数(取1.1)。
注:中间值线性插入
因此,对风荷载标准值要加以修正。为了计算风荷载标准值更加准确,进行重新修正。垂直于温室屋面上的风荷载标准值可按下式计算,即
式中wk—风荷载标准值(kN/m2);
us—风荷载体型系数,均可按中国建筑结构
荷载规范(GB/T 18622-2002)规定取值;
U z—风压高度变化系数;
ur—重现期调整系数(取1.1);
G一阵风作用因子;
W0一基本风压(kN/m2)。
为了方便工程应用,现将风力等级、风速与基本风压关系列表,如表7所示。
4 结束语
根据最新的《温室结构设计荷载》国家标准以及《建筑设计荷载规范》,针对我国华东地区温室建筑特点,对我国华东连栋温室的主要活荷载之一的风荷载进行了分析研究,并对风荷载标准值进行了修正。在温室设计中,要根据实际开窗情况和使用状况,就是否考虑内部压力系数进行说明。建议在不考虑压差作用时,对连栋塑料温室的日常管理要特别注意。在大风来临之前,要及时地关闭天窗和侧窗,采取某些措施以保证温室的密闭性。
参考文献
[1]中国机械工业联合会.温室设计载荷国家标准(GB/T18622-2002)[M].北京:中国标准出版社,2002.
[2]孙德发.连栋温室结构设计中风荷载取值方法初探[J].农机化研究,2004(4):78-80.
[3]王笃利.温室基本风压取值方法探讨[J].农业工程学报,2005,21(11):171-174.
塑料连栋温室 篇2
21世纪是设施农业高速发展的时期。各国纷纷采取措施, 加大投资, 大力发展智能化设施农业[1,2,3], 而温室生产综合运用了先进设施和先进技术, 是目前实践智能化设施农业的主要方式, 推动现代农业向低碳、高效、优质、智能的方向发展, 提高了农业生产效益。
虽然实施温室种植蔬菜具有以上优点, 但用设施温室特别是智能玻璃温室生产的蔬菜成本高, 目前很难真正走进普通百姓的日常生活;其次, 目前温室生产的一些蔬菜品质还达不到露地生产品质。因而, 研究在成本较低的连栋塑料温室内实现符合农作物生产规律的低成本、高可靠性的环境智能监控系统具有重要意义。
本项目在总结以往国内进行的温室智能控制研究工作的基础上, 针对国内尤其是上海地区使用最为广泛的连栋塑料温室, 研发一种依据上海自有蔬菜品种和露地蔬菜生产农艺, 基于人机交换界面输入蔬菜全生长周期的环境、施肥要求的在线检测、智能决策、自动控制的低成本温室智能控制系统。
1 系统概述
目前, 在国内外应用研究的温室环境控制系统模式主要包括以下几种[4]: (1) 基于单片机的温室环境因子控制; (2) 分布式智能型温室计算机控制系统[5]; (3) 基于单总线技术的温室控制系统; (4) 多目标日光温室计算机生产管理系统; (5) 以局域网为工作环境的温室控制系统; (6) 基于PLC的温室控制系统。
1.1 系统总体架构
考虑到系统的扩展性和兼容性, 系统设计中提出将服务器远程监控与现场测控相结合的组网方案, 系统框图见图1。控制系统由远程服务器、现场测控系统组成, 一台服务器通过局域网和多个现场测控系统实现主从式通讯, 同时对多个温室进行监控和管理。
1.2 系统各部分组成及功能
1.2.1 远程服务器
远程服务器部署在PC机上, 对整个系统的用户参数进行配置, 对现场测控站的运行参数进行设定, 并通过分布在温室现场的测控系统获取当前温室的环境数据和设备运行状态, 并实现存储、显示和产生告警信息等, 另外可根据客户需求完成历史数据展示及报表打印等功能。
1.2.2 现场测控系统
现场测控系统由三部分组成, 包括现场测控站 (ARM11核心处理器) , 执行控制部分和数据采集部分组成, 部署在温室现场。每个现场测控系统负责控制一个温室, 并可以独立于远程服务器单独工作。每个现场测控系统都有液晶显示和键盘输入设备, 可以独立于服务器控制和调整系统的运行参数。液晶屏实时显示当前温室环境参数、设备运行状态和执行器状态等信息;通过操作键盘可以调整所有配置参数, 并可以手动同步温室各被控设备的状态。
现场测控站作为各个温室的主控中心, 对温室环境因子 (如:室内外温度、空气湿度、土壤湿度、辐照度、风向、降雨量等) 实时监控, 并根据专家决策系统发出控制指令, 实现对温室环境的调节。温室中, 测控站不直接对单个执行设备或传感器进行控制, 而是将各执行设备通过执行器控制板, 挂载到RS-485总线上。测控站通过向总线发送寻址执行指令来控制各设备动作;传感器之间通过RS-485总线连接, 提高了系统的扩展性。现场测控站和现场执行器以及传感器之间的组织关系如图2所示。
2 系统软件结构设计
系统软件主要包括服务器监控软件和温室现场测控系统软件, 其中服务器软件采用Visual Studio 2008编写, 现场测控系统软件采用Qt编写, 作为嵌入式操作系统的一个服务进程, 开机即自动运行。
2.1 服务器软件结构设计
服务器软件主要实现温室的远程监控和管理, 为使操作人员能够直观地了解各项环境指标, 人机接口全部采用友好图形界面, 操作简单。按功能可分为数据处理模块和数据库模块, 其中数据处理模块主要完成局域网多机通讯、温室环境数据的显示、报表打印及输出等功能;而数据库模块主要实现温室环境数据和设备状态数据的存储, 多种约束条件的查询、删除和统计等功能, 统计数据可以按不同方式进行显示, 如表格、动态曲线、直方图等。
2.2 现场测控系统软件结构设计
