摘要温室已发展成为一种使用广泛的植物栽培的园艺设施。温室不仅需要在冬季能保温防寒，而且在炎热的夏季能实现温度控制，为植物提供最适宜的生长环境。温室的夏季降温主要有自然通风和机械通风两种方式。在我国，机械通风因其降温快而且较易实现自动控制而得到较广泛应用。而温室里流场分布的快速获取是实现温度的自动控制的重要依据。本课题是利用基于ＡＮＳＹＳ的数值模拟法来研究机械通风条件下温室内流场分布以期对温室温控技术的进一步完善发挥积极的作用。数值模拟方法包括有限差分法、有限容积法、有限单元法以及有限分析法。本文以自制模型温室为研究对象，建立该温室流场以及温度场的数学物理模型，得出流动的控制方程组，在计算域上对流动控制微分方程组进行离散，压力和动量方程的耦合采用ＳＩＭＰＬＥＮ以及ＳＩＭＰＬＥＦ算法。采用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ的ＦＬＯＴＲＡＮ模块对其内的流场以及温度场进行数值模拟，分析中采用试验所测得的边界条件值，得出计算域内空气速度以及温度的分布信息。将现场试验的测量结果与这一模拟计算结果进行对比验证。速度场的计算值与试验值大体趋势是吻合的，但是由于速度场的测量受外界条件的干扰相对比较大，而且测量工具的也难免存在一定的误差，因此局部的计算值与试验值存在较大差异。温度场的模拟值随测点的变化趋势与试验值所得基本相同，结果也比较接近，平均相对误差控制在ｌ％以下，因此可以较好的反映实际情况。通过对模拟与试验两组数据进行ｔ．检验也可知模拟值与试验值的平均值可以认为是相同的，亦即其在总体平均值上的总体差异较小。试验对比结果表明，用ＡＮＳＹＳ软件对温室内的流场以及温度场分布的模拟计算较为成功，可以利用这一方法对温室内的气候环境进行预测。关键词：温室；流场；温度场；数值模拟；ＡＮＳＹＳ／ＦＬＯＴＲＡＮＡＢＳｌ融～ＣＴＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｈＪ曲ｇａｒｄｅｎｉｎｇｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｆｏｒｐｌａｎｔｉｎｇ，Ｔｏｄａｙ，ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｉｓｒｅｑｕｉｒｅｄｎｏｔｏｎｌｙｔｏｐｒｅｓｅｒｖｅｈｅａｔｉｎｗｉｎｔｅｒｂｕｔａｌｓｏＣａｎｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｓｕｎｎｎｅｒ．Ｎａｔｕｒａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅａｒｅｔｗｏｍａｉｎｗａｙｓｏｕｒｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｃｏｏｌｉｎｇ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｉｓｅｘｔｅｎｓｉｖｅｕｓｉｎｇｉｎｃｏｕｎｔｒｙｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｇｏｏｄｃｏｏｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｐｌａｙｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙ’Ｓｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｏｌｅｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｏｍｐｒｉｓｅｓｆｉｎｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄ，ｆｉｎｉｔｅｖｏｌｕｍｅｍｅｔｈｏｄ，ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｎｄｆｉｎｉｔｅａｎａｌｙｔｉｃｔａｋｉｎｇｔｈｅｓｅｌｆ－ｍａｄｅｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓａｔｈｅｓｉｓｒｅｇａｒｄｓｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｍｏｄｅｌａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ，ｂｕｉｌｄｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ，ｏｂｔａｉｎｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｑｕａｔｉｏｎｓｅｔｔｏｃａｒｒｙｃｏｎｔｒｏｌｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓｅｔｏｆｆｌｏｗｉｎｇ，ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｄｉｓｐｅｒｓｅｄｌｙｉｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｆｉｅｌｄ．Ａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅｌａｒｇｅ·ｓｃａｌｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳｔｏｔｈｅｆｌｏｗｉｎｇｆｉｅｌｄｔｏｃａｒｒｙｏｎｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅａｎｄｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｂｏｒｄｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｖａｌｕｅｂｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｏｂｔａｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅａｉｒａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｓｉｄｅｏｆｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ．ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｉｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄａｒｅＢｙＣａｎｃｏｍｐａｒｉｎｇａｎｄｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａｗｉｔｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｉｍｐｌｙｔｈａｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｖａｌｕｅｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｉｓａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙｄｏｓｅｔｏｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｖａｌｕｅ．Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｕｎａｖｏｉｄａｂｌｙｅｒｒｏｒｍｅ硒ｍｅｍｅｎｔｏｆｖｅｌｏｅｉｔｙｆｉｅｌｄｉｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｅｘｔｅｒｎａｌｏｆｔｈｅｓｕｒｖｅｙｔｏｏｌｓ，ｐａｒｔｉａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｑｕｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｄａｔａ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｎｂｅｖａｌｕｅｏｆａｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｓｈｏｐｅｆｕｌｌｙｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｖａｌｕｅａｎｄｔｈｅｉｒｖａｌｕｅｓｉｓｌｉｍｉｔｅｄｔｏ１％．ＳＯｉｔｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｃｌｏｓｅ，ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｒｅｌａｔｉｖｅｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｒｅａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎｄｉｃａｔｅｅｒｒｏｒｑｕｉｔｅｇｏｏｄｔＯｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ．ＴｅｓｔｃｏｍｐａｒｅｗｉｔｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｗａｒｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｔＯｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅａｎｄＳＵＣＣＥＳＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈａｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｉｔｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｓｔｏｂｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｗｉｔｈＡＮＳＹＳ，ｃａｎｕｔｉｌｉｚｅｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｃｌｉｍａｔｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ．Ｂｙｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｉｔｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔａｄｏｐｔｉｎｇｃａｎＡＮＳＹＳｉｎｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ，ａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｕｓｅｄｉｎｔｈｅｆｌｌｔｕｒｅｗｏｒＬｂｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｌｏｗｆｉｅｌｄ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＡＮＳＹＳ／ＦＬＯＴＲＡＮⅡ华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书学位论文题目：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度学位级别硕士场的数值模拟所在学院工程技术学（系）院学科专业农业机械化工程导师姓名樊放ｉ｝Ｉｌ学生姓名马骏驰学位论文是否保密否如需保密，解密时间年月日独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果．尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定．与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明，并表示了谢意．研究生签名：．马缆蜀丑时间：２口。ｆ年‘月，９日学位论文使用授权书本人完全了解“华中农业大学关于保存，使用学位论文的规定”，即学生必须按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存提交论文的印刷版和电子版，并提供日录检索和阅览服务，可以采用影印．缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文．本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表．传播学位论文的全部或部分内容．注：保密学位论文在解密后适用于本授权书．学位论文储鼢马骏靶’导师叛霉以寸签名日期：抽Ｄ踔彳月，ｃ｝日签名日期：’“年石月，Ｐ日第一章绪论第一章绪论１．１课题背景１．１．１温室及其发展历史及分类以采光覆盖材料作为全部或部分围护结构材料，可供冬季或其它不适宜露地植物生长的季节栽培植物的建筑统称为温室。“温室”一词源于“温室效应”，以短波辐射为主的太阳辐射通过温室采光材料进入温室后使室内地温和气温升高而转化为长波辐射，长波辐射又被温室覆盖材料阻隔在温室内，从而形成室内热量的积聚，使室内温度提高，这一过程称之为温室效应。温室正是利用温室效应，在作物不适于露地生长的寒冷季节通过提高室内温度创造作物生长的适宜环境来达到作物反季节生产和提高作物产量的目的。但随着科学技术的进步，温室生产已远远超过：温室效应”的概念，目前：和角高科技技术可以对温室内的各种环境因子，包括温度、光照、湿度、ＣＣｈ施肥等进行自动控制和调节，根据生产作物的生长习性和市场的需要，部分地、或甚至完全摆脱自然环境的约束，人为创造适宜作物生长的最佳环境，生产出高品质、高产量的产品，以满足不同消费群体的需要（周长吉，２０００）。在公元前２１世纪，中国开始用棚屋和温泉种菜种瓜。在公元前４世纪的罗马时代，出现了云母片覆盖的厩肥酿热加温床种植黄瓜。经过两三千年的缓慢发展，中‘国在清朝出现了戳立油纸前窗的土温室，可以视为最早温室的原始类型。法国在１３８５年出现了一座南面有玻璃北面依墙的最早的玻璃温室，其后六百余年才逐步出·现了性能结构较好的单屋面温室（１８００年美国），双屋面温室（１９０３年荷兰）和连栋温室（１９６７年荷兰）。数百年来温室类型演化模式可以归纳为：油纸原始温室一单屋面温室—双屋面温室—连栋温室这样四个阶段（林川瑜，１９９７）。自２０世纪６０年代至７０年代，随着科学技术的发展，全世界温室发展速度加快。并向材料结构现代化、环境控制自动化、规模面积大型化的方向发展。据中、美、俄、日、英、法、荷兰等２９个国家的统计，１９７５年温室面积达４３．１４３ｈｍ２，到１９７７年两年之间又激增了一倍，在此期间，我国也逐渐开始了现代化温室的建设，１９７７年北京玉渊潭建设了我国自己设计的第一座荷兰型大型连栋温室。此后，兰州、牡丹江、上海、哈尔滨、大庆等市相继自建或引进一批荷兰型双面屋连栋温室。华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟到了７０年代末，世界性石油危机发生后，温室的发展受能源影响而呈下降趋势，特别是能耗高、造价高、保温困难的大型连栋温室的发展开始停滞发展（许一飞，１９９９）。近年来塑料工业的高速发展，为设施园艺增加了新的塑料薄膜温室系列，在新的设计方案下的大型的连栋温室由于其规模效应，又有了新的发展。根据温室的最终使用功能，可分为生产性温室、试验（教育）性温室和允许公众进入的商业性温室。蔬菜栽培温室、花卉栽培温室、养殖温室等均属于生产性温室；人工气候室、温室实验室等属于试验（教育）性温室；各种观赏温室、零售温室、商品批发温室等则属于商业性温室。通常又将商业温室分为日光温室、玻璃温室和塑料温室三大类。１．１．２温室通风的介绍温室的通风系统主要有机械通风（也称为强制通风）系统和自然通风系统两种。机械通风一般配合湿帘使用，利用蒸发制冷原理降温，这样可以获得更好的降温效果（陈玉南和严杏玲，１９９８）。自然通风是一种比较经济的通风方式。它是通过顶窗或侧窗的启闭，利用风力和温度差来实现温室内外空气交换，达到降低温室内温度和湿度的目的。自然通风系统通过侧窗通风和顶窗通风或两者结合等方式，来调节温室内的温度和湿度。侧窗有转动式、卷帘式和移动式三种类型。玻璃温室通常采用转动式或移动式侧窗，塑料温室多采用卷帘式侧窗。屋顶通风设施有单向窗、双向窗、屋脊处开窗、天沟处开窗、连续开窗和间隔开窗等类型。对于锯齿型温室，顶窗也可采用卷帘式（童莉，２００３）。由于机械通风有能源消耗大和维持保养费用高的缺点，对于要求较低的温室微环境的调节，可以使用自然通风。但是，自然通风的缺点是其对通过温室的气流的控制作用有限。因此，在自然通风条件下，要控制好温室内的温度、相对湿度和二氧化碳浓度是相当困难的（潘强等，１９９９）。机械通风因其降温效果好而且可实现自动控制而得到较广泛应用。温室机械通风有多种类型，其主要通风形式如图１－１所示。２第一章绪论图１－１温室机械通风示意图Ｆｉｇ．１－１Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｉｎｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ１．１．３国内外研究动态在温室研究领域，ｃＦＤＩ已经用于对温室内部环境的简单研究（如预测温室内部的流场和温度分布）并且与现有的实验数据进行比较。大多数模拟的温室都是在无植物条件下的，而且研究主要集中在通风以及内部流场上。全部出版的研究论文都是用商业的ＣＦＤ软件包或为基于相同的理论和数学方法的程序在稳态下进行的。１９８９年，Ｏｋｕｓｈｉｍａ等（Ｏｋｕｓｈｉｍａ，１９８９）首次应用计算流体动力学（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＨｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）研究温室通风问题，但所得结果与其试验结果不很吻合。１９９４年，Ｂａｉｌｅｙ等（Ｂａｉｌｅｙ．ｅｔａｌ，１９９４）对四连跨温室的预测结果和有限的实验测量结果进行了比较，证明了ＣＦＤ方法的可行性；利用ＣＦＤ来研究相同温室中风机位置对温室内部流场的影响；对于带有双风机的九连跨温室的模拟并不成功，无法进行满意的运行，而且风机的最合适位置也无法确定。１９９７年，Ｍｉｓｔｒｉｏｔｉｓ等（Ｍｉｓｔｒｉｏｔｉｓ．ｅｔａｌ，１９９７）使用ＲＮＧ和ＣＫ湍流模型对零风速和低风速的模拟与实验吻合得都很好，结果证明了在计算农业建筑物热压通风方面ＣＦＤ是可行的。１９９８年，Ｓｈｋｌｙａｒ和Ａｒｂｃｌ采用ｋ－ｅ湍流模型和修正ＳＩＭＰＬＥＲ算法对自然通风条件下的温度气流场进行了二维分析与计算。应用ＣＦＤ方法对机械通风温度三维气流场的研究主要集中于畜禽舍。１９９２年Ｈｏｆｆ等（Ｈｏｆｆ，１９９２）采用修正的ｋ．Ｆ模型对无牲畜强制通风的畜舍气流场进行了计算，结果表明该模型与实际情况符合较好；１９９９年张天柱等（张天柱等，１９９９）用简化的ＣＦＤ模型对高密度迭层笼养蛋鸡舍气流场进行了数值模拟，给３－，华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟出了相应的鸡舍内气流场的分布。考虑太阳辐射的室内环境因素的ＣＦＤ研究主要是针对有空调的建筑物。童灵和陈芝久（童灵和陈芝久，１９９８）用蒙特卡罗方法分析了太阳辐射的能量在空调房内各固体表面的再分配，以其定量分布作为附加热源，结合空气的湍流流动和热浮升力等条件，进行了三维气流场与温度场的数值计算，获得了较合理的结果。２００３年童莉等（童莉，２００３）采用ＣＦＤ软件对机械通风和太阳辐射同时作用下华北型联栋温室的三维气流场和温度场进行了数值模拟研究，模拟结果与试验值吻合较好，基本可以反映真实情况。综上所述，尽管人们已经对温室环境的研究开展了大量的工作，并取得了一些进展。但是到目前为止对温室的研究多集中在自然通风这一条件下。我们知道，自然通风温室对环境的调节和控制是相对被动的，也是较弱的。而机械通风可以使人们对温室的环境控制得更好，但是它的能耗大。如果我们能够对机械通风的温室进行很好的模拟和监控，就可以通过敏感的探测器和自动控制系统对温室环境进行及时的调节，会有良好的经济利益。而且，对温室的模拟研究现在还是主要停留在二维模拟上。再次，温室中的其他重要因素的模拟，如湿度、辐射等也有待于进行进一步的研究。１．２计算流体动力学（ＣＦＤ）概述１．２．１计算流体动力学技术简介计算流体动力学在近二三十年中有了突飞猛进的发展，而且正在以更快的速度前进。推动这一发展的原因，一方面是实际问题的需要；另一方面是计算机技术的飞速发展和巨型计算机的出现。计算流体动力学是多种领域的交叉学科，它所涉及的学科有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算机科学等。它的发展促进了这些学科的进一步发展。最终体现计算流体力学水平的是解决实际问题的能力。简而言之，流体流动的数值模拟即在计算机上做实验。它在计算域内离散空气流动遵循的流体动力学方程组，将强烈非线性的偏微分方程组转变为代数方程组，再采用一定的数值计算技术求解之，从而获得整个计算区域内流场分布的详细信息，最后可将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来。这就是所谓的计算流体动力学ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＨｕｉｄＤｙｍｍｄ（葛）。由于实际空气是粘性流体，流动基本为湍流流动，故这其中涉及湍流模拟技术（程心一，１９８４）（马铁犹，１９８６）。４第一章绪论１．２．２计算流体动力学的发展计算流体动力学是改造近代流体动力学的一支生气勃勃的力量。历史上流体动力学的大师们逐渐建立起来的基本概念和基本定律，仍然是计算流体动力学最基础的东西。计算流体动力学用它自己的方法处理流体动力学方程组，突破了求解非线性偏微分方程的困难；它模拟实际的气流现象；它和实物试验并驾齐驱，设计质量可以用数值试验来评价；它大大缩短了设计的时间、节省了设计费用。在层流Ｎ－Ｓ方程求解取得重大进展的基础上，求解紊流Ｎ－Ｓ方程及紊流模型的研究成为七十年代的重要课题。１９７０年Ｄｅａｒｄｏｒｆｆ用大涡模拟的方法直接求解紊流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程。Ｏｒｓａｇ和Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ（１９７２），Ｌｅｏｎａｒｄ和Ｃｌａｒｋ（１９７４）以及Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学的Ｆｅｒｚｉｇｅｒ等都研究和发展紊流Ｎ－Ｓ方程的直接解法。目前工程上实际应用的是求解平均Ｎ－Ｓ方程的方法，紊流模型的研究极为重要。计算流体动力学是研究紊流模型的有力武器。在五十年代和六十年代，零方程模型不断有所改进。１９５０年－Ｒｏｔｔａ，１９５１年Ｒｉｃｈａｒｄ，１９５６年ｖａｉｌＤｒｉｅｓｔ，１９６１年Ｓｐａｌｄｉｎｇ等，在内层、重叠层和外层概念基础上分别得出内层紊流粘性系数的各种表示式。１９５４到１９５６，Ｃｌａｕｓｅｒ和Ｃｏｌｅｓ等得出外层紊流粘性系数公式。六十年代末和七十年代初发展了很多紊流模型。１９６９年Ｎｅｅ．Ｋａｖａｓｚｎａｙ把混合长度的涡粘概念推广为涡粘输运模型。１９７４年，Ｓａｆｆ－ｍａｎ和Ｗｉｌｃｏｘ提出以平方涡量和紊流动能为参变量的涡粘输运方程。