cfd在農業(yè)建筑工程中的應用

0cfd的應用fd（復合詞）是現(xiàn)代數(shù)學、數(shù)值數(shù)學和計算機科學的產物。隨著近年來CFD物理模型和計算方法的不斷完善和改進,計算機運算速度的不斷提高,許多成熟的商業(yè)化CFD計算軟件得到了不斷地推廣。CFD研究方法在很多行業(yè)已經得到了廣泛應用,如石油天然氣工業(yè)、動力工業(yè)、冶煉加工、汽車設計、化學處理、生物醫(yī)學、暖通空調、食品加工等。CFD研究以3大守恒定律(質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律)作為計算的控制方程,采用有限體積法(FiniteVolumeMethod)把連續(xù)的計算域離散成許多個子區(qū)域(體積單元),借助高性能計算機在每個體積單元上對控制方程組進行數(shù)值求解,進而在整個計算域上分析流體流動、傳熱和傳質的規(guī)律。近年來,一種全新的CFD應用于園藝領域,在該領域CFD被用來模擬溫室內部氣候環(huán)境。然后,利用這些模型來研究溫室內部環(huán)境對外部環(huán)境和控制的依賴性。1非結構化網格。采用采用統(tǒng)一式的方法計算網格,在這科學目前,有關溫室領域CFD模擬的研究論文都是采用商業(yè)CFD軟件包或為基于相同的理論和數(shù)學方法的程序在穩(wěn)態(tài)下進行的。自從1981年英國CHAM公司首先推出求解流動與傳熱問題的商業(yè)軟件PHOENICS以來,迅速在國際軟件產業(yè)中形成了通稱為CFD軟件產業(yè)市場。到目前為止,全世界至少已有50余種這樣的流動與傳熱問題的商業(yè)軟件,在促進CFD技術在工業(yè)實際中的應用起著重要的作用。下面介紹國內有關高等院校和研究院所引進的5種軟件。1)CFX。該軟件采用有限容積法、拼片式塊結構化網格,在非正交曲線坐標(適體坐標)系上進行離散,變量的布置采用同位網格方式?？捎嬎愕奈锢韱栴}包括不可壓縮及可壓縮流動、耦合傳熱問題、多相流、粒子運輸過程、化學反映、氣體燃燒、熱輻射等,同時還可以處理滑移網格,用來計算透平機械中葉片間的流場。2)FIDAP。該軟件是世界上第一個使用有限元法(FEM)的CFD軟件。其可以計算可壓縮及不可壓縮流、凝固與熔化、層流與湍流、單相與兩相流、牛頓流體及非牛頓流體的流動問題等。3)FLUENT。這一軟件是繼PHOENICS軟件后第二個投放市場的基于有限容積法的軟件,包含有結構化及非結構化網格兩個版本。其可以計算的物理問題類型有:定常與非定常流動,不可壓縮與可壓縮流動,含有粒子/液滴的蒸發(fā)、燃燒的過程、多組份介質的化學反映過程等。4)PHOENICS。這是世界上第一個投放市場的CFD商用軟件(1981),可以算是CFD/NHT商用軟件的鼻祖。這一軟件中所采用的一些基本算法,如SIMPLE方法、混合格式等,由該軟件的創(chuàng)始人DBSpalding及其合作者SVPatankar等所提出,對以后開發(fā)的商用軟件有著較大的影響。5)STAR-CD。這是基于有限容積法的一個通用軟件。在網格生成方面,采用非結構化網格,還可以與目前通用的CAD/CAE軟件相連接,如ANSYS,I-DEAS,NASTRAN,PATRAN等,在適應復雜計算區(qū)域的能力方面具有特別的優(yōu)勢。應用這一軟件可以計算穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動,牛頓流體及非牛頓流體的流動,多孔介質中的流動,亞音速及超音速流動,涉及導熱、對流與輻射換熱的流動問題,涉及化學反應的流動與傳熱問題及多相流的數(shù)值分析等。2氣候變量和模型的確定從該領域第一篇論文(Okushima等1989)的出現(xiàn)到現(xiàn)在,能夠看到在溫室研究領域CFD模擬的復雜性和真實性的一個清晰的發(fā)展歷程。這主要是由于隨著時間的推進,新的、更快速和更高性能的硬件對更復雜的情況預測更具有準確性;同時,CFD軟件包擁有越來越多的算法庫和計算方法而變得更強大和復雜,從而也增加了它的應用范圍。大部分小型溫室和比例溫室模型的CFD初步研究都是用來研究溫室內部環(huán)境的。