嵌入式控制器采用基于Linux的嵌入式系统。软件平台采用Linux系统, 优点[5]在于1) 支持多任务:在温室系统中, 有时需要同时处理键盘输入, 数据采集以及执行器控制等多个任务, 因而支持多任务的操作系统平台为编程提供了极大便利;2) 丰富的网络支持:由于温室节点分散给调试和管理带来不便, Linux内涵支持TCP/IP、IPX/PX等多种协议, 便于实施高层网络应用;3) Linux系统类似于图形化窗口, 操作非常简便;4) Linux所有源码对外开源, 使得整个系统开发和维护费用降低。
现场测控系统图形用户界面窗口用Qt/Embedded为平台进行开发, 通过调用Qt/Em-bedded提供的类库可以根据需要方便地进行设计界面[6]。由于采用了Qt/Embedded作为GUI, 可扩展性和可移植性都非常好。为了使多个任务之间互不干涉, 并发执行, 系统采用多线程模块化设计, 主要包括GUI主线程、数据采集处理模块、执行器控制输出模块、键盘扫描模块、Socket通讯模块、定时器模块, 其主程序结构框图如图3所示。采用模块化编程便于程序功能的编写和调试, 当测控系统需要增加新功能时, 只需添加或扩充相应的模块即可。
3 关键技术分析
3.1 嵌入式数据库设计
数据库是通过事务来实行调度和并发控制, 可方便地进行数据存取, 查询等操作, 且数据库具有安全性和完整性检查的措施, 可确保系统具有较好的整体性能[7]。目前, 市场上典型的嵌入式数据库有SQlite、Berkeley、DB和My SQL。其中, SQLite属于轻量级的数据库, 使用的时候非常方便, 不需要进行复杂的配置和安装, 其处理速度相对其他几款数据库管理软件来说要快很多。因此, 本系统采用SQLite作为温室现场数据库引擎。
现场测控系统以数据库为核心运作, 数据库为系统其它功能模块提供数据接口。系统涉及到的数据主要包括专家数据、实时环境数据、历史环境数据、温室事件。为了提高系统存取效率, 减少系统开销, 最新的实时环境数据通过各监测点采集采集到以后直接存放在系统内存中, 以供应用程序直接使用。针对系统需求, 将系统数据库分为专家数据库、历史数据库和统计及事件信息数据库三个子库。 (1) 专家数据库:主要存放作物各生长阶段环境因子需求参数、温室基本生产信息 (如种植日期、种植面积等) 。系统根据作物不同的生长阶段定期更新内存中的规则参数表, 从而为作物生长提供最适宜的生长环境。同时, 这些参数也可以通过本地键盘或者上位机方便地进行修改和调整。 (2) 历史数据库:主要保存温室各测点过去一段时间内的数据信息;当测控站和远程服务器断开连接时, 测控系统将自动保存所有未上传给服务器的数据, 等到通讯恢复再一次性上传, 环境历史数据最长保存期限为一个月。 (3) 温室事件数据库:主要用于记录系统所有操作信息和温室异常事件。操作人员可以通过本地显示器或者上位机访问该数据库, 以便了解温室在无人值守情况下的运行状况。
3.2 应用层通讯协议设计
系统中的RS-485总线采用9 600 bps速率进行通信, 数据格式为“1bit起始位+8bit数据位+1bit停止位”, 无奇偶校验。现场测控站每20秒钟按标识码从小到大的顺序发出数据采集命令或者设备执行命令, 目标板收到符合自己地址规则的标识码后, 即执行当前节点的环境数据结果返回给测控站或者进行继电器吸合关闭操作。数据命令帧格式为“地址+指令+[数据]+校验”, 从左到右依次发送。其中, 地址取值范围为0x00-0x FF;指令包括数据采集指令, 状态查询指令, 继电器单独控制指令, 继电器批量控制指令, 通讯测试指令等;数据是协议帧所携带的数据体;校验是从地址到最后一个数据字节的CRC校验结果, 两字节低位先发。为了进一步提高系统可靠性, 测控站与分布在温室现场的采集板之间建立了超时和错误重发机制, 其最大重发次数定义为5次, 图4为实时运行画面。
4 结束语
本文在总结以往国内进行的温室智能控制研究工作的基础上, 针对我国蔬菜温室生产中使用量较大、未来愈将占生产主导地位的连栋塑料温室, 提出了基于远程服务器和分布式智能测控系统相结合的架构方案, 在PC和ARM平台上, 构建一种低成本、智能化的全自动温室环境控制系统。将存储大量现场经验和知识的温室专家数据库应用于系统控制, 保证了系统的实用性和针对性;采用轻量级数据库对温室多项数据进行存储和管理, 保证系统可靠高效地运行。目前, 该系统在上海某示范温室中稳定运行, 实现了系统设计目标, 为我国设施温室真正实现智能化和产业化探索了一条新途径。
摘要：针对上海地区广泛使用的连栋塑料温室, 提出了一种温室内环境智能控制方案。采用主从式结构, 分为远程服务器和现场智能测控站。其中远程服务器负责温室集群远程管理, 现场测控站负责温室环境数据处理, 实施控制决策, 提供人机交互;为了实现多任务并发, 测控站采用Linux操作系统。测控软件采用Qt平台开发, 具有高可扩展性和移植性, 并包括了基于轻量级嵌入式数据库SQLite的专家系统。将华东地区典型作物生长和环境参数的数值关系引入温室控制决策中, 提高环境控制效率, 有效减少温室能耗。通过某示范温室的现场测试, 表明系统稳定可靠, 控制效果明显。
关键词：温室坏境,Qt/Embedded,嵌入式数据库SQLite,农业专家数据库
参考文献
新和连栋温室设备的控制与调试 篇3
1 自动控制系统的核心部件