１９７２年Ｓｐａｌｄｉｎｇ、１９７３年Ｍｏｒｅｌ、１９７４年Ｌａｕｎｄｅｒ等，根据Ｎｅｖｚｇｌｉｊａｄｏｖ（１９４２）和Ｐｒａｎｄｔｌ（１９４５）提出的紊流剪应力和混合长度、紊流动能的关系，分别提出以紊流动能和混合长度为参变量的二方程模型。１９７２年Ｈａｎｊａｌｉｃ和Ｌａｕｎｄｅｒ提出三方程紊流动能模型。它以素流动能、紊流剪应力和紊流动能耗散率为参变量，也成为应力模型。并且紊流模型的研究在不断发展。在国内，早在５０年代就有了计算流体动力学方面的研究工作。早期的工作是研究钝头体超声速无粘性绕流流场的数值解法。以后，随着我国宇航事业的发展，使得计算流体动力的数值计算方法的研究工作发展很快。７０年代，开展了采用时间相关方法求解非定常欧拉方程，可压缩Ｎ－Ｓ方程和简化Ｎ．Ｓ方程的计算方法研究。在差分格式的构造方面，提出了求解欧拉方程的特征符号方法和三层格式等。在可压缩Ｎ．Ｓ方程的求解中，计算方法有了较大的进展，先后提出了开关函数方法、调解因子方法、紧迎风格式等。这些工作的研究进一步改进了计算方法的精度，提高了求解效率。而且这些研究成果使得我们在计算流体华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟动力学的研究工作中初步形成了自己的特点。计算流体动力学在六十年代和七十年代的成就，显示出它在人类深入研究流动现象和在工程应用方面的强大生命力（林川瑜，１９９７）。１．３数值模拟概述本文对温室内的机械通风的数值模拟研究的主要内容是温室内的空气流动情况以及温度的分布情况，它主要涉及到流体流动和传热方面的知识。而对于流体流动和传热的预测方法主要有两种：实验研究和数值模拟（ＡｎｄｅｒｓＯｌｓｓｏｎ。２０００）。１．３．１预测的方法１、实验研究方法一个物理过程的最可靠的数据资料往往要由实验测量得到。采用全比例设备进行实验研究，可以预测由它完全复制的同类设备在相同条件下将如何运行。在大多数情况下，这种全比例实验是极其昂贵的，而且有时甚至是不可能的。于是取代的方法是在缩小比例的模型上做实验。但是，由于这些实验所得到的结果必须外推到全比例的设备上，然而进行这种外推工作的一般规律往往是无法得到的。此外，这种缩小尺寸的模型并不总是能模拟全比例设备的各方面特征；往往象燃烧或沸腾等重要特征在模型中就被忽略了。这样就进一步降低了模型试验结果的效能。并且，在许多情况下还存在着测量上的严重困难，何况测量仪表本身也有误差。２、数值模拟方法理论的预测出自于一个数学模型的结果，而不是出自于一个实际的物理模型的结果。对于流体流动和传热过程，数学模型主要由一组微分方程组成。如果打算采用经典的数学方法来求解这些微分方程，那么几乎是没有什么希望的（傅德薰，１９９３）。从传热学和流体力学知识就可以得出结论：实际问题只有相当小的一部分可以得到闭型解，此外，这些解还包含无穷级数、特殊函数以及关于特征值的超越方程等等，以致使这些数值的计算仍然是一个非常艰巨的任务。数值方法的发展以及大型数字计算机的应用，使得人们有可能对几乎任何一个实际问题求出数学模型的隐含解。比如：希望求得某一区域内的温度分布，可以认为只要知道区域内各离散点上的温度就够了。～个可能的方法是想象一个充满该区域的网格，并寻求在网格点上的温度值。于是就要构成并求解关于这些温度值的代数方程。用代数方程代替６第一章绪论微分方程所固有的简化使得数值方法强有力并得以广泛应用。１．３．２数值模拟的优点数值模拟具有胜过相应实验研究的优点：１）成本低；用计算的方法进行预测的最重要优点是它的成本低。在大多数实际应用中，计算机运算的成本要比相应的实验研究的成本低好几个数量级。随着所要研究的物理对象变得越来越大，越来越复杂，这个因素的重要性还会不断增长。２）速度快；计算机计算研究能以极其惊人的速度进行。一个设计者可以在不到一天的时间内研究数百种不同的方案，并从中选择出最佳的设计。另一方面很容易想象得到，相应的实验研究将要非常多的时间。３）资料完备；对一个问题进行计算机求解可以得到详尽而又完备的资料。它能够提供在整个计算域内所有的有关变量（如速度、压力、温度及紊流强度）的值。与实验的情况不同，在计算中几乎没有达不到的位置，也不会遇到由传感器引起的流场扰。动的困难。显然不可能期望实验研究能够测出整个计算区域内所有变量的分布。正因为如此，就是在做实验的时候，同时求得计算机的伴随解来补充实验资料也是很有价值的。４）具有模拟真实条件的能力；在理论计算中，可以很容易模拟真实条件。．不需要采用缩小的模型或冷态流动模型。就一个计算机的程序而言，无论是具有很大或很小尺寸的物体，不论处理很低或很高的温度，也不论是控制有毒或易燃的物质，还是跟踪很快或很慢的过程，都几乎不会有任何困难。５）具有模拟理想条件的能力；人们有时用预测的方法来研究一种基本的物理现象，而不是一个复杂的工程问题。在研究某种现象的时候，人们希望把注意力集中在几个基本的参数上并设法消除所有无关的因素。因此人们希望实现若干理想化的条件。例如：二维状态，常密度，一个绝热表面，或是无限的反应速率等。在计算机中，人们很容易而准确地给定这样的一些条件。相反，即便是很小心地安排的实验也很难近似做到这种理想化的条件。（李培耀等，１９９５）１．３．３数值模拟方法简介１、有限差分法（ｆ＇ｍｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄ。ＦＤＭ）这是历史上最早采用的数值方法，对简单几何形状中的流动与换热问题也是一种最容易实施的数值方法。其基本点是：将求解区域用与坐标轴平行的一系列网格７华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟线的交点所组成的点的集合来代替，在每个节点上，将控制方程中每一个导数用相应的差分表达式来代替，从而在每个节点上形成一个代数方程，每个方程中包括了本节点及其附近一些节点上的未知值，求解这些代数方程就获得了所需的数值解。由于各阶导数的差分表达式可以从ＴａＩｏｒ展开式来导出，这种方法又称建立离散方程的Ｔａｌｏｒ展开法。有限差分法的主要缺点是对复杂区域的适应性较差及数值解的守恒性难以保证。‘２、有限容积法（ｆｉｎｉｔｅｖｏｌｕｍｅｍｅｔｈｏｄ，ＦＶＭ）在有限容积法中将所计算的区域划分成一系列控制容积，每个控制容积都有一个节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积做积分来导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成作出假定，这种构成的方式就是有限容积法中的离散格式。用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广的一种方法。３、有限元法（ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ＦＥＭ）在有限元法中把计算区域划分成一系列单元体（在二维情况下，单元体多为三角形或四边形），在每个单元体上取数个点作为节点，然后通过对控制方程做积分来获得离散方程。它与有限容积法区别主要在于：１）要选定一个形状函数（最简单的是线性函数），并通过单元体上节点的被求变量之值来表示该形状函数。在积分之前将该形状函数代入到控制方程中去；这一形状函数在建立离散方程及求解后结果的处理上都要应用。２）控制方程在积分之前要乘上一个权函数，要求在整个计算区域上控制方程余量（即代入形状函数后使控制方程等号两端不相等的差值）的加权平均值等于零，从而得出一组关于节点上的被求变量的代数方程组。有限元法的最大优点是对不规则区域的适应性好。但其计算的工作量一般较有限容积法大，而且在求解流动和换热问题时，对流项的离散处理方法及不可压流体原始变量法求解方面没有有限容积法成熟。４、有限分析法（ｆｉｎｉｔｅａｎａｌｙｔｉｃｍｅｔｈｏｄ，ＦＡＭ）有限分析法是由美国华裔科学家陈景仁教授提出的。在这种方法中，也像有限差分法那样，用一系列网格线将区域离散，所不同的是每一个节点与相邻的４个网格（－－维问题）组成计算单元。即一个计算单元由一个中心节点与８个相邻点组成。８第一章绪论在计算单元中把控制方程中的非线性项（如Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程中的对流项）局部线性化（即认为流速已知），并对该单元上未知函数的变化做出假设，把所选定型线表达式中的系数和常数项用单元边界节点上未知的变量值来表示，这样该单元内的被求问题就转化为第一类边界条件下的一个定解问题，可以找出其分析解；然后利用这一分析解，得出该单元中点及边界上８个相邻点上未知值间的代数方程，此即为单元中点的离散方程。有限分析法中的系数不像有限容积法中那样有明确的物理意义，对不规则区域的适应性也较差。１．４本文研究内容及方法本文针对华中地区普遍使用的单栋温室在机械通风作用下其内部流场进行了分析和研究。由于时间和精力的，本文对内部流场的研究主要着眼于对其速度场和温度场分布的分析，进行了部分试验工作和建模、理论分析。本文的主要内容如下：１、建立温室内流场的数学物理模型，得出流动的控制方程组，在计算域上对流动控制微分方程组进行离散，拟定特定的算法。，＋。“２、利用大型通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ的ＦＬＯＴＲＡＮ模块对试验温室在机械通风条件下的流场进行数值模拟，从而得到计算域内空气流动的分布信息。３、将模拟结果与试验结果进行对比。４、将对比结果进行分析并得出结论。本文的研究方法是：理论与实践相结合的方法。首先用实验的方法对温室内部的流场以及温度场进行测试，然后在试验的基础上用ＡＮＳＹＳ对温室内流场进行数值计算，最后，将计算结果与试验结果进行对比分析，从而来验证数值模拟计算的准确性，并对以后的工作起到一定的指导作用。９“南＿华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟第二章温室内流场和温度场数值模拟的理论基础本章介绍本文数值模拟计算的理论基础，即温室内流场和温度场数值模拟的数学物理模型、数值求解方法等。这些理论基础是下一章应用商用软件时，选择计算方法和确定边界条件的理论依据。温室内流场和温度场数值模拟基本有如下几个环节：建立流动的数学物理模型，得出流动的控制微分方程组；在计算域上对流动控制微分方程组进行离散，将离散结果整理为代数方程组；拟定特定的算法，然后据算法对离散所得代数方程组进行求解，从而得到计算域内空气流动的分布信息。２．１温室内流场和温度场数值模拟的物理模型根据热工理论基础，可认为室内空气满足气体状态方程，即：Ｐ－？ａＲＴ（２－１）Ｐ为空气压力，Ｐａ：Ｐ为空气密度，ｋｇ／ｍ３；Ｒ为空气常数，篓Ｊ２９７Ｊ／ｋｇ；Ｔ为空气绝对温度，Ｋ。其次，通常可将温室内空气流动的压力视为常数，于是可得：ｐＴ＝ｃｏｎｓｔａｎｔ（２－２）·另外，温室内空气流动基本为低速流动，流速通常在１０ｍ／ｓ．２０ｍ／ｓ以下，因此可将室内空气当作不可压缩流体看待，即；Ｖ·Ｖ－０～（２．３）而且，温室内空气温度变化不大，也即密度变化不大，因此可认为室内空气流动符合Ｂｏｎｓｓｉｎｅｓｑ假设：密度变化并不显著改变流体性质，在动量守恒方程中，密度的变化对惯性力项、压力差项和粘性力项的影响可忽略不计，而仅考虑对质量力项的影响【３１１。综上，除了对质量力项的考虑之外，室内空气物性都可当作常物性看待。最后，温室内空气的粘性不可忽略，进一步而言，温室内空气流动通常都是湍流流动。虽然在模拟条件下温室内风速较低，但热压与风压同时存在以及在大棚边角的下将不可避免地引起湍流现象。而且，由于进入温室的空气温度与温室内的空气温度存在一定温差，因此室内空气流动往往是自然对流和强迫对流并存的混１０合对流。当然，也存在通风时的等温强迫流动。第二章温室内流场和温度场数值模拟的理论基础综上所述，温室内空气流动的物理模型可总结如下：（１）常温、低速、不可压缩流体流动；（２）符合气体状态方程的等压流动；（３）符合Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设；（４）自然对流、强迫对流都存在的混合对流湍流流动或等温湍流流动。２．２温室内流场和温度场计算模拟的数学模型２．２．１温室内流场以及温度场的控制微分方程根据上节所述的物理模型，室内空气流动应遵循不可压粘性流体的控制方程，连续方程：ａｐｕ．．一ｔ．ｏ（２．４）Ｏｘｊ动量方程：等＋ａｔ掣－一詈＋毒。