后者的研究是為了通過風洞實驗對模擬結果進行驗證,因為風洞實驗無法對實際大小的溫室進行測量。絕大多數(shù)溫室的研究都是在無植物條件下進行的。大多數(shù)的研究人員認為應將植物和結構的因素考慮進來。如果要對溫室內部氣候環(huán)境進行真實的模擬,則植物和氣候環(huán)境間的交互作用是不可以被疏忽的。然而,一些模擬將植物當作內部環(huán)境的一部分,植物被視為多孔介質,植物模型中包括二氧化碳的吸收。需要更詳細和具體的植物模型,其中可能包括太陽輻射、濕度和溫度的影響。模型的細化必須注意研究下面幾方面的平衡,包括模型復雜性,對模擬技術、計算能力以及模擬輸出結果必要的準確性。大部分的研究是采用二維模擬。與三維模擬相比,它減少了模擬過程的復雜性,也大大地減少了計算量。從某種程度來說,三維模擬是必需的,因為二維模擬達不到需要的準確性;而三維模擬的主要缺點對硬件的計算能力要求高。模擬一個標準尺寸的商業(yè)連棟溫室需要一個超級計算機才能完成。對CFD研究的探討中發(fā)現(xiàn),在這個工作中適當?shù)臄?shù)學參數(shù)的選擇和充分正確的邊界條件的設定對結果的正確性是至關重要的。其中,一個例子就是湍流模型的選擇。對于自然通風的溫室,雙尺度湍流模型的應用發(fā)現(xiàn)比標準的k-ε模型有著較好的結果;而對于機械通風的溫室,二者的效果相差不多。除了湍流、對流、傳導和輻射外,傳熱傳質過程也是一些模擬研究的主題。在不同的模擬中,變量一般有氣流速度和方向、溫度、二氧化碳濃度和空氣濕度。在自然通風下不同類型和大小的溫室中,對受熱壓作用的通風如零風速和低風速情況以及受風壓作用的通風的模擬都較為成功。得到結論是側窗的存在增加了空氣交換率,從而也降低了室內溫度。對于地中海型溫室、其他一些拱型和鋸齒型溫室,一般的結論是如果溫室的跨數(shù)較多則意味著通風效率的減少和作物水平的溫度較高,并且觀察得到增加通風口開放面積確實增加了空氣交換,同樣增加了風速,在所有的通風情形中情況都是如此。如果沒有側窗,在下風通風的情況下,在開著天窗的Venlo型溫室當中的作物水平高度存在逆流。一種嘗試對大型商業(yè)Venlo型溫室的一個代表性區(qū)段進行的模擬不能達到期望的準確性。因此,對完全的和標準尺寸的溫室進行模擬成為必要。3cfd的應用由于國外連棟溫室較少應用機械通風降溫系統(tǒng),到目前僅Baileyetal(1994)對機械通風下的Venlo型連棟溫室的內部流場進行了CFD模擬。模擬采用三維模型和穩(wěn)態(tài),CFD研究的對象是一個封閉的4連跨溫室和一個9連跨溫室,湍流模型采用標準的k-e湍流模型。首先,對4連跨溫室(12.8m×33.3m)的預測結果和有限的實驗結果進行比較,證明了CFD方法的可行性。隨后,利用CFD進行研究相同溫室中風機位置對溫室內部流場的影響。然而,對于帶有雙風機的9連跨的商業(yè)溫室(56.7m×47.5m)的模擬并不成功,無法進行滿意地運行,而且風機的最適宜的位置也無法確定。由于國外的豬舍和雞舍多采用機械通風,所以這方面類似的研究也相對多些。2001年,HuaweiSun等利用CFD研究機械通風豬在不同風速下舍內的流場分布,探討豬舍內部布置方式,改善氨在舍內的分布。2002年,Lee等利用CFD對強制通風豬舍進行優(yōu)化設計,給出不同通風率下,小豬所在位置的風速。我國氣候有3大特點:顯著的季風特色、明顯的大陸性氣候和多樣的氣候類型。所以,大部分地區(qū)冬冷夏熱,我國的連棟溫室在夏季高溫季節(jié)大多數(shù)采用機械通風降溫系統(tǒng),溫室制造商對商業(yè)溫室內部環(huán)境信息的需求也越來越多,但國內這方面的研究卻剛剛起步。2002年,童莉對機械通風的華北型連棟溫室內部溫度和流場進行了二維的CFD模擬。目前,筆者正致力于用對機械通風的華北型連棟溫室的內部環(huán)境進行三維CFD模擬和優(yōu)化設計。4利用實驗技術進行的氣候測量利用CFD模擬溫室內部氣候環(huán)境才剛剛起步,這需要更多的時間來關注。未來新的硬件和軟件將會使利用更加復雜,需進行大模型的模擬。然而,此時對模擬結果的驗證卻相應地變少了,尤其是對大型的商業(yè)溫室來說,不能夠被按比例縮小來進行風洞實驗再和CFD的模擬結果進行比較。研究人員利用實驗技術來獲得溫室內部的氣候信息,包括P