新和连栋温室自动控制系统的核心部件采用了北京奥托精仪科技发展公司的“AUTO-1000生产型温室控制器”。该控制器是在消化吸收国外先进温室控制技术的基础上, 结合我国气候特征及使用特点, 自主研制开发的新一代全中文界面“简易型温室控制器”。它以美国Intel微处理器为控制核心, 配备美国先进的温、湿度传感器, 性能稳定可靠, 寿命长。“AUTO-1000生产型温室控制器”为单区控制器, 将气象站与控制器集成在一起, 采用同一套电路控制, 是面向生产型温室的需求特点而设计的, 它不与计算机连接, 独立安装在温室内, 以温室的自动控制为主要功能, 以经济、实用的特点满足用户的配置需求。“AUTO-1000生产型温室控制器”是一个以单片机为控制核心, 由各种检测装置, 各种执行机构及驱动部件组成的多输入、多输出的闭环控制设备。
2 控制系统工作原理
温室控制系统是依据室内外装设的温度传感器、湿度传感器、光照传感器采集户外温度、光照强度、室内两点温度信号、室内湿度信号, 通过相应的逻辑判断和运算, 控制3组顶通风窗、外遮阳幕、内遮阳幕、湿帘、三级湿帘风机、湿帘外翻窗、喷雾水泵等温室设备, 实现自动化控制。
温室控制器根据室内外传感器测量的环境参数信息实现变温管理。当室内温度过高, 室内外温度差较大时, 通过启动内遮阳及顶通风实现降温;当室内温度过高且室内外温度差不大时, 采用湿帘及三级湿帘风机同时运行实现温室降温;当室内湿度较大时, 采取顶通风可迅速排除湿气;当室外光照强度太强时, 可以通过启用外遮阳, 起到遮阴和降温的作用。随着季节及作物生长阶段的变化, 各时间段所需要的温度也是变化的, 但不同季节不同时间的控制目的是相同的, 即将环境参数调控到设定的参数附近。此时, 可通过修改设定温度值来调整温室的温度以实现控制目标。
3 顶部通风窗电路设计难点及特点
在连栋温室的顶部安装了12台顶通风天窗, 通风窗采用齿轮齿条传动方式, 由减速电动机带动。通风窗在安装上有开启最大角度的要求, 这里减速机在顶通风窗开启到最大角度或天窗压紧窗框时都必须限位停机。把12台分为2组控制, 即每组控制6台。6台顶通风窗同时开启或关闭的控制方式在北方大部分地区都适用。但是, 在新疆新和县, 冬季晴天温室内温度很高, 夜间较低, 昼夜温差大, 这就要求在冬季应单独控制每台顶通风窗。
3.1 顶部通风窗电路设计难点
实现2组每组6台通风天窗自动控制的同时也能实现12台顶通风天窗手动的单独控制是顶部通风窗电路设计难点的之一。具体做法:在2组每组6台的自动控制系统中每组采用4台JZ7-44型中间继电器, 其中2台控制开启, 另2台控制关闭, 在中间继电器中JZ7-44型的触点最多, 有4组常开触头及4组常闭触头 (图1) 。当转换开关SW1置于自动控制位置时, J1 (2台并联的JZ7-44) 控制第1组 (1~6台) 顶通风窗地开启, J2 (2台并联的JZ7-44) 控制第1组顶通风窗地关闭。由对应的限位开关控制顶通风窗电机停转。
顶部通风窗电路设计的另一难点是消除手动和自动两部分控制的相互干扰。该设计采用ZB2-BE101型转换开关, 其触点可以累加, 容易实现电路的分断。
3.2 顶部通风窗电路设计特点
以往的电路自动控制和手动控制部分均是整体, 所有设备只能同时在自动控制方式或者手动控制方式2种情况下运行。而电路在每组控制设备上均设计了自动手动转换开关, 以实现不同季节不同设备自动手动控制方式转换。
4 限位控制的调试
顶通风天窗, 内、外遮阳, 侧开窗都选择了输出轴一端带有限位装置 (图2) 的减速电机[3,4]。2组限位保护开关封装在有抽板的接线盒内, 使用前, 松开碰柱3和7上的固定螺钉4, 拨动碰柱使其远离或靠近限位开关5和6, 调节碰柱与限位开关间的行程, 减速机运行时输出轴带动接线盒内的开启碰柱和关闭碰柱运动来实现限位。
调节1号顶通风天窗的限位开关:按下1号顶通风天窗开启按钮, 顶通风天窗缓慢打开同时开启碰柱沿着轨道向开启限位开关运行。当顶通风天窗开到最大位置时, 按下顶开窗关闭按钮, 开窗电机停止运动。观察开启碰柱离开启限位开关与原开启限位开关的位置并做比较, 然后调近开启碰柱到开启限位开关的距离。关闭1号顶通风天窗并观察关闭碰柱的初始位置, 电机运行一段时间后关闭碰柱会压住关闭限位开关使开窗电机停止运行, 若天窗没有关严, 这时调节关闭碰柱与关闭限位开关的距离并记住其位置。继续运行关闭天窗到天窗压紧窗架时, 停止开窗电机。反复开启、关闭天窗, 若出现位置不合适及时调整, 直到能实现天窗开启到最大角度或天窗压紧窗框时, 开窗电机自动停止运行。
注:1.输出轴;2.碰柱运行轨道;3.关闭碰柱;4.碰柱固定螺钉;5.关闭限位开关;6.开启限位开关;7.开启碰柱;8.接线盒外框;9.接线端子。
5 小结
新和连栋温室工程提高了新和县设施农业的现代化水平, 为设施农业的发展奠定了基础, 其结构及电气控制的改进更加提高了专业技术人员的设施建造和控制水平。
参考文献
[1]陈彩能, 潘连公.连栋温室番茄有机生态型无土栽培光照强度变化规律研究[J].现代农业科技, 2008 (23) :16-17.
[2]王景宏, 王健.江苏沿海地区葡萄栽培设施设计[J].江西农业学报, 2009, 21 (11) :83-86.
[3]沈明卫, 郝飞麟.内遮阳网对连栋温室内自然通风流场影响的稳态模拟[J].农业机械学报, 2007, 38 (2) :120-124.