ｔ等＋等＂＋ＰｆｌｇＯ…”’ｃ２渤ａｘ。ｘａｘｉ…ａｘｉａｘｆ“；‰·Ｄ能量方程：一ａｐＨ＋８ｐＨＵ坐．旦（三塑）＋ｓ。“（２．６）８ｔ搬ｊａｘｊｃｐＯｘｊＵｉ为ｘｉ方向的速度，ｍ／ｓ；ｉ＝１，２，３，Ｘｉ代表三个垂直坐标轴坐标；ｐ为空气密度，ｋｇ／ｍ３；Ｕｊ为ｘｊ方向的速度，ｍ／ｓ；Ｐ为空气压力，Ｌ；ｐ为空气层流动力粘度，ｋｇ，＇ｍ·ｓ；Ｂ为空气热膨胀系数，ｌ／Ｋ；Ｔｆ。ｆ为参考温度，Ｋ；Ｔ为空气温度，Ｋ；＆为ｉ方向之重力加速度，ｎ１／ｓ２；Ｈ为空气定压比焓值，Ｊ．／ｋｇ；ｓＨ为热源，ｗ／ｍ２；九为空气导热系数，Ｗ／ｍ·Ｋ；ｑ为空气定压比热，Ｊ／ｋｇ·Ｋ。以上方程均采用爱因斯坦求和约定表示，即下标重合的项表示三个方向分量相加（下同）。上述方程表示的物理意义是任一流体流动微团的守恒定律；连续方程表示的是质量守恒定律，动量方程表示的是动量守恒定律（ＢＰＮａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，简称Ｎ－Ｓ方程），能量方程表示的是能量守恒定律。由于上述方程中所含各项分别是随时间的１１华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮｇＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟变化项、对流项、扩散项和源项，表示的实际是对流扩散作用下的物理量守恒定律，故又称对流扩散方程。２．２．２湍流及其模拟方法概述湍流中始终存在着很不规则的脉动，即速度、压强等物理量在空间的分布随着时间和空间作随机的变化，这种脉动是由大大小小的旋涡引起的。现代研究结果表明虽然速度、压力等瞬时值即使在相同的测定条件下也不相同，然而多次取得的数据其算术平均值趋于一致，还是遵循一定的规律，即在偶然性中存在着必然性。为．了描述完全发展了的湍流运动的物理过程，常假设流动是由许多尺寸不同的、杂乱堆集着的旋涡形成。旋涡的最小尺寸则由需要它耗散掉的紊流能量决定。这种过程以一种级联的方式进行，即旋涡不断破裂为更小的旋涡，于是它们所含有的能量就逐级传递给越来越小的旋涡。当旋涡尺寸足够时，粘性可以耗散掉它所得到的湍流动能，则这种尺度的旋涡将是稳定的，不会再破裂，此即耗散涡。现在通常认为，尺度相差很大的旋涡没有直接的相互作用，只有尺寸接近的旋涡才可以传递能量。由于紊流只存在于高雷诺数，大旋涡之间的作用几乎完全不受粘性的影响。同时，由于边界的作用扰动及速度梯度的作用，新的旋涡又不断产生。由于流体内不同尺度的随机运动是造成紊流的一个重要特点，即物理量的脉动，一般认为，无论紊流运动多么复杂，非稳态的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔａｋｅｓ方程对于紊流的瞬时运动仍是适用的（王福军，２００４）。在紊流的充分发展段，除了具有粘性流体的共同性质，如连续性和机械能的粘性损耗以外，还有如下的主要特征：１、扩散性即流体的各项特征，如动量、能量、温度和含有物质的浓度通过紊动向各方传递，一般从高值处向低值处扩散，这个性质在技术工作中常起重要作用；２、三维有涡性紊流的有涡运动具有三维的特征；３、大雷诺数流动的雷诺数超过某个临界值以后，流动不稳定，发生扰动，发展成紊流。对紊流采用何种数学模型进行模拟，目前～致的结论是，各种模型可以获得良好的范围都相当窄，ｋ．￡：两方程模型，毫无疑问，在假定的系统中，紊流的许多物理过程没有都包括进去，如果计算的流场在几何结构和参数上都与用作模型标定第二章温室内流场和温度场数值模拟的理论基础的流场差不多，则模型可以给出比较满意的结果。模型方程中包含物理机理越多，则应用的范围越宽。Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ指出，紊流模型必须满足以下一些条件：１、如果待模拟的项是一个张量，则模型在张量的阶数，下标的次序，张量的性质（如对称性）都和源项相同；２、量纲上必须相同；３、满足不变性原则，模型表达式与坐标系的选择无关，当坐标变换时，模型与待模拟的量按相同的规律变化；４、模型方程必须满足质量和能量守恒定律。自１８８３年Ｒｅｙｎｏｌｄｓ通过著名的圆管流动状态实验发现湍流流动以来，人们已经对其进行了长达一个多世纪的研究，但是尚未形成成熟的湍流理论，对湍流的物理本质还不很清楚。而另一方面，湍流流动又广泛存在于各个领域，人们不得不对湍流进行模拟以满足实际的需要。目前人们对湍流模拟的方法主要有：直接数值模拟（ＤＮＳ：ＤｉｒｅｃｔｌｙＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ），大涡模拟（ＬＥＳ：ＬａｒｇｅＥｄｄｙＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）和湍流输运模型模拟（ＴｕｒｂｕｌｅｎｃｅＴｒａｎｓｐｏｒｔＭｏｄｅｌｉｎｇ）。由于ＤＮＳ和ＬＥＳ耗时多，应用于工程还不现实，故目前工程中最常采用的还是湍流输运模型模拟湍流，简称湍流模型。湍流模型求解的是工程应用的流场平均物理量，其出发点是时均化的Ｎ．Ｓ方程，由于该方程是Ｒｅｙｎｏｌｄｓ在１８９５年提出的，故又称雷诺平均方程（ＲＡＮＳ：ＲｅｙｎｏｌｄｓＡｖｅｒｇｅｄＮａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ）方程。因为湍流流动具有随机性，湍流流速是空间和时间的随机函数，对其统计平均才是我们需要的所谓平均特性。即湍流物理量功的平均值应为：万一窆驴（ｘｌ，ｘ儡２，ｘ３，ｔ），Ｎ—ｍ（２．７）但是，采取了各态遍历假说后，就可以认为时均值和上述的统计平均值相等，于是（２．７）中的平均值可表示为：石一｛ｒ“驴（ｘｌ，ｘ２，ｘ３，ｔ）ｄｔ（２－８）其中的时间Ｔ应比湍流脉动的时间尺度大得多，且比时均值非定常变化的时间尺度小得多。引入了上述时均值之后，我们就可以将湍流物理量如速度，温度等的瞬时蕾窀．·华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟值分为时均值和脉动值，即：矿一妒＋妒’（２－９）其中妒为湍流物理量（速度、温度等）的瞬时值，驴为依式（２．８Ｌ所得之平均值，矿’为脉动值。根据式（２．８）我们很容易得到时均化的如下性质：妒＝妒，妒’一０，鲫’·０，妒九ｔ－疵九＋噍’九‘（２—１０）利用以上时均化的性质对前述式（２．４）～（２．７）进行时均化，以后为简化记，时均值上部的“．”均省略，以大写字母表示之，脉动值用小写字母表示）可得连续方程：旦盟。０（２．１１）ＯｘＩ动量方程：警＋警ｍ一詈＋毒ｃｐ等一厕＋叙Ｉ胞；ｃＴ。ｆ－Ｔ）＋毒（ｔｚｏｘ０ｘｆ’叙：～”’…１ａ】【：缸ｊ等，ｃ２也，能量方程：等＋等－毒ｃ毒署一ｐ硒埚（２－１３）以上各式就是雷诺平均方程。雷诺方程中有湍流的二阶脉动相关项，如ｐ鬲（雷诺应力），ｐ／ｚ；ｈ（雷诺传热量）等，这些均为未知量，于是方程数（５个）少于未知量个数（１４个），无法封闭求解。因此，需要一些假设或理论将上述方程组封闭，由此便形成了所谓的湍流模型。如果推导出关于上述二阶脉动相关项的微分方程组，那么又将出现三阶的脉动相关项，再推导三阶脉动相关项的微分方程，则又会出现脉动相关项，如此反复永无穷尽，而方程组也无法封闭。我国的周培源曾于１９４０年建立了一般湍流的雷诺应力所满足的微分方程组，即上述二阶脉动项的微分方程组。并且，他进一步推导了四阶脉动相关项的微分方程，在此基础上引入假设，使方程封闭可解。但是限于计算机存储和运算能力，这类模型还无法用于工程实际。对于二阶脉动相关项的微分方程，如果借助某些半经验理论，用低阶脉动相关项或者时均值表示其中的三阶脉动项，则可以封闭方程组，这样的湍流模型就是所谓的“二阶模型”。代表性的有雷第二章温室内流场和温度场数值模拟的理论基础诺应力模霆！－／ＲＳＭ（Ｒｅｙｏｎｌｄｓｔｒｅｓｓｍｏｄｅｌ）、代数应力模型ＡｓＭ（ａｌｇｅｂｒａｉｃｓｔｒｅｓｓｍｏｄｅｌ）等。二阶模型相对ＤＮＳ和ＬＥＳ较为简单，但是封闭之后的微分方程也有１６个之多，应用于工程实际仍然存在困难。目前工程中最为常用的一类湍流模型还是涡粘系数模型ＥＶＭ（ｅｄｄｙｖｉｓｃｏｓｉｔｙｍｏｄｅｌ），它是基于Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设，将二阶脉动相关项表示为时均值的函数，藉此封闭求解。２．２．３Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设雷诺方程中引入了高阶的二阶脉动相关量ｐ肫心，ｐｐｊｈ，造成雷诺方程组的不封闭。它们可以看作是湍流脉动输运对时均流动的效果。由于上述的二阶脉动相关量分别具有应力和热流的量纲，故称作雷诺应力和雷诺传热。为此ＢｏｌｌＳｓｉｎｅｓｑ提出了著名的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设：一ｐ鬲叫（等＋等一触ｃ２“，ｐ。为湍流粘性系数，ｋｇ／ｍ·ｓ；ｋ为单位质量流体湍流功能，ｍ２／ｓ２；氐为克罗内克符号，其值为：岛＝１，当蠲；氐＝ｏ，当ｉｇ－ｊ；（２—１５）湍流动能ｋ为：ｋ＝｛∥ｉ∥ｊ（２—１６）与Ⅳ是流体的特性参数不同，地反映的是湍流流场特性，与流体种类无关，而是由湍流流动情况而定，在流场中各点的值是不一样的。ｋ反映了湍流脉动的强度，是表征湍流强度的一个重要物理量。一Ｐ雨噜∞协忉巩为湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数，取０．９～１．０。将式（２．１４），（２．１７）分别代入（２．１２），（２．１３）可得，动量方程：１５华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟螋ｏｔ＋等ｏｘ～詈Ｏｘ＋壶泓Ⅵ）尝＋挈Ｏｘ】＋蒯ｋ．Ｔ）；ａｘ：……、ａｘ；ｉ……‘“（２．１８）能量方程：掣＋塑—０一【０＋刍一ＯＨ】＋ｓ（２．１９）ａｔ。ａｘｊ８ｘｊ“ｃｐＰｒ，７０ｘｊ。“可见考虑了雷诺应力（传热）和相应时均量的梯度关系之后，相当于在相应方程中增加了扩展项，可定义等效扩散系数：∥ｄ。／ｚ４－段（２．２０）ｋ。言嗜（２．２１）Ⅳ。。为等效粘性系数，ｋｇ／ｍ．ｓ；ｒ■为等效热扩散系数，ｋｇ／ｍ．Ｓ。２．２．４粘性系数模型通过［Ａ．Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设模拟二阶脉动项，描述流体湍流流动的控制微分方程组可用式（２．１１），以及（２．１８）～（２．２１）各式表示．此时未知数为Ｕｉ（ｉ＝１，２，３），Ｐ，Ｈ，／ｚ。共６个，而微分方程共有５个：１个连续方程＋３个动量方程＋１个能量方程。因此附加一个求解湍流粘性系数Ｍ的方程便可封闭上述微分方程组。围绕如何求解肌，形成了湍流输运模型中最主要的一类：涡粘系数模型ＥＶＭ。如果附加一个代数方程求解从，则称为零方程模型，如Ｐｒａｎｄｔｌ的混合长度模型；如果附加一个微分方程求解从，那么就称该湍流模型为两方程模型，如ｋ－Ｆ模型。以下对零方程模型做简单介绍。最简单的零方程模型是常系数模型。对于剪切层的紊流流动（即自由射流的紊流流动），Ｐｒ孤ｄｔｌ认为垂直于主流方向的同一截面上从为常数，而且可以用下式计算：ｐ。＝ｃｐｄｌｐ～一ｐ。血Ｉ（２·２２）式中ｄ为射流层厚度，它是指切应力层中边缘上两点之间的距离，这两点的流速与射流层外自由流动的流体的速度差对于该截面上最大速度差的１％，ｄ也就是指１６第二章温室内流场和温度场数值模拟的理论基础流速等于截面上最大流速的１％的两个点之间的距离。Ｐｒａｎｄｔｌ的混合长度理论是应用比较广泛的零方程模型。在二维问题中紊流切应力表示成为：一一ｐＵ＇Ｖ＇一Ｐ’２ｍ…ｄｙ塑ｄｙ（２－２３）或胪∥：矧（２－２４）这里ｕ为主流的时均速度，ｙ是与主流相垂直的坐标。１。称为混合长度，是这种模型中需要加以确定的参数。对于沿平直边界层厚度，它被定义为流速等于９９％的来流速度的地点离开壁面的距离。１。－与ｙ／８的关系见图２－１，系数ｎ及Ａ由实验测定，取为ｎ＝Ｏ．４３５，Ａ＝０．０９。其中ｎ称为Ｖｏｎ－Ｋａｒｍａｎ（冯·卡门）常数。在十分接近壁面的地区，应当考虑分子粘性对削弱紊流脉动的影响。