塑料连栋温室 篇4
1 实验材料
实验在山西农业大学设施实验基地的温室中进行。该温室为塑料连栋温室, 位于东经112°53′, 北纬37°42′。气候特征:四季分明, 光照适中, 雨热同期。四季中春、秋季短, 冬、夏季长, 春季天气多变, 夏季高温多雨, 秋季天高气爽, 冬季寒潮频袭。属暖温带大陆性半干旱季风气候。年平均气温9.8℃, 降雨量418～483 mm, 年内降雨量分布不均, 降雨季节多集中在7月—9月, 3个月的降雨量占全年的70%。春旱严重是该地区的主要气候特征。年日照时数2 662 h, 无霜期175 d。风向随季节转换, 11月到次年3月, 西北风最多, 3月起北东风渐盛, 4月—6月以东风为主, 7月—8月多西南风, 9月—10月多北风。主要气象灾害有旱、沙尘暴、霜、冻、冰雹等。
该温室为圆拱形, 南北延长, 东西向四连跨结构, 东西宽34 m, 南北长40 m, 沿东西方向共分为4跨, 温室柱高均为3.5 m, 脊高5.5 m, 室内容积为8 640 m3。单栋跨度8 m, 东、西两侧设计侧拱, 跨度各1 m, 是双层塑料薄膜保温结构, 内部设置80%遮光率的铝箔保温幕。后墙即北墙为砌砖结构, 厚37 cm, 高3.5 m, 长32 m, 墙体面积112 m2, 中空部分添加煤灰等填充料。墙体上设计有4个2 m长、1.2 m宽的湿帘降温系统。室内土地面积共1 370 m2, 为钢结构骨架, 覆盖材料为聚乙烯膜, 膜覆盖面积为2 640 m2。跨与跨之间的连接处设有水槽, 以便下雨时进行排水。开关棚通过屋顶的电机驱动卷帘机构卷放帘来完成。冬季温室加热采用校内暖气管道, 温室内设有上下2条管道以及保温幕, 可以减少热量损失, 节约能源。夏季高温时, 利用自然通风的降温不能达到预期的效果, 采用遮阳加湿帘—风机系统降温。风机装在温室的南方, 每跨1个。
温室内种植黄瓜, 成行种植, 行与行之间用加热管道隔开。黄瓜是典型的喜温植物, 耐弱光, 对空气湿度和土壤水分要求比较严格。黄瓜的适宜土壤湿度为土壤持水量的60%～90%, 黄瓜的适宜空气相对湿度为60%～90%。选用富含有机质的肥沃土壤, 这种土壤能平衡黄瓜根系喜湿而不耐涝、喜肥而不耐肥等矛盾。黄瓜喜欢中性偏酸性的土壤, 在土壤酸碱度pH值为5.5～7.2的范围内都能正常生长发育, 以pH6.5为最适。
2 数学模型的建立
温室是一个半封闭的系统, 它不停地与外界进行着物质与能量的交换。在获得太阳辐射热和加温热量的同时, 通过覆盖材料的传热、通风和地面传热等途径, 向外界不断传出热量。研究连栋温室的微气候时, 先进行如下假设: (1) 由于植物的含水率较高, 无论室内地面灌水情况和土壤湿度如何, 室内植物的蒸腾和呼吸值在一定时间内均视为是相对稳定和均衡的; (2) 温室内相对湿度没有梯度的变化; (3) 无论是室内的植物体还是气温均无梯度变化; (4) 室内土壤的热损失是稳定的; (5) 室内空气的热容性是保持不变的; (6) 温室进出口相对温室覆盖面积而言要小的多, 且都设有缓冲间, 它对温室内的能量平衡影响可忽略不计[3,4]。由此得温室内空气热能平衡方程为:
模型中符号意义及有关参数或常数的取值见表1。对数学模型中相关参数进行分析, 发现室内空气热容量Ha、覆盖材料热能吸收率ap、覆盖材料透光率τ、室内植物热能吸收率ap、温室周边综合传热系数hc、地表面到室内空气的传热系数hg、植物体光合换热系数h0等7个参数对温室数学模型最后数值的计算至关重要, 因这几个参数对于不同材料不同的地点进行的试验得到的结果差异较大, 也难以确定, 需通过数值计算或是通过实验的测定方法才能确定。如把空气热容量的值定为:温室容积1 006.0, 单位为J/℃。显然没有考虑室内水蒸气的影响。因干空气的比热容通常在100℃以下是可视为定值, 其平均定压比热容为1 005 J/℃, 二者在数值上相差很小, 显然没有考虑温室内水蒸气的影响。为此运用比热容、相对湿度、湿空气的饱和蒸汽压力与温度之间的关系、正常温度范围内空气的温湿图等有关知识, 以室内温度为一已知值, 空气相对湿度为已知值的状态下, 求得空气的热容量Ha的值。
3 温室内空气热容量的确定
湿空气的饱和蒸汽压力与温度之间存在一一对应关系, 可由下式计算:
相对湿度是指湿空气中水气的分压与同温度下的饱和蒸汽压的比值, 也就是绝对湿度和相同温度下的饱和蒸汽压的比值, 也就是绝对湿度和相对湿度饱和湿空气的绝对湿度的值[5qa], 以φ表示:
相对湿度表示湿空气距离饱和的程度, φ值越小, 表示湿空气继续容纳水分的能力越强。当φ=0时, 空气不含水蒸气, 为干空气。当φ=1时, 湿空气为饱和空气, 丧失继续吸收水分的能力。
空气的热容量Ha为每1 L空气升高或降低1℃, 温室内湿空气吸收或放出的热量:
式中cv为常温度下水蒸气的平均定压比热容, 取值1.86 kJ/ (kg·K) ;ρv为30℃饱和水蒸气的密度, 取值0.030 36kg/m3;ps为饱和水蒸气所占的分压;p为标准大气压, 取值p=101 325 Pa;c为干空气的比热容, 取值为1.005 kJ/ (kg·K) ;ρ为干空气的密度, 取值1.29 kg/m3;V为温室的容积, 单位m3。如在假定温室内温度为30℃, 空气相对湿度为80%的状态下, 计算得空气热容量Ha值为温室容积×1 254.5 m3·J/℃。
4 结论与讨论
本文对数学模型中相关参数进行了较为全面的考查和研究。由于篇幅有限, 只对模型中参数空气热容量Ha的取值情况作了较深入的分析, 如考虑到水蒸气的影响, 在假定温室内温度为30℃, 空气相对湿度为80%的状态下, 得到的温室内空气热容量Ha的值为:温室容积×1 254.5 m3·J/℃, 经实验验证该值较符合实际情况。
参考文献
[1]佟国红, 李天来, 王权根等.大跨度日光温室室内气候测试分析[J].华中农业大学学报, 2004, 35 (增) :64～67.
[2]李长友, 钱东平.工程热力学与传热学[M].北京:中国农业大学出版社, 2004/1.
[3]王双喜, 刘淑贞, 赵聪慧.连栋温室温湿度耦合变化特性的研究初探[J].农业工程学报, 2002, 18 (增) :70～73.
[4]李娟, 郭世荣, 罗卫红.温室黄瓜发育动态模拟模型研究[J].农业工程学报, 2002, 18 (增) :131～134.
连栋温室钢结构框架稳定设计研究 篇5
1 温室结构的类型及特点
1.1 山形屋面温室
采用门式钢架结构制作温室, 在应用此温室结构时, 如果跨度大小超过了8 m, 为了确保结构的稳定性, 应当在门架梁中间建设一拉杆。对于温室的柱脚, 在制作上应当使用刚接或铰接, 梁与柱两者之间的连接则应通过刚接完成。通常情况下, 跨度为6 m或者8 m, 开间通常为3 m或者4 m。
1.2 三角形屋架温室
选用三角形屋架温室时, 如果使用的体系为檀体系, 梁柱在连接上应当选用刚接, 柱脚则应当采用交接连接;跨度通常有8 m或9.6 m2种不同的情况, 开间一般则有4 m或5 m2种情况。
1.3 拱形屋面温室
屋架的整体成一个拱形形状, 在屋面上需要设置拉杆, 注胶的制作则利用刚接或交接完成。其中, 刚接主要用于柱与柱之间的连接, 跨度通常有8 m或10 m2种不同的长度, 开间则通常有3 m或4 m2种不同的类型。
1.4 三铰拱屋架温室
屋架主要由于吊杆和小桁架共同组成, 屋架下弦的为轻钢拉杆中间吊杆, 上弦的为小桁架, 屋面上所应用的体现为檀体系。该结构的温室的柱脚也有刚接和铰接2种不同的方式, 梁与柱之间的连接方式为刚接, 跨度一般有9.6 m、12.8 m、15.0 m 3种不同的类型, 开间通常也包括3种不同的类型, 分别为3.0 m、4.0 m、5.0 m。
2 传统计算方法及修正后应用的困难
2.1 计算长度系数的传统方法
人们已经对计算长度系数的传统方法进行了大量的研究与分析。从研究结果可以看出, 传统的计算方法存在以下弊端, 受到了较多质疑: (1) 传统的计算方法在对长度系数进行确定时, 不会对结构中柱子与柱子之间的作用力加以考虑, 而是简单地判断为处于同一层的所有柱子都具有相同的失稳状态, 考虑问题不够全面, 问题分析存在较大的漏洞。从大量分析结果可以判断, 实际情况是, 一个柱子在温室刚结构中是不会单独出现侧移屈曲的情况, 只有整层结构才会出现侧移失稳的现象。 (2) 长度系数的计算来源于过于理想化的结构。对于轴压框架模型这种结构, 梁中不存在弯矩, 同时该结构也不存在初始侧移。但是从实际情况来看, 结构中的框架梁是具有荷载的, 并且存在初始弯矩和弯曲。因此传统计算长度系数的计算方法是不可取的, 最终的计算结果与实际情况之间存在较大误差, 会对结构的稳定性造成不良影响。 (3) 应用传统方法所计算出的长度系数从本质上看是有弹性的, 而实际结构是弹塑性的。基于以上3点不难看出, 传统的长度系数计算方法存在较多问题, 必须对其进行修正。
2.2 修正后长度系数计算方法应用的困难
传统计算长度系数的方法所具有的物理意义十分明确, 在具体过程中可以通过多框架算例的方式完成相应的验证工作。
通过分析可以发现, 屈曲时, 轴力较大的柱子失稳倾向更大, 因此将会得到轴力较小的柱子的支援。在计算轴力大的柱子的长度系数时, 需要在考虑这种相互支援后再进行相应的修正。这样, 最终所获取的数值要比传统计算方法所获取的数值略小。在应用这种修正后的长度计算方法时会遇到以下困难: (1) 一些受力较大的柱子会受到受力较小柱子的支撑。如果这种支撑作用达到了一定值, 利用标准公式所计算的长度会略小于框架产生无侧移失稳时的计算长度。此时, 在计算长度时, 必须依照无侧移失稳进行。 (2) 计算某些轴力较小的柱子时, 由于其对一些轴力较大的柱子提供了支持, 如果在计算过程中仍然依据层稳定计算公式进行, 计算的长度系数将会偏大, 进而增加控制柱子的细长的难度。因此在具体计算过程中, 最好直接通过验算的方式完成几何长细比。 (3) 除了长细指标外, 还有轴力为零、轴力很小、轴力为柱子拉力。因为其在结构中会对其他柱子提供一定的支持, 所以计算起来难度较大, 可能会导致稳定系数很小, 甚至无法查到。该现象在工程实践中经常出现, 但是这并不表示承载力已被完全消耗。一旦应用常规方法计算, 结果出现异常现象, 必须寻找相应的改进措施, 从而使计算变得科学、合理。
3 判断框架是否存在侧移失稳的方式
通过分析可以直接获取框架中每一侧刚度值K, 框架存在侧移失稳, 在没有水平力作用的状态下, 框架在水平方向上将会出现较大移动。这一侧移说明了此时框架不再具有抵抗水平力作用。也就说, 结构不再存在抗侧刚度。通过对大量的连栋温室钢结构进行分析可以发现, K值从大于0变为0的主要原因是受到竖向荷载作用的影响。这在结构中是一种负刚度, 正好将结构中的正刚度抵消。
在具体分析过程中, 假设结构在竖向上的荷载为V (N) , 在完成对框架临界荷载计算后, 采用反算方式获取负刚度, 计算方式如公式 (1) 所示:
4 层整体弹塑性失稳下的框架稳定系数
在连栋温室钢结构跨框架结构分析过程中, 考虑到各柱之间相互作用的修正计算长度系数方法难度较大, 结果准确率较低, 因此应当提出一种新的计算方法。修改后的方案如下。
考虑到同层柱之间存在相互作用, 第i根柱子的临界荷载计算方法如公式 (2) 所示:
式 (2) 中:m为非摇摆柱总数;n为柱子总数。
其中衔接摇摆柱, 非摇摆柱αj=1.1, 摇摆柱αj=1.0.在分析过程中, 假设结构中的柱子细长, 弹性范围内出现了失稳现象, 稳定系数φ=PEi/Aify.此时, 在引入抗拉分项系数时, 可以得到公式 (3) :