对于沿平直壁面的流动，ＶａｎＤｒｉｅｓｔ提出了用一个阻尼函数来考虑分子粘性作用的方法，把壁面附近的混合长度表达式改写成为：ｌ。ｌｎｙ【１一懿“一巫毫磐）】（２．２５）其中ｋ为壁面上的切应力，对光滑壁面＃＿－－２６．Ｏ。混合长度理论对于无回流的简单的流动，如二维平直表面上边界层流动，平直通道内的流动等是适用的。例如用混合长度理论及三代纵向内肋片的平直圆管内的充分发展对流换热所得到的结果与实验测定相当一致，但对于壁面曲率较大的边界层型流动及自由射流，用混合长度理论计算的结果还不能令人满意。而对于有回流的流动则尚未找出一个合适的混合长度的计算公式。图２．１平壁边界层中的混合长度Ｆｉｇ．２－１Ｍｉ】｜【ｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｆｌａｔｐｌａｔｅｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒ１７麓一嚣华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟２．３标准ｋ．￡模型上一节中提到，涡粘系数模型ＥＶＭ如果附加一个微分方程求解从，那么就称该湍流模型为两方程模型，如ｋ一￡模型。在ＡＮＳＹＳ软件中提供了六种湍流模型：（１）标准ｋ—Ｅ模型；（２）零方程湍流模型；（３）Ｒｅ．ＮｏｒｍａｌｉｚｅｄＧｒｏｕｐ湍流模型；（４）Ｓｈｉｈ新ｋ一５模型（Ｍ（Ｅ）；（５）Ｏｉｒｉｍａｊｉ非线性模型；（６）Ｓｈｉｈ．Ｚｈｕ．Ｌｕｍｌｃｙ模型。通常，标准的ｋ—ｓ模型是应用的首选模型，它通常能提供流动的真实情况，尤其适合于计算管道和通道中的湍流流动。标准ｋ—Ｆ模型和零方程湍流模型是最简单的湍流模型，其它四个模型是标准ｋ一￡模型的扩展。标准ｋ一￡模型是缺省模型，所以这里主要介绍一下标准ｋ—Ｆ模型。标准ｋ—ｓ模型是建立在半经验公式模型的基础上，模型输运方程组源于计算紊流动能ｋ和其耗散率￡。模型中计算ｋ的输运方程源于精确方程，而模型中计算ｇ的输运方程则有一定的物理含义而在数学上却没有精确的定义。ｋ一￡模型的来源，可以假设流动是充分发展的紊流，且分子粘性的影响可以忽略。２．３．１计算标准ｋ．￡模型的输运方程组紊流动能ｋ和其耗散率Ｆ，可以从如下输运方程组得到：Ｐ簧告卜老，刮ａｋ］＋ｏ舯－一ｋ沼ｚｓ，ｐ詈－壶ｆ（∥＋马６，旦ａｘｉｌ］＋ｃ。ｋ（Ｏｋ＋Ｃ３，Ｇｂ）一ｃ：。ｐ譬ｃ２掰，在以上的方程组中，Ｇｋ可以表示由于平均速度梯度引起的紊流动能的生成，可用来计算ｋ—ｓ模型中紊流生成量的模数化。Ｇ。是由浮升力引起的紊流动能的生成，可用来计算ｋ一￡模型中浮升力对紊流的影响。１Ｙ－Ｍ可以用来表示为在可压缩流体紊流中扰动膨胀对总耗散率的影响，可用来计算ｋ—ｆ模型中可压缩对紊流的影响。ｃ０，Ｃ２。，和Ｃ３．是常数。屯和６，分别是ｋ和￡的紊流Ｐｒ数。第二章温室内流场和温度场数值模拟的理论基础２．３．２紊流粘性的模数化涡旋或紊流粘性系数可由ｋ和ｇ计算：＂心，等（２．２８）这里Ｃ。为常数·２．３．３模型常数．．，．．：．模型常数取如表２．１所示的默认值，这些默认值是由空气和水的紊流剪切实验确定（包含拟剪切流）并消除了各向同性网格紊流。实验发现这些常数对各种壁面边界和自由剪切流的情况有效。尽管模型常数的默认值多数情况下是可接受的，仍可在粘性模型面板中改变它们。表２．１模型常数”Ｔａｂｌｅ２．１ｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ～＾２．４微分方程的离散：～’｛建立了温室内空气流动的数学物理模型之后，就可以对相关方程进行离散，从而将不易解的偏微分方程组转化为易解的代数方程组。目前，在数值计算方法中有三种离散方法：有限差分法（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＭｅｔｈｏｄ），有限容积法（ＦｉｎｉｔｅＶｏｌｕｍｅＭｅｔｈｏｄ），有限元法（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）．有限差分法根据Ｔａｙｌｏｒ展开得到，从数学上分析误差较为方便，但是物理意义不明显；有限容积法刚好相反，它是通过将计算域划分为离散的控制体，再在控制体上对各个守恒控制微分方程进行积分而得到离散的代数方程组，因此该方法物理意义明显，但是难以分析其误差；有限元法则可对不规则形状的计算域进行离散，在局部是用连续的函数表达所求的物理量场。１９华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟简单的说，有限元法是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元间只通过节点相联系，所有理合位移都通过节点进行计算。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、子域界面上（内部边界）以及子域与外界分界面（外部边界）上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程组合起来，就得到了整个结构的方程。求解该方程，就可得到结构的近似解。２．５边界条件在流体模拟分析过程中，不仅要确定流体流动的数学方程，还需要合理地考虑每一个边界条件，这样整个方程组才是封闭的。对于一个相关变量，通常如果边界条件没确定，则假定变量的垂直于表面的导数为零。本文将要涉及到的初始条件主要有：１、固定壁面边界条件固定壁面主要是温室内的棚壁面、顶棚、土表面等，其边界条件一般有如下几类：（１）给出变量的值本文中的种类边界条件为：给定壁面的温度，非滑动壁面的速度分量为零等；（２）给出变量庐沿某方向的导数值娑：如已知壁面的热流量，对绝热壁面则ａⅡ娑；０，本文中对给定壁面热流或绝热壁面采用此种处理方法；ａⅡ（３）给出娑和妒的关系式，如通过对流换热系数以及周围流体温度而限定壁ａⅡ面的换热量，本文对给定壁面温度和对流换热系数的换热边界条件采用这种处理方法；２、自由边界．出口入口边界条件出口边界条件根据入口单向流动假设，给出出口压力值，入流边界条件给出的是进风口处的速度、温度甚至湍流动能和湍流动能耗散率等参数。２０第三章速度场及温度场的计算机辅助分析第三章速度场及温度场的计算机辅助分析通常，认识和研究流体规律的方法主要有三种：理论分析、试验研究和数值模拟。理论分析是最早最基本的研究方法，它可以深入认识现象的本质规律，其结果带有普遍性，各种影响因素也清晰可见，同时它还为检验数值计算的准各程序提供了比较依据；试验研究是研究流体流动的最基本的研究方法，它通过对产品模型进行测试分析，来综合考虑影响流动的各种因素，结果客观可靠。但试验研究通常受到一定的（如设备与运行费用，试验条件等），而数值计算方法正好具有成本低以及能模拟复杂或较理想的工况等优点，它可以拓宽试验研究的范围，减少试验的工作量。从某种意义上说，在特定参数下用计算机进行一次数值计算相当于进行一次试验。本章将在实验基础上利用前面所建立的理论模型通过ＡＮＳＹＳ有限元软件对温室内流场以及温度场进行预测。３．１有限元软件ＡＮＳＹＳ简介ＡＮＳＹＳ是美国ＡＮＳＹＳ公司设计开发的大型通用有限元计算软件，能够进行机械应力分析、温度场分析、热应力分析以及电磁场分析等，并且具有强大的前后处理功能，其图形输出功能能够清晰、直观地反映出各种场分布的计算结果。作为目前最流行的有限元软件之一，它具有功能强大、兼容性好、使用方便、计算速度快等优点。ＡＮＳＹＳ软件提供的功能清单可完成的工作包括：建立计算模型或者输入结构、产品、组件和系统的ＣＡＤ模型；应用施加载荷或者其他设计条件；研究模型的物理响应，比如应力水平、温度分布或者电磁场等；对产品进行优化设计，以降低产品的费用；做数值模拟实验。ＡＮＳＹｓ软件已发展成为了一整套可扩展的、灵活集成、可以运行的，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合的，各种模块综合集成化的大型计算软件。３．１．１ＡＮＳＹＳ软件分析模块及应用ＡＮＳＹＳ软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块为用户提供了一个强大的建模及网格划分工具，用户可以很方便地构造有限元模型。软件提供了１００种以上的单元类型来模拟工程中的各种结构和材料；分析华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可以模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；而后处理模块可将计算结果以彩色等值线现实、梯度现实、矢量现实、粒子流显示、立体切片现实、透明及半透明显示等图形显示方式显示出来，也可计算结果以图标、曲线显示或输出。ＡＮＳＹＳ的主要应用模块有ＡＮＳＹＳ／Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ、ＡＮＳＹＳ／Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ、ＡＮＳＹＳ／Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ、ＡＮＳＹＳ／Ｌ＇ｍｅａｒｐｌｕｓ、ＡＮＳＹＳ／Ｔｈｅｒｍａｌ、ＡＮＳＹＳ／Ｐｒｅｐｐｏｓｔ、ＡＮＳＹＳ／ＦＬＯＴＲＡＮ、ＡＮＳＹＳ／Ｅｍａｇ、ＡＮｓＹＳ／Ｌｓ．ＤＹＮＡ等。本课题将使用ＡＮＳＹＳ软件中的ＦＩＤＴＲＡＮ模块对温室内的流场以及温度场进行模拟。３．１．２ＡＮＳＹＳ软件应用的技术特点１，建模能力强它能自由灵活的建立实体模型，定义材料特性、各种载荷、边界条件，建立约束方程；能根据问题的特殊要求划分网格；具有子结构、子模型等高级功能。２、求解能力强ＡＮＳＹＳ具有多种方程求解器，能求解各种大型矩阵，精度高。这些求解器包括：波前求解器（ＦＲＯＴＡＬ）、预条件共轭梯度求解器（ＰＣＧ）、雅可比共轭梯度求解器（ＪＣＧ）、不完全乔列斯基共轭梯度求解器（ＩＣＣＧ）以及一些特殊的求解器。各种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。对于流体力学问题的求解，主要方法有三对角矩阵法（ＴＤＭＡ），预条件共轭残差法（ＰＣＲＭ）、预条件广义最小残差法（ＰＧＭＲ）和稀疏矩阵直接解法（ＳｐａｒｓｅＤｉｒｅｃｔ）等，它们分别适用于不同的求解问题（陈精一和蔡国忠，２００１）。３、后处理能力强ＡＮＳＹＳ软件具有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数据输出形式，具有时间历程分析功能，可叠加不同载荷工况以及进行各种数学计算等功能，可获得任何节点和单元的数据。４、开放性好ＡＮＳＹＳ允许用户进行二次开发和扩展新的用户功能。包括在用户程序中调用ＡＮＳＹＳ系统，开发新的用户单元，在ＡＮＳＹＳ系统中调用用户子程序，建立用户蠕第三章速度场及温度场的计算机辅助分析变准则等。同时，它对其它软件开放，支持通用的图形标准，如：ＩＧＥＳ、ＳＡＴ、Ｐａｒａｓｏｌｉｄ、ＳＴＥＰ等。ＡＮＳＹＳ可以直接调入Ｕｎｉｇｒｃｐｈｉｃｓ、Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ、ｌ－Ｄｅａｓ、Ｃａｔｉａ、ＣＡＤＤＳ、ＳｏＨｄＥｄｇｅ、ＳｏＨｄＷｏｒｋ、ＡｕｔｏＣＡＤ等软件生成的几何模型。３．２ＡＮＳＹＳ历ＬＯＴＲＡＮ模块简介“：ｊ略３．２．１ＡＮＳＹＳ／ＦＬＯＴＲＡＮ流场分析的功能ＡＮＳＹＳ程序中的ＦＬＯＴＲＡＮＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎＭＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）分析模块是一个用于分析二维和三维流体流动场的先进的工具，使用ＡＮＳＹＳ中用于ＦＬＯＴＲＡＮＣＦＤ分析的ＦＬＵＩＤｌ４１和ＦＬＵＩＤｌ４２单元，可解决如下问题：（１）作用于气动翼（叶）型上的升力和阻力；（２）超音速喷管中的流场；（３）弯管中流体的复杂的三维流动等。