通过公式 (2) 和公式 (3) 可以发现, 考虑整层失稳后, 任意柱子轴力项都有相同的数值, 不论柱子轴力受到的拉力是大还是小。
如果结构恰好在弹塑性阶段工作, 可以对K值进行适当的调整。依照压杆弹塑性稳定的切线模量法及日后出现的压杆稳定系数, 得出失稳层中的稳定系数。在分析过程中, 通过对大量的跨度、长度细比、层数框架等多项内容的弹性进行深度分析, 对结构中各种缺陷可能产生的影响都进行了充分考虑, 对上述所提到的公式的合理性都进行了验证, 结果表明, 上述公式适合应用于稳定设计研究中。
5 温室柱整层失稳模式稳定设计修改意见
在连栋温室钢结构稳定设计研究中, 依据整层失稳计算, 需要单独计算每个柱子的稳定性, 在完全弹性框架弹性结构中, 所存在的弯矩并不会影响整个结构的稳定性。但是, 需要研究人员注意的是, 对于材料为弹塑性的实际框架, 由于弯矩的存在, 将会使梁柱更早地进入弹塑性, 从而使框架的刚度被削弱, 对框架结构的稳定性产生不良影响。因此在分析过程中, 需要逐个考虑柱子弯矩对结构整体失稳性所造成的影响, 采用线性分析弯矩的情况。
如果框架整层存在侧失稳现象, 应当在强柱弱梁或柱子上下端开展塑性, 同时在所有梁端或柱顶都接近塑形铰时, 使层级的极限承载力达到最大。这也是计算整层稳定性的方法之一, 并且应当与弯矩项相加。在此情况下, 与传统方法相比, 该方法的可靠度偏低, 因此并不推荐使用。
依据整层对稳定性计算之后, 能够确保的是整个框架在应用过程中不会出现整层侧移的情况。但是, 无法确保框架中的单个柱子在具体应用过程中不出现失稳情况, 因此需要对单个柱子的稳定情况进行计算与分析。通常来说, 轴力较大时, 并且在应用过程中能够得到其余柱子支援的情况下才有可能不会发生侧移稳失。结构中的摇摆柱子的验算只需进行无侧移屈曲验算即可。下面通过实例, 对比采用不同算法的计算参数, 具体内容如表1所示。
由表1中的数据可以看出, 依据修正计算长度系数法, 采用传统方法计算出的中柱计算长度变小了。因此在实际操作中可以适当减小中柱截面, 从而使结构设计变得更加科学、合理。
在有水平力作用的基础下, 应用稳定系数法计算长度系数, 可以使钢结构的经济性得到提高。这主要是因为在水平力作用下, 框架中的轴力分布不均匀, 框架柱会得到更大支援, 从而缩减了截面。
6 结束语
目前, 多数温室在设计中都采用了中柱和边柱, 采用本文提到的方法对温室柱设计进行了分析, 在获取到不错的经济效益同时提高了结构的稳定性。但是, 需要注意的是, 一些结构中中柱采用上下铰接方式, 在对这一结构计算稳定系数时, 需要对无侧移失稳进行适当补充。
摘要：稳定性设计是连栋温室钢结构中的一项重要内容。目前, 我国在民用建筑和工业建筑中对钢结构稳定性设计分析, 一方面无法反映结构的真实力学特征, 另一方面由于在设计上存在的问题较为严重, 整个温室钢的质量过大。这对温室的发展十分不利。由此可见, 对连栋温室钢结构框架稳定设计进行研究具有一定的现实意义。
关键词：连栋温室,稳定设计,钢结构,长度系数
参考文献
[1]丁敏, 李密密, 施旭栋, 等.考虑覆盖材料蒙皮效应的温室结构稳定承载力计算[J].农业工程学报, 2016 (S1) :224-232.
[2]王新忠, 陶从炳, 陆海燕.锯齿形连栋塑料温室的力学分析和结构优化[J].农机化研究, 2011 (10) :15-18.
[3]包立辉, 张翔.连栋整体型大棚结构稳定性仿真检测研究[J].新余学院学报, 2014 (02) :6-9.
[4]黄政华, 曲妮妮, 徐懿, 等.钢箍碳纤维布组合节点竹拱结构平面内稳定承载力试验[J].农业工程学报, 2015 (24) :179-185.
[5]张中昊, 付强, 范峰.斜拉杆增强温室双向网格型单层柱面网壳稳定性[J].农业工程学报, 2016 (10) :172-179.
塑料连栋温室 篇6
1 温室及雨水收集系统的原理
1.1 温室规格
该连栋温室骨架结构类型是GT-80-Ⅱ型 (图1) , 单跨跨度8 m, 柱间距4 m, 侧肩高4 m, 屋脊高5.5 m。温室为10连栋, 长80 m, 25开间, 宽100 m。共分为6区, 总面积为8 000 m2, 最大排雨量140 mm/h。雨槽采用壁厚为2.5 mm的热镀锌钢板 (表1) 。
1.2 雨水收集设计
由于温室分为6区, 因此顶棚也分为A、B、C、D、E、F 6区, 在A、C区与B、D区之间, B、D区与E、F区之间均用拱棚进行间隔, 各拱棚两侧排水沟东西走向, 并与主温室天沟相连接。下雨时, 各区的雨水汇入拱棚排水沟, 然后排往蓄水池, 再进行进一步的处理和利用。
1.3 集雨及处理系统的原理
首先需要建设或选择一个集雨面, 将收集的雨水通过管道或沟渠传送到蓄水池储存, 经过过滤、消毒等净化处理, 水质达到应用目的要求以后, 再输送到各个用水部位。在设计中常根据以下步骤, 完成蓄水池容积的设计。第一, 参考温室建造地区年均降雨量, 根据温室有效雨水收集面积, 计算出该温室年均雨水收集量;第二, 据湿帘通风降温系统的设计容量, 计算出该系统的需求量;第三, 根据现代温室作物品种的不同, 计算出灌溉需求量;第四, 按照建筑工程造价分析理论, 计算出集水池建造高、宽的合理组合, 对建设地下水池进行造价分析和节水量经济效益分析, 最终确定合理的集水池容积设计方案 (图2) 。集水池中的雨水进行分级过滤处理后, 用于湿帘通风降温和灌溉等。同时利用地下保温, 避免热量传递, 使水温高于室外水温, 减少温室内热量损耗。