同时，ＦＬＯＴＲＡＮ还具有如下功能：计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布；研究管路系统中热的层化及分离；使用混合流研究来估计热冲击的可能性；用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能；对含有多种流体的（由固体隔开）熟交换器进行研究。ＦＬＯＴＲＡＮ可执行如下分析：·层流或紊流·传热或绝热．·可压缩或不可压缩·牛顿流或非牛顿流·多组份传输这些分析类型并不相互排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或者是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。３．２．２ＦＬＯＴＲＡＮ单元的特点ＡＮＳＹＳ中的ＦＬＯＴＲＡＮ单元，即ＦＬＵＩＤｌ４１和ＦＬＵＩＤｌ４２，用于解算单相粘性流体的二维和三维流动、压力和温度分布。对于这些单元，ＡＮＳＹＳ通过质量、动量和能量三个守恒性质来计算流体的速度分量、压力以及温度。嚣华中农业大学硕士学位论文ｚ基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟ＦＬＵＩＤｌ４１单元具有下列特征：维数：二维形状：四节点四边形或三节点三角形自由度：速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额ＦＩ耶ｍ１４２单元具有下列特征：维数：三维形状：四节点四面体或八节点六面体自由度：速度，压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额口ＦＬＵＤｌ４１单元ＦＬＵＩＤｌ４２单元３．２．３ＦＬＵＩＤ单元的其他特征ＦＬＵＩＤ单元的其他特征包括：（１）用于模拟紊流的二方程紊流模式。（２）有很多推导结果，诸如：流场分析中的马赫数、压力系数．总压、剪应力、壁面处的ｙ－ｐｌｕｓ以及流线函数；热分析中的热流，热交换（膜）系数等。（３）流体边界条件，包括：速度、压力、紊流动能以及紊流能量耗散率。使用时无需提供流场进口处紊流项的边界条件，因为ＦＬＯＴＲＡＮ对此提供的缺省值适用于绝大多数分析。一（４）热边界条件，包括：温度、热流、体积热源、热交换（膜）系数。用户可使用的坐标系有：笛卡尔坐标系、柱坐标系、极坐标系和轴对称坐标系。如果所计算的问题是轴对称的，激活旋转（ｓｗｉｒｌ）选项即可算出垂直于对称平面的速度分量。第三章速度场及温度场的计算机辅助分析３．２．４ＡＮＳＹＳＦＬＯＴＲＡＮ流场分析的步骤运用ＡＮＳＹＳ软件进行分析流场分析时主要有如下七个主要步骤（ＡＮＳＹｓ公司，１９９９）：第一步：确定问题的区域首先必须确定所分析问题的明确的范围，将问题的边界设置在条件已知的地方，如果并不知道精确的边界条件而必须作假定时，就不要将分析的边界设在靠近感兴趣区域的地方，也不要将边界设在求解变量变化梯度大的地方。有时，也许用户并不知道自己的问题中哪个地方梯度变化最大，这就要先作一个试探性的分析，然后再根据结果来修改分析区域。第二步：确定流体的状态在此需要估计流体的特征，流体的特征是流体性质、几何边界以及流场的速度幅值的函数。ＦＬＯＴＲＡＮ能求解的流体包括气流和液流，其性质可随温度而发生显著变化，ＦＬＯＴＲＡＮ中的气流只能是理想气体。用户须自己确定温度对流体的密度、粘性、和热传导系数的影响是否是很重要，在大多数情况下，近似认为流体性质是常数，即不随温度而变化，都可以得到足够精确的解。通常用马赫数来判别流体是否可压缩。流场中任意一点的马赫数是该点流体速度与该点音速之比值，当马赫数大于０．３时，就应考虑用可压缩算法来进行求解；当马赫数大于Ｏ．７时，可压缩算法与不可压缩算法之间就会有极其明显的差异。第三步：生成有限元网格在此必须事先确定流场中哪个地方流体的梯度变化较大，在这些地方，网格必须作适当的调整。例如：如果用了湍流模型，靠近壁面的区域的网格密度必须比层流模型密得多，如果太粗，该网格就不能在求解中捕捉到由于巨大的变化梯度对流动造成的显著影响，相反，那些长边与低梯度方向一致的单元可以有很大的长宽比。第四步：施加边界条件在划分网格之前或之后对模型施加边界条件，此时要将模型所有的边界条件都考虑进去，如果与某个相关变量的条件没有加上去，则该变量沿边界的法向值的梯度将被假定为零。求解中，可在重启动之间改变边界条件的值，如果需改变边界条件的值或不小心忽略了某边界条件，可无须作重启动，除非该改变引起了分析的不稳定。华中农业大学硕士学位论文；基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟第五步：设置ＦＬＯＴＫＡＮ分析参数为了使用诸如湍流模型或求解温度方程等选项，在此必须激活它们。例如材料属性、流体性质、求解控制等特定项目的设置，是与所求解的流体问题的类型相关的，在流场分析过程中必须设置这些参数。第六步：求解在ＦＬＯＴＲＡＮ求解过程中，程序在每一个总体迭代里对相关变量计算出一个收敛监测量。在批处理或交互运行过程中，当求解进行时，程序的“图形求解跟踪（Ｇｓｌｙ功能将适时显示出所计算的收敛监测量。通过在观察求解过程中相关变量的改变率，可以监视求解的收敛性及稳定性。这些变量包括速度、压力、温度、动能（ＥＮＫＥ自由度）和动能耗散率（ＥＮＤＳ自由度）等湍流量以及有效粘性（ＥＶＴＳ）。一个分析通常需要多次重启动。第七步；检查结果可对输出结果进行后处理，也可在打印输出文件里对结果进行检查，此时用户应使用自己的工程经验来估计所用的求解手段，所定义的流体性质、以及所加的边界条件的可信程度。３．３速度场以及温度场的ＡＮＳＹＳ分析为了使计算结果和现场实验测试结果有较好的可比性，建立与试验所用温室尺寸相同大小的模型，长４米，宽２米，檐高１米，拱高０．５米。风机以及入风口位置如图３－１所示。２１．风机２．进风口图３－１温室物理模型示意图Ｆｉｇ．３·１Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ第三章速度场及温度场的计算机辅助分析３．３．１构建模型以及网格的划分对于温室流场的模拟可以是二维的也可以是三维的，目前有关温室流场的分析大部分都是二维的，因为和三维模型比较它减少了模拟过程的复杂性和大大减少了计算量。本文将利用ＦＬＯＴＲＡＮ对试验温室内流场进行二维的模拟分析，选取整个温室通过风机中心的纵剖面作为计算域。由于对温室内流场进行的是二维建模，因此应采用ＦＬＯＴＲＡＮ模块中的二维ＣＦＩ）ＦＬＯＴＲＡＮ单元（ＦＩⅢＩＤｌ４１）来划分模型网格。此单元类型可以模拟湍流的流动和传热，它的形状为４节点四边形，它所拥有的自由度包括速度、压力、温度、湍流动能和湍流动能耗散率等。选定计算域后，就可以对温室及其室外区域进行几何建模和网格生成，在ＣＦＤ研究中按照一定的规律分布于流场中的离散点的集合叫网格，分布这些网格节点的过程叫网格生成（Ｍｅｓｈｉｎｇ）。网格生成对ＣＦＤ研究至关重要，直接关系到ＣＦＤ数值模拟的成败。网格可以分为结构化网格和非结构化网格两种。结构化网格：这类网格的所有网格点都是任意坐标下两族（或三族）曲线的交点。采用结构化网格的优势在于它易于生成物面附近的边界层网格，有许多成熟的计算方法和比较好的湍流计算模型，但是比较长的物面离散时间、单块网格边界条件的确定以及网格块之间各种相关信息的传递，又增加了快速计算分析的难度，而且对于不同的复杂外形，它必须构造不同的网格拓扑结构，因而无法自动实现网格生成，网格生成费时费力。非结构化网格：这类网格由三角形和四边形单元组合而成（－－维为四面体和六面体），其网格点不是用坐标线定义，无法用一套有序的整数，如ｉ，ｊ（或三维对应于ｉ，ｉ，ｋ）来表示，丽必须按一定顺序单独进行计算。非结构化网格消除了结构化网格中节点的结构性，节点和单元的分布可控性好，因而能较好地处理边界，适用于模拟真实复杂外型。一旦在边界上指定网格的分布，在边界之间可以自动生成网格，无需分块或用户的操作，而且不需要在子域间传递信息。因而，近年来非结构网格方法受到了高度的重视，有了很大发展。本文在对温室的研究面划分网格时采用非结构化网格，出口和入口处分别进行了网格加密，对温室靠近壁面的区域适当加密，通过加密可以在求解中捕捉到由于巨大的变化梯度对流动造成的显著影响。整个计算域被划分为２１５４个网格，有２２７６个节点。生成的网格如图３．２所示。华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟图３．２网格划分图Ｆｉｇ．３－２Ｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｍｅｓｈｉｎｇ３．３．２边界条件与初始条件的确定温室机械通风的过程伴随着对流换热、土壤和维护结构导热、太阳辐射、室内热辐射、植物蒸腾、地面蒸发、水汽凝结、ＣＯｍ平衡等复杂的能量和物质的传递过程。如果把温室机械通风过程看作由室内外空气、温室维护结构、室内植物和土壤组成的系统，系统以室内空气为载体不断进行着能量和物质的交换。ＣＦＤ数值模拟以室内空气作为研究对象，其余如室外空气、温室维护结构、室内植物、土壤都作为数值计算的边界条件来进行处理。对边界条件处理的好坏直接影响到数值计算的结果。根据本文所模拟温室的实际情况，试验温室内不种植物，所以可以不考虑植物的因素，下面对所要考虑的边界条件进行逐一分析。１、室内外空气本文中使用的风扇在出口处形成的风是向四周发散排出的，在计算时将出口处压力假设为零，在迸风口给定气流速度以及气流温度（文中即室外空气温度）。在数值模拟过程中空气类型选择ＡＩＲ—ＳＩ（国际单位制的空气性质）。空气对太阳辐射的吸收系数仅为０．０２，在本文中简单的计算和模拟可以忽略太阳辐射对空气速度场以及温度场的影响。在数值计算过程中输入的参数有；进风口处风速，空气的运动粘度系数，入口温度，空气比定压热容，空气导热系数，空气的热膨胀系数，空气密度等．２、温室围护结构温室的围护结构包括顶棚和壁面，温室的顶棚以及壁面的材料均为农用塑料薄膜，围护结构不断与室外空气进行着能量交换，同时吸收室外太阳辐射能量从而影第三章速度场及温度场的计算机辅助分析响与室内空气进行的热量交换，围护结构与室内空气的热量交换是通过热传导、对流换热和辐射换热三种方式进行的。３、土壤土壤和室内空气存在着能量和物质的交换，在计算过程中为其设定能量传递参数和物质传递参数。在数值计算过程中不考虑土壤中水分的蒸发以及太阳辐射反射率。基于ＡＮＳＹＳ／ＦＬＯＴＲＡＮ的边界条件设置如下：（１）出口：采用压力边界条件，定义出口压力相对大气压力为零，即没有附加的压力作用（２）进口：采用速度边界条件，给定速度；热边界条件，在边界节点上定义温度（３）顶棚：采用热边界条件（４）壁面：采用固体壁面边界条件，所有速度分量都设为零；对流换热系数，在边界节点上定义（５）土壤：采用固体壁面边界条件，所有速度分量都设为零；热边界条件，。，．，在边界节点上给定温度为了便于模型的验证，将现场试验测试结果以及计算结果作为边界条件代入模型的计算当中。数据见表３－１。表３－１主要边界条件试验测量数据Ｔａｂｌｅ３－１Ｍａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａ３．３．３ＦＬＯＴＲＡＮ求解分析设置１、求解选项在温室通风的过程中，所要分析的是温室在通风稳定后流场的分布。由于空气华中农业大学顶士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟受热会引起密度的变化，所以空气的流动情况会影响温度场的分布，同时温度场的分布情况又会对空气的流动产生影响，也就是说在温室内的速度场与温度场是相互影响的，即相互耦合的，属于耦合传热问题。由于空气物性随温度变化，所以流场解依赖于温度场，而不能先求得收敛的速度场再求温度场，因此，在求解速度场的同时还必须激活温度选项。在第二章中，已经分析了温室内流场的物理模型，可知流场内空气流动是不可压缩紊流流动，因此应激活紊流选项。２、算法设置为了处理压力和动量方程之间的耦合，采用的耦合算法一般指的是ＳＩＭＰＬＥ（Ｓｅｍｉ．ＩｍｐｌｉｃｉｔＭｅｔｈｏｄｆｏｒＰｒｅｓｓｕｒｅＬｉｎｋｅｄＥｑｕａｔｉｏｎｓ），即：解压力耦合方程的半隐式法。在ＡＮＳＹＳ／ＦＬＯＴＲＡＮ中，提供了两种分离算法ＳＩＭＰＵ＇Ｆ和ｓｍＩＰＬＥＮ。ＳＩＭＰＬＥＦ算法使用了一些ＳＩＭＰＬＥＣ算法中的思想来改进自己。ＳＩＭＰＬＥＮ算法对于不可压缩流动的有限元模拟来说是一种更快更强的，从Ｓ肌ＰＬＥ算法变化而来的一种算法。它加快了收敛的速度。通常情况下，对于使用这两种算法，ＦＬＯＴＲＡＮ会自动地设置一些缺省的求解设置，然而，对于一些问题，必须重新设置这些选项，如对流项的分离方案、求解器的选择和收敛因子等。在此，首先选用程序默认的算法ＳＩＭＰＬＥＦ来进行分析。当采用了ＳＩＭＰＬＥＦ算法以后，对于动量方程和紊流方程都采用缺省的ＴＤＭＡ（三对角矩阵法）求解器。其它的任何一种求解器都不能提高收敛性。即便是对每个方程都获得了精确解，收敛也不会得到提高，这是因为压力和动量方程之间弱耦合的原因。３、自由度求解器的选择当非流体材料的熟物性参数与流体的热物性参数相差几个数量级的时候，就是病态的共轭传热问题。而在温室通风的分析中，温室壁面的导热系数和空气的导热系数就相差得比较大，所以就属于典型的病态的共轭传热问题。在这种条件下，不管推进多少步ＴＤＭＡ方法可能都不会产生有用的结果。对于耦合热传递问题，之所以要采用一种不同于缺省的ＴＤＭＡ的原因，在于导热矩阵是病态的，这是因为固体和流体的导热系数在数量级上有差别。ＴＤＭＡ和ＣＲ（共轭残差法）求解器不适合于病态的矩阵。求解病态传热问题的一个更好的选择就是预条件共轭残差法（ＦＣＲ），它提供了更多的函数，且需要较少的内存。求解病态传热问题，最好但又最耗内存的方法为第三章速度场及温度场的计算机辅助分析预条件广义残差法（ＰＧＭＲ）。尽管ＰＧＭＲ和ＰＣＲ求解器存在相同的用户控制参数，但隐含值却是不同的。隐含的收敛准则是１Ｅ－１０，且对于ＰＧＭＲ方法，ＦＬＯＴＲＡＮ不允许使用较不准则。此外，至少应使用１２个搜索矢量，收敛准则不应小于１Ｅ．１４，否则计算会停滞。因此，对于速度、紊流动能、紊流动能耗散率采用ＴＤＭＡ求解器，使用的推进数为节点数除以１０，但至少为１００；压力采用ＰＣＲ求解器；温度采用ＰＧＭＲ求解器，为了提高温度自由度的收敛性，应该加紧ＰＧＭＲ求解器的收敛容许度，把它降至１ｅ．１６甚至ｌｅ－２０（王国强，２０００）。４、流体属性设置由前章所述，温室内空气流动符合Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设，即：流体中的粘性耗散略不计。空气的密度、粘度、导热系数和比热等均为常数，对于空气的物性，都采用国际单位制（Ａ瓜－ｓＩ）下空气的物性。５、流动环境设置在分析中，参考条件为：参考压力为１个标准大气压；比热比Ｃｐ／Ｃｖ＝１．４；指定用于计算传热系数等参数的环境温度，缺省为２９３，本文中指定为３５，并指定当≈一前温度系统（摄氏度）的零度与绝对温度系统（开氏温度）零度间的差值为２７３。６、收敛因子的设置收敛因子的设置：松弛因子是一个其值介于０和１之间的小数，它表示旧结果与附加在旧结果上以形成新结果的最近一次计算量之间的变化量。对自由度收敛因子的设置除温度外都采用ｓ伽Ｐｕ’Ｆ算法的默认设置，而对于耦合传热问题，对温度自由度的收敛因子设为１。属性收敛因子中除有效粘性系数的收敛因子改为０．１，其它的属性收敛因子也采用ｓ删ＰⅡ＇Ｆ算法的默认设置。对于不可压缩问题，应使人工粘性的幅值与有效粘性的幅值处于相同的数量级，由于空气在２０＂Ｃ时的有效粘性为１．７９５Ｅ．５ｍ２／ｓ，所以，人工粘性的收敛因子设为０．００００１。对某个自由度的方程组的惯性松弛就是使其矩阵的主对角占优以保持求解的稳定性。如果当一个解在收敛过程中没有发生舍入误差，则惯性释放的值不会影响到求解的最终结果。但是通常的求解过程都会发生舍入误差，故惯性松弛可能对结果产生影响。用户可对动量方程（ＭＯＭＥ）、紊流方程（１１ＪＲＢ）。压力方程（ＰＲＥＳ）和温度方程（’ｒＥＭＰ）施加惯性松弛，惯性松弛系数是以所加项的分母的形式出现的，故其值越小，所起作用越大，其典型值介于１．０（作用中等）到Ｉｘｌ０（作用很大）之间。３１；Ｉ华中农业大学硕士学位论文；基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的教值模拟７、紊流模型设置文中对于紊流项的设置，首先选择紊流模型。在肿豫ＡＮ中，提供了六种紊流模型：标准的ｋ－ｅ模型、零方程模型、Ｒｅ．ＮｏｒｍａｌｉｚｅｄＧｒｏｕｐ紊流模型、Ｓｈｉｈ新ｋ－ｅ模型、Ｏｉｒｈｎａｊｉ非线性模型和Ｓｈｉｈ，Ｚｈｕ，Ｌｕｍｌｅｙ模型。通常，标准的ｋ．ｃ模型是应用的首选模型，它通常能够提供流动的真实情况，尤其适合于计算管道和通道中的紊流流动，在此，首先采用标准的ｋ－ｇ模型。为了确保紊流流动压力和速度场的收敛，需要在开始分析时采用较大的湍流比（亦即较高的初始有效粘性）。但不要设置该参数超过１．ｏｘｌ０７，它仅在问题启动时起作用。无论什么时候激活紊流模型，湍流比仅控制初始时的有效粘性。因此，在ＴｕｒｂｕｌｅｎｃｅＰａｒａｍｅｔｅｒｓ中设置ＲＡＴＩＴｕｒｂｕｌｅｎｃｅｒａｔｉｏ为１．０ｘ１０６。８、对流项的分离方案、当求解动量方程、紊流方程、压力方程和能量方程时，对流项在求解中起着重要的作用，当在控制方程中对流项的作用超过其它项时，它就能导致数值上的不稳定。因此，必须注意对流项的离散方法。在ＦＬＯＴＲＡＮ中，对于动量方程，紊流方程、压力方程和能量方程提供了三种分离方法：一阶精度的ＭｏｎｏｔｏｎｅＳｔｒｅａｍｌｉｎｅＵｐｗｉｎｄ（ＭＳＵ）方法、二阶精度的ＳｔｒｅａｍｌｉｎｅＵｐｗｉｎｄ／Ｐｅｔｒｏｖ．Ｇａｌｅｒｋｉｎ（ＳＵＰＧ）方法和基于ＳＵＰＧ的ＣｏｌｌｏｃａｔｅｄＧａｌｅｒｋｉｎ（ＣＯＬＧ）方法。ＭＳＵ方法产生对角占优矩阵并且通常是很强的。ＳＵＰＧ和ＣＯＬＧ方法产生少一些的对角占优，但它们通常更精确。ＣＯＬＧ对不可压缩流动而言，提供更精确的能量平衡，即便是对于一个粗糙的网格也可以。如果使用ＳＵＰＧ和ＣＯＬＧ方法则必须辅助其它一些技术，因为使用ＳＵＰＧ和ＣＯＬＧ方法尽管趋于更精确，但它更易摆动，不容易达到收敛，所以可以修改惯性松弛因子来使ＳＵＰＧ和ＣＯＬＧ算法更稳定。为了在采用ＳＵＰＧ后使计算更加稳定和收敛，可先对动量方程、紊流方程，压力方程和能量方程均采用一阶稳定的ＭＳＵ算法，然后在重启动中改变一阶离散方法为二阶的ＳＵＰＧ续算，直至得到收敛。对于共轭传热问题，在求解耦合的能量／动量方程之前，先求得一个初始温度。因此，首先用ｆｌｏｃｈｅｃｌｏｉｎｉｔｉａｌａｌｌ求得零次迭带的结果。９、确定总体迭代的数目ＦＬＯＴＲＡＮ分析是一个非线性的序列求解过程，故每次分析首先得确定要让程第三章速度场及温度场的计算机辅助分折序执行多少次迭代。一次总体迭代就是对所有相关的控制方程按序列进行求解，并且在求解过程中流体性质会随时更新。在一个总体迭代中，程序首先获得动量方程的近似解，再在质量守恒的基础上将动量方程的解作为强迫函数来求解压力方程，然后用压力解来更新速度，以使速度场保持质量守恒。如果要求程序求解温度，则程序会同时求解温度方程并更新与温度相关的流体性质。并且，由于激活了紊流模型，则程序将求解紊流方程并用紊流动能及其耗散率来计算有效粘性和热传导系数，有效粘性和热传导系数将分别代替层流粘性和热传导系数以在平均流上模拟紊流的影响。在此，初步设置执行迭代次数为２０００，２０００次的迭代次数也许并不能够保证收敛，但可以重启动继续迭代求解，直至收敛（王国强，２０００）。３．３．４ＡＮＳＹＳ求解１、求解监测在ＦＬＯＴＲＡＮ求解过程中，程序在每一个总体迭代里对每一个自由度计算出一个收敛监测量，这些自由度包括；速度（ｖｘ、ｖＹ、ＶＺ）、压力（ＰＩ也Ｓ）、温度（ＴＥＭＰ）、紊流动能（ＥＮＫＥ）、动能耗散率（ＥＮＤＳ）。收敛监测量就是两次迭代之间结果改变“’量的归一化值，若以Ｆ表示任一自由度，则该自由度的收敛监测量可由下式表示；收敛监测量：互婆【二１１Ｚ刚‘，Ｉ—ｌ收敛监测量表示变量在当前迭代（ｋ也）的结果和前一次迭代（（ｋ．１）曲）的结果之间差值的总和除以当前值的总和，这种求和是在所有节点上进行的，并且使用的是差值的绝对值。在批处理或交互式运行过程中，当求解进行时，程序的“图形求解跟踪（ＧＳＴ）一功能将实时显示出所计算的收敛监测量，ＧＳＴ的缺省值在交互运行时是在开（０Ｎ），而在批处理运行时是在关（ＯＦＦ）。在初始阶段可能出现的一些振荡之后，收敛监测量的大小将随着分析过程的收敛而逐渐减小，但其减小的程度将依赖于几个因素，诸如：几何边界的复杂程度；高梯度区域有限元网格的精度；紊流的严重程度（由雷诺数确定）；出口边界处理流场的发展充分．２、中断一个ＦＬＯＴＲＡＮ分析用户可以定义一个基于压力和温度收敛监测量的目标值来中断一个ＦＬＯＴＲＡＮ华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟分析，压力和温度的收敛缺省值都是１．０ｘ１０－ｓ，如果没有激活温度方程的求解，则程序只检测压力的收敛值是否满足要求，但由于同时激活了流动方程和温度方程的求解，Ｎ－－者的收敛标准都必须同时满足。在满足了压力和温度的收敛条件或总体平衡迭代数达到了所要求的值后，ＦＬＯＴＲＡＮ求解过程就自动中断。当然，在分析过程中，可以在任意时刻中断分析，来改变边界条件或改变分析设置，然后再通过重启动来继续分析。在分析中，为了使分析能稳定、收敛，则应采取在重启动中不断修改收敛因子或者对流项的分离方法等措旅（王国强，２０００）。３．３．５对ＦＬＯＴＲＡＮ分析进行评价评价一个ＦＬＯＴＲＡＮ分析必须明确的两个问题是：所作的分析是何时结束的，所作的分析是否是正确的。这两个问题是相互关联的，因为，如果没有正确地设置和正确地分析一个流体问题，它一般都是不会收敛的。如果所输入的初始参数和所有的边界条件都是正确的，则当所有变量的收敛监测量都停止增长，以及所有求解量的平均、最大、最小值都不再升降时，求解过程就算是完成了。然而，这并不能保证所求解的结果是唯一正确的，因为自然界本身并不保证存在唯一解。振荡问题（例如：柱体绕流的旋涡脱落问题）用稳态或瞬态求解技术都不能得到一个稳定的解。要验证一个分析是稳定的或是振荡的，可以通过对它执行大量的迭代求解来实现。ＡＮＳＹＳ／ＦＬＯＴＲＡＮ将求解变量的平均、最小、最大值保存在文件Ｊｏｂｎａｍｅ．ＰＦＬ中，该文件同时还保存了ＦＬＯＴＲＡＮ的输入数据和计算出的收敛监测量、所有自由度的结果总结、流动特性和有效特性等。对ＦＬＯＴＲＡＮ分析的评价应该包括验证求解结果的可靠性，如果一个ＦＬＯＴＲＡＮ分析得到了非预期的结果，则应进行下列所示的一些操作，这些操作的大部分都可以在开始一个分析自｛ｆ完成。１、检查作为结果总结的一部分而打印出来的质量平衡情况。内部检查将确定是否有任何的可能会通过模型的质量流，允许质量流的边界条件是：（１）确定的速度边界条件（２）确定的压力边界条件（３）未确定的边界（这有可能是由于未施加边界条件而致）第三章速度场及温度场的计算机辅助分析ＡＮＳＹＳ会将进口和出口边界编号列表，而这些应与所希望的条件相对应。２、在ＡＮＳＹＳ里检查边界条件，以保证其准确性。３、检查所定义的流体性质及其随温度的可变动性正确与否。４、检查用以建立模型的单位制与用以定义流体性质的单位制是否一致。３．４利用ＡＮＳＹＳ求解流场的ＡＰＤＬ语言命令流３．４．１ＡＰＤＬ程序分析ＡＮＳＹＳ进行有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果，假如求解结果表明有必要修改设计，那么就必须改变模型的几何形状并重复上述步骤，特别当模型较复杂和修改较多时，这个过程可能是很繁杂和费时的，严重影响了程序设计和工程应用的效率。ＡＮＳＹＳ程序中的参数化设计语言ＡＰＤＬ（ＡＮＳＹＳＰａｒａｍｅｔｒｉｃＤｅｓｉｇｎＬａｎｇｕａｇｅ）用建立智能分析的手段为用户提供了自动完成上述循环的功能，也就是说程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选出的分析标准做决定。ＡＰＤＬ允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析属性拥有控制权，例如尺寸、材料、载荷、约束位置和网格密度等。它能实现有限元模型（ＦＥＭ）的参数化建模、加载、－．ｊ求解和后处理，是实现设计优化的有效途径，从ＡＮＳＹＳ命令的功能上讲，它们分别对应ＡＮＳＹＳ分析过程中的定义几何模型、划分单元网格、材料定义、添加载荷边界条件、控制和执行求解以及后处理计算结果等。所有这些全局控制特性，允许按需求改变该程序以满足特定的建模和分析需要。