2 集雨节水及处理系统中节能设施的建造
2.1 集雨设施
该文所探讨的现代温室集雨系统, 利用温室顶棚有效面积作为收集雨水的集雨场地, 也称集流场。为了提高集流效率, 减少渗漏损失, 要用不透水物质或防渗材料对集雨场表面进行防渗处理。一般由于雨水在时间、空间分布上极不均匀, 需有一定体积的蓄水池存储雨水, 其体积应根据集雨量和用水量具体确定。雨水蓄水池宜建在地下, 通过雨水排水管网输送到湿帘系统或植物根系[2]。
2.2 输水设施
集流场和蓄水设施不一定在一起, 集流场也可以不止一个, 用输水沟把各个集流场收集到的雨水集中输送到蓄水设施。其形式和大小要根据各地的地形条件、防渗材料的种类以及经济条件等, 因地制宜地进行规划布置。
2.3 蓄水系统
2.3.1 储水设施。
其作用就是存储雨水, 在实践中可以有不同的形式。该试验连栋温室是在温室通风走廊地面以下建2个雨水收集蓄水池, 蓄水池长36 m, 宽4 m, 深2 m, 中间有隔墙, 过滤池、沉淀池、雨水 (净化后) 池等小池, 蓄水池四周及底部均采用钢筋混凝土结构, 防渗漏处理, 上有盖板覆盖 (图3) 。此种类型蓄水池为卧式全封闭的结构类型, 容量大, 施工较方便, 但池底防渗处理要求高, 需要根据地形地貌特征、经济造价等综合选型。
2个蓄水池内分别设1套潜水泵 (全温室共设4套) , 各温室用水量不同, 用水时间也会有所不同。用2套变频系统 (每蓄水池1套) 根据温室用水量的大小对同一蓄水池内的2个潜水泵进行控制, 以达到合理用水的目的。雨水收集到蓄水池中, 输水管道为白色PVC管, 直径160 mm。室内排水在温室各区的东西方向的道路旁设内排水沟, 沿温室道路采用直径为200 mm暗管收集灌溉渗出液, 然后通过管路输到蓄水池。
2.3.2 净化设施。
雨水净化处理系统采用物理和化学兼用方法, 去除雨水中一些温室生产不需要的物质 (图4) 。设计沉降池, 对雨水进行的沉降、过滤后, 再经过3级过滤, 1级过滤是砂滤, 2级过滤是活性炭过滤, 3级过滤是石英过滤, 通过处理后, 水的p H值得到调节, 水质可以达到高档花卉的灌溉标准。该系统的特点:第一, 雨水经过化学处理, 满足植物需水, 保持植物生长良好[3]。第二, 节能, 节约运行成本。第三, 具有多样、先进、高效的技术与设备, 高度自动化、智能化控制。第四, 精细与粗放结合, 降低总体造价。
2.3.3 消力设施。
为了减轻进水池水流对池底的冲刷, 要在进水暗管的下方池底上设置消力设施, 根据进水池流量的大小, 选用消力池或消力筐或设石板 (混凝土板块) 。
2.3.4 用水系统。
用水系统是实现雨水高效利用的终端, 该试验连栋温室用水主要分为湿帘和灌溉系统。系统包括提水设备, 输水管道和过滤器、灌水器等节水灌溉设备, 灌溉系统根据作物种类不同, 可选择滴灌、渗灌、微喷灌、坐水种、注射灌、膜下穴灌与细流沟灌等[4]。
3 集雨节水及处理系统在实际生产中的应用
3.1 济南地区年降雨情况
根据雨水采集系统得到的数据, 研究该县济南地区雨水分布的规律:济南属于暖温带大陆性季风气候区, 年平均降雨量647.1 mm (表2、图5) 。
3.2 应用效果和推广应用情况
目前, 该试验温室雨水收集及处理系统运行情况良好, 特别是在作为泉城的济南, 雨水集水池的投入使用, 更具有积极的意义[5,6]。根据济南地区年均降雨量, 按照能够有效收集年降雨量90%计算, 温室8 000 m2有效收集面积, 一年可以节约水资源4 663 m3, 收集灌溉用水约3 500 m3, 以经营性服务用水5.4元/m3计算, 直接节约水费44 080元, 社会效益则更巨大。由于该试验温室的示范效应, 目前大型连栋温室应用雨水集水池技术已经被温室用户广泛接受, 现已推广到济南市长清区、聊城市、滨州市、潍坊寿光市、淄博市等温室密集区域。经初步估算, 年创经济效益320余万元。该技术不能具有良好的经济效益, 也具有巨大的社会效益和生态效益, 值得推广。
摘要：介绍了温室集雨及处理系统的重要作用及其原理, 阐述了其节能设施的建造和集雨系统在实际生产中的应用效果和推广情况, 以为温室集雨处理系统的推广提供参考。
关键词：连栋温室,雨水收集系统,应用
参考文献
[1]何启伟, 卢育华.山东新型日光温室蔬菜系统技术研究与实践[M].济南:山东人民出版社, 2002.
[2]徐师华.加速发展高施农业环境调控智能化研究[J].农村实用工程技术:温室园艺, 2005 (4) :18.
[3]庞鸿宾.节水农业工程技术.郑州:河南科学技术出版社, 2000.
[4]张天柱.湿帘风机降温系统在温室中的应用[J].农村实用工程技术, 1999 (6) :41.
[5]陈杰, 周胜军, 雷娟利, 等.连栋温室中湿帘一风机降温系统的设计方法比较与分析[J].浙江农业科学, 2005 (2) :151-152.
塑料连栋温室 篇7
温室内部气流速度适宜可改善温室内部的温度、 湿度、二氧化碳浓度等环境条件,还可以促进作物的光合、呼吸和蒸腾作用,是温室环境调控的重要内容。 强制通风是夏季常用的调节温室内部气流的方式之一,通过风机抽风在温室内形成负压,强制温室外新鲜空气通过湿帘进入温室,起到调节作用。因此,研究强制通风下温室内部风速场有重要意义。温室内部栽培的作物无疑对温室内部风速分布产生重要影响,然而目前关于此内容的研究相对缺乏。本文将着重研究栽有不同高度作物的圆拱型温室强制通风条件下的气流场。
CFD通过各种离散化的数学方法,对流体力学相关的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,在20世纪90年代左右被用于温室环境相关研究中［1］。目前,CFD模型的平均误差在30% 左右,而由于温室几何结构相对简单,因此CFD方法用于温室环境模拟的结果较为理想,一般误差在13. 5% 左右［2］。
本文针对常见的圆拱型连栋塑料温室,利用CFD技术建立温室三维模型,模拟强制通风情况下温室内部的气流分布规律,并研究不同作物高度的影响,为温室环境控制管理与温室设计提供理论依据。
1温室CFD建模
温室位于北纬39. 9°,东经116. 3°; 屋脊南北走向,跨度为8m,连跨数3,总跨度24m; 开间3m,开间数为6,总长18m; 温室肩高3m,顶高4. 9m。温室顶部覆盖双层充气薄膜,南墙为PC板,装有6台风机, 北墙装有湿帘,湿帘高1. 2m。
在Gambit建模中,以y轴作为竖直方向,x轴指向东方,z轴指向南方,原点位于温室西北角地面,模型与真实温室比例为1∶ 1,采用六面体代替每槽番茄。
2数值模拟
2. 1计算域选择与网格划分
在模拟温室强制通风情况,通常采用整个温室作为计算域［3］,本文也选取整个温室作为计算域。
温室主体网格划分采用非结构化网格,以TGird方式划分,对湿帘风机处网格进行加密处理; 作物采用结构化网格,以Map方式划分。根据Equip Angle Skew质量控制法,4种作物高度模型的QEAS在0 ~ 0. 5之间的比例分别为90. 83% 、90. 91% 、88. 97% 、 90. 91% ,网格划分有效,计算结果可靠。
2. 2边界条件与初始环境
课题组前期研究中,模拟强制通风设定湿帘入口速度边界条件,风机为outflow,模拟结果较好［4］。本文采用同样设置。温室顶、四周与地面设置为wall,屋顶与南墙热边界条件为Heat flux,北墙与东西墙为对流换热。太阳辐射采用DO辐射模型,以Solar Calcu- lator根据经纬度计算。
番茄设置为多孔介质,动量源项与番茄冠层特征及温室内空气流速的关系为
其中,K为多孔介质渗透率,对于番茄一般可以取0. 395m2计算［5］; Cf代表非线性动量损失因子,可取0. 4［6］; LAI为叶面积指数; CD是作物冠层阻力系数, 根据风洞测试,成熟的番茄取0. 32［7］。
初始环境根据实际试验数据确定［8］,土壤温度为24. 79℃ ,温室外太阳辐射强度837. 3W / m2,温室湿帘入口处平均风速为1. 24m /s,风机口平均风速为3. 02m / s。
2. 3 CFD模型验证
试验数据由陈忠购于2003年7月19日测得［8］, 共布置39个测点测量温室内气流场。模拟结果与温室实测结果比较: 沿z轴方向各面平均风速的平均相对误差为12. 3% ,最大相对误差为18. 4; 沿x轴方向各面平均风速平均误差为13. 4% ,最大相对误差为19. 4% ,如图1和图2所示。模拟值于实测值变化趋势均一致,误差在允许范围内,表明本研究中所建立的CFD模型可正确反应圆拱型连栋塑料温室内气流分布,因此将以此模型分析温室中气流分布情况。
3结果与分析
图3中3个截面的x坐标分别为2、12、19m。其中,x = 2m处截面下部有番茄,该截面通过风机中心位置; x = 12m处截面处于整个温室正中,下部有番茄,处于两台风机中间,不通过风机; x = 19m截面下部无作物,不通过风机。
图3中可以看出: 湿帘上方出现明显回旋,而随着作物高度上升,进入温室的空气向上爬升坡度变陡,导致回旋变小。风机出风口处形成“射流”,风速最大。温室底部作物区内风速很小。温室中部风速变化较缓和,分布均匀,有利于作物生长。
图4中3个截面为图3同截面。由图4可以看出: 风速在垂直方向的变化,风速在作物区较低,高于作物后风速随高度增加而升高,在靠近温室顶时风速迅速减小。在温室屋脊方向,风速从湿帘到温室内部逐步降低。当温室内作物高度较低时,这一变化较为缓和; 当作物高度较高时,气流被作物阻挡明显,气流较为紊乱。风机口风速呈球形放射状向外递减,变化剧烈。
由图5可看出: 作物内部风速很低,低于0. 1m /s, 而作物边缘部分风速略高,约为0. 1 ~ 0. 2m /s; 受两侧作物影响,温室中部作物之间的风速也较低。由图5 ( b) 可以看出: 在高度略高于作物处,风速也受到作物影响,作物正上方处风速比周围减少约0. 1m /s。
图6中截面z轴坐标分别为3、9、17m。由图6 ( b) 中可看出: 当作物高度较高时,z = 3m截面距离湿帘较近,作物对风速的阻碍作用明显,沿x轴方向风速变化显著; z = 9m处截面位于温室中部,作物之间的风速已经较小,低于0. 2m /s; 截面3靠近风机,由于风机强制通风,风机附近风速迅速增加,只有距离风机较远的几槽作物对风速影响明显。当作物高度较低时, 作物对风速的阻碍并不明显,风速沿x轴方向分布均匀。
图7为高度为0 ~ 3m内风速随高度变化规律。 贴近地面处不在气流入口正前方,并且存在作物阻碍,风速较低,约为0. 23m /s。高度低于作物高度时, 风速随高度增长缓慢上升,在高于作物后风速迅速增加。作物高0. 5m时,作物对气流的阻碍十分有限,风速在湿帘—风机中心高度1. 2m处取得最大值。而作物高度为1m时气流被迫抬升,风速最大值位置高于1. 2m。对于作物高度取1. 5m和1. 8m的情况,大量空气从拱顶通过,导致风速最大值点高于天沟,接近拱顶的位置。
4结论
1) 作物对强制通风情况下温室内部气流分布影响明显,作物区域及附近的风速较低。温室内部存在湿帘风机两边风速高,而内部风速较低的情况。温室设计时应当考虑到此影响,可采用环流风机等机构确保温室内风速分布均匀。
2) 不同高度作物对温室内气流场影响不同,作物高度低时影响较小,温室内气流分布与空温室接近; 而作物高度较高时,作物区的风速较低,导致作物区域无法得到良好的通风效果。在夏季采用强制通风降温时需考虑作物影响,在作物高度较高时增加通风量。
摘要：为了研究连栋塑料温室在强制通风情况下内部风速场,采用流体力学分析软件Fluent软件建立圆拱型连栋塑料温室强制通风模型加以分析。温室内栽种作物以番茄为例,研究了作物高度为0.5、1、1.5、1.8m条件下温室内部的气流分布情况。数值模拟结果表明:作物对强制通风情况下温室内流场有较大影响,作物区域空气流速变化平缓,作物上部风速迅速增加;由于作物明显阻碍气流运动,不同作物高度的温室内气流分布存在较大差别。