ＡＰＤＬ是一种解释性语言，可用来自动完成一些通用性强的任务，也可用于根据参数来建立模型。它不仅扩展了传统有限元分析范围之外的能力，而且扩充了更高级的运算包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改及设计优化等。在实际工程模拟分析过程中能得到广泛的应用。３．４．２命令流和代码运用有限元分析软件进行上述流场分析过程中，主要采用两种操作ＡＮＳＹＳ软件的方法：采用ＧＵＩ方式和使用命令方式。ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈ／ｃａｌＵｓｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ，图形用华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟户界面）方式由窗口、菜单、对话框和其它一些组件组成，只要用鼠标单击按钮或在相应的位置输入相对应的值就可以完成ＡＮＳＹＳ软件的数据输入和命令的执行；命令是引导ＡＮＳＹＳ软件的说明符，每一个命令对应一个特定的功能，大多数命令都与特定的处理器相连，可以取代任何ＧＵＩ操作方式。通过编写分析过程对命令流和代码能大大提高设计和分析效率，更好地实现优化设计工作（张乐乐，２００６）。上述对温室内流场分析和模拟过程是一个反复建模、加载和计算的过程，在这个过程中，有限元模型（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌ）的结果大体一致，它所受到的载荷的个数并没有增加，而且作用点和方向也都没有改变，只是载荷的大小发生了改变。在每次计算完之后，只要改变载荷的值，就可以完成加载工作，因此可以用ＡＰＤＬ编写的程序加载。本章所有分析过程都可以通过编写命令流和代码实现，事先编制的程序存为ＬＯＧ格式。只需要改变程序相关代码，通过ＡＮＳＹＳ菜单栏中ＷＲＩＴＥＤＡＴＡＢＡＳＥＬＯＧＦＩＬＥ命令操作调入ｌｏｇ文件，就可以实现各种分析过程。以下是为了模拟机械通风条件下试验方案一温室内空气流场分布状况而编写的ＡＰＤＬ语言命令流：／ＢＡＴＣＨＫＥＹＷ，ＰＲａＤ，１／ＣＯＭ，ＦＬＯＴＲＡＮＣＦＤ／ＦＩＬＥ，ＧＲＥＥＮＨ０ｕＳＥ！指定工作文件名，册Ｅ，ＴｈｅＣＦＤａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ！指定工作标题＋ＳＥＴ，ＨＳＥＴ，０．２１窗安装高度＋ＳＥＴ，ＨＷＩＮＤＯＷ，０．３７５１窗口的商度＋ＳＥＴ，ＶＸ＿ＩＮＬＥＴ，－１１进风口风速’ＳＥＴ，ＶＹ＿ＩＮＬＥＴ，０‘ＳＥＴ，Ｔ＿ＩＮＬＥＴ，３４．５１进风口温度。ＳＥＴ，Ｔ＿ＬＡＮＤ，３９．４１土表面处温度‘ＳＥＴ，Ｔ＿ＲＯＯＦ，３８．９１顶棚处温度／ＰＲＥＰ７１进入前处理器／ＥＴ，１，ＦＬＵＩＤｌ４１１指定单元类型Ｋ，１，０，０１建立模型Ｋ，２，４，０第三章速度场及温度场的计算机辅助分析Ｋ，３，４，ＨＳＥＴＫ，４，４，ＨＳＥＴ＋Ｈ＿ＷｌＮＤＯＷＫ５，４，１．５Ｋ，６，０，１．５Ｋ７，Ｏ，０．５５Ｋ８，ｏ，０．２Ａ，１，２，３，４…５６７，８Ｕ’ＯＴＡＰＬＯＴＳＡ怃ＡＭ匣ＳＨ叠工Ｌ／ＳＯＩｊＵＬＳＥＬ，Ｓ，，，７ＮＳＵ。，１ＮＰＩＤＴＤ，ＡＬＬ，ＰＲＥＳ，０ＬｓＥＬＳ，，，３ＮＳＵ。，１ＮＰＬＯＴＤ，ＡＬＬ，ＶＸ，ＶＸ－ＩＮＬＥＴＤ，ＡＬＬ。ＶＹ，ＶＹＩＮＬＥＴＤ，ＡＩ工，ＴＥＭＰ，Ｔ＿ｎ呵ＬＥＴＬＳＥＩ々Ｓ，，，１ＮＳＬＬ，。１ＮＰＬＣｒｒＤ，ＡＬＬ，ＴｅＭＰ，ＴＬＡＮＤＬＳＥＬ，Ａ，，，２ＬＳＥｋＡ，，４ＬＳＥＬ，如，，５１保存模型！网格划分控制（略）！对面采用自由网格划分！进入求解器８１出口处旌加边界条件！入口处旖加边界条体．一！固体壁面边界条件‰々·～！施加土表温度华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的致值模拟ＬｓＥＬ＇Ａ，，，６ＬＳＥｋＡ，，８ＮＳＬＩ。，１ＮＰＬＯＴＤ，ＡＬＬ，ＶＸ，ＯＤ，ＡＩ工，ＶＹ，ＯＬＳＥＬ，Ｕ，，，１Ｄ，ＡＩ工，ＴＥＭＰ，ＴＲＯＯＦＳＡＶＥＡＩＩ＿ｓＥＬ，ＡＬＬＦＩＤＡＴＡｌ，ＳＯＩＵ，ＴＲＡＮ，０ＦＬＤＡＴＡｌ，ＳＯＬＵ，ＦＬＯＷ，ｌＦＩＤＡＴＡｌ，ＳＯＵＪ，ＴＥＭＰ，１ＦＵＤＡＴＡｌ，ＳＯＩＵ’ＴＵＲＢ，１ＦＩＤＡＴＡｌ，ＳｏＬＵ，ＣＯＭＰ，０ＦＬＤＡＴＡ，ＡＬＧＲ，ＳＥＧＲ，ＳｍＩＰＵ’ＮＦＬＤＡＴＡ，≯匝Ｇ＆唧Ｍ，ＭＡＴＸＦＬＤＡＴＡ２，ｎ卫Ｒ，ＥＸＥＣ，２０００，ＦＵ）ＡｒＡ２，盯ＥＲ，０ⅦＲ，０，ＦＬＤＡＴＡ２，ｒＩＥＲ，ＡＰＰＥ，０，ＦＬＤ峨心．ＴＥＲＭ．ＶＸ，０．０１．ＦＵ）ＡｒＡ３，ＴＥＲＭ，ＶＹ，Ｏ．０１，ＦＬＤＡＴＡ３，ＴＥＲＭ，ＶＺ，０．０１，ＦＩＤＡｒＡ３，ＴＥＲＭ，ＰＲＥＳ，１ｅ—００８，ＦＩＤＡｍ坞，１ＥＲＭ，１ＥＭＰ，１ｅ·００８，ＦＬＤＡＴＡ３，ＴＥＲＭ，ＥＮＫＥ，０．０ｌ，ＦＩＤＡｒＡ３，ＴＥＲＭ，ＥＮＤＳ，Ｏ．０１，肿ＡＴＡ５，０Ｕ１１Ｐ，ＳＵＭＦ，１０，ＦＬＤＡＴＡ７，ＰＲＯＴ，ＤＥＮＳ—岖－ＳＦＬＤＡＴＡｌ３，ＶＡＲＹ，ＤＥＮＳ，１１设置分析类型！算法设置！设置求解控制选项流体属性设置第三章速度场及温度场的计算机辅助分析＇ＵＯ讯的，ＰＲＯＴ，ＶＩＳＣ，ＡＩＲ－ＳＩ砌峨撼。ＰＲＯＴ，ＣＯＮＤ，ＡＩＲ·ＳＩＦＬＤＡＴＡ７，ＰＲＯＴ，ＳＰＨＴ，Ａ瓜·ＳｌＦＩＤＡＴＡｌ５，ＰＲＥＳ，ＲＥＦＥ，１０１３５０，ＦＩＤＡ，ｒＡｌ６，ＢＵＵＯＢＥＴＡ，１ｅ＋０１５，肿Ａ，ｒＡｌ７，ＧＡＭＭ，ＣＯＭＰ，１．４，ＦＬ】）Ａ’ｒＡｌ４，ＴＥＭＰ，ＮＯＭＬ３５，ＦＬＤＡＴＡｌ４，ＴＥＭＰ，ＴＴＯＴ，３５，ＦＬＤＡＴＡｌ４，ＴＥＭＰ，ＢＵＬＫ，３５，ＴＯＦＦＳＥ，ｒ，２７３，ＡＣＥＬ０，－９．８ｌ，０，ＦＩＤｐｄ．Ａ１８．ＭＥｌｌｄ，ＶＸ，１ＦＬＤＡｌＡｌ８，ＭＥＴＨ，Ｗ，ｌ肿ＡＴＡｌ８，ＭＦｍ，ＰＲＥＳ，３ｎＤＡ工Ａ２２，ＭＡＸＩ，ＰＲＥＳ，１０００，ＦＬＤＡＴＡ２０，ＳＲＣＨ＇ＰＲＥＳ，２ｎＤＡｒＡ２１，ＣＯＮＶ，ＰＲＥＳ，ｌｅ一０１２，ｎＤＡｒＡ２３，ＤＥＬｌｒ，ＰＲＥＳ，１ｅ－０１０，ＩｑＤＡＴＡｌ８，ⅧｎＩ，１ＥＭＰ，４ＦＵ）ＡｒＡ２２，ＭＡＸＩ，ＴＥＭＰ，１０００，肿Ａｍ址０，ＳＲＣＨ，ＴＥＭＰ，１２，ＦＵ）Ａ姒２０ＡＰＧＭＲ，Ｆ瑾Ｌ６，ＦＬＤＡＴＡ２０Ａ，ＰＧＭＲ，ＭＯＤＰ，０，ＦＩＤＡＴＡ２１，ＣＯＮＶ，ＴＥＭＰ，ｌｅ．０１２，ＦＬＤＡ疋舵３，ＤＥＬＴ’．ＩＥＭＰ，ｌｃ－０１０，ＦＬＤＡＴＡｌ８，ＭＥＴＨ，ＥＮＫＥ＇１ＦＩＤＡＴＡｌ９，ＴＤＭＡ，ＥＮＫＥ，１００，ＦＬＤＡＴＡｌ８，ＭＥＴＨ，ＥＮＤＳ，１ＦＩＤＡＴＡｌ９，ＴＤＭＡ，ＥＮＤＳ，ｌＯＯ，／ｓＯＵＪ环境参数设置！设置重力加速度！速度求解器设置！压力求解器设置！温度求解器设置ＥＮＫＥ、ＥＮＤｓ求解器设置！求解华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟ＳＯＩｊｖＥ．ＦＤ叮ＳＨ／ＰｏＳＴｌ！进入后处理ＳＥＴ，ＮＥＸＴＳＥＴ，Ｌ觞ＴＰＬ、，ＥＣＴ，ｖ，…ＶＥＣＴ，ＥＬＥＭ，ＯＮ，０！显示速度矢量图ＰＬＮＳＯＬ，Ｖ，ＳＵＭ，ｏ，！显示速度等值线ＰＬＮＳＯＬ，ＴＥＭＰ，，０，！显示温度等值线ＦⅨＩＳＨＳ』＾：ＶＥ３．５模拟结果及分析３．５．１试验方案一数值模拟结果，，图３－３所示为模拟分析收敛监测圈，圈中曲线表示的是变量速度（包括ｖ文，ｖＹ）、压力（ＰＲＥＳ），动能（ＥＮＫＥ自由度）、动能耗散率（ＥＮＤＳ自由度）的收敛监测图，横坐标表示迭代次数，纵坐标表示收敛标准值，收敛监测表明求解变量的归一化改变率，从图中可以看出变量计算达到了归一化收敛，变量计算结果收敛，求解完成。图３４中为温室内各节点处的速度矢量图，箭头的方向表示该点处的风的流动方向，颜色代表速度的大小，速度的大小可以根据下面的颜色对照条进行预测。其中速度的单位是ｍ／ｓ。从图中可以看出风速在进入进风口后逐渐下降，直到快到排风口的时候又开始增加，在排风１３的位置处风速为最大，在温室的上方形成一个大的旋涡，窗口位置的下方形成一个小的旋涡。图３．５为速度等值线轮廓图，不同颜色交界处的节点速度大小相等。速度单位是ｍ／ｓ。图３．６为温度等值线轮廓图，不同颜色交界处的节点温度大小相等。温度单位是℃。从图中可以看到，温室内的温度受到进风口空气温度的影响较大，同时也受到覆盖材料以及地面温度的影响。“ｆｍ‘Ｏ｛｛ｌｌｌｌ｛｛｝图３－３ＧＳＴ显示的收敛监测图Ｆｉ驴．３Ｃｏ吖ｅｒｇｅｎｃｅｍｏｎｉ伽ｒｂｙＧｓＴ图３－４速度矢量图Ｆｉｇ．３－４ｖｅｃｔｏｒｇｒａｐｈｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙ４１图３－５速度等值线轮廓图Ｆｉｇ．３－５Ｓｋｅｌｅｔｏｎｍａｐｏｆｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓｏｌｉｎｅ图３－６温度等值线轮廓图Ｆｉｇ．３－６Ｓｋｅｌｅｔｏｎｍａｐｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｏｌｉｎｅ３．５．２试验方案二数值模拟结果图３—７中为温室内各节点处的速度矢量图，箭头的方向表示该点处的风的流动方向，颜色代表速度的大小，速度的大小可以根据下面的颜色对照条进行预测。其中速度的单位是ｍ／ｓ。从图中可以看到，随着窗口安装位置的提高，温室中的整个流场变化不大。图３—８为速度等值线轮廓图，不同颜色交界处的节点速度大小相等。速度单位是ｍ／ｓ。第三章速度场及温度场的计算机辅助分析图３－９为温度等值线轮廓图，不同颜色交界处的节点温度大小相等。温度单位是℃。图３．７速度矢量图Ｆｉｇ．３－７Ｖｅｃｔｏｒｇｒａｐｈｏｆｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙ图３－８速度等值线轮廓图Ｆｉｇｊ３－８Ｓｋｅｌｅｔｏｎｍａｐｏｆｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓｏｌｉｎｅ图３－９温度等值线轮廓图Ｆｉ９３－９Ｓｋｅｌｅｔｏｎｍａｐｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｏｌｉｎｅ华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟３．５．３试验方案三数值模拟结果图３．１０中为温室内各节点处的速度矢量图，箭头的方向表示该点处的风的流动方向，颜色代表速度的大小，速度的大小可以根据下面的颜色对照条进行预测。其中速度的单位是ｍ／ｓ。图３－ｎ为速度等值线轮廓图，不同颜色交界处的节点速度大小相等。速度单位是ｍ／ｓ。图３—１２为温度等值线轮廓图，不同颜色交界处的节点温度大小相等。温度单位是℃。图３．１０速度矢量图Ｆｉｇ．３－１０Ｖｅｃｔｏｒｇｒａｐｈｏｆｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙ图３．１ｌ速度等值线轮廓图●Ｆｉｇ．３－１１Ｓｋｅｌｅｔｏｎｍａｐｏｆｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓｏｌｉｎｅ第三章速度场及温度场的计算机辅助分析图３．１２温度等值线轮廓图Ｆｉｇ．３－１２Ｓｋｅｌｅｔｏｎｍａｐｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｏｌｉｎｅ华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟第四章速度场与温度场试验本章旨在通过具体试验，来检验理论分析的可靠性。在第三章中，利用ＡＮＳＮＳ软件对温室在机械通风条件下温度场与速度场的分布进行了预测，该预测是在理论计算的基础上得出的，而且在分析的过程中做了一些条件的假设，这些假设在温室流场以及温度场的数学模拟分析中是否合理有待于试验的进一步验证。参考ＧＬＺＷ７．５上海型智能温室的外形结构，自制试验模拟温室如图４．１。温室宽２ｍ、长４ｍ、拱高０．５ｍ。温室的一端安装风机，另一端设窗，窗设计成活动的，其安装的位置可调节高度。风机工作时，将窗完全打开。以下内容是以该温室为对象，进行了机械通风条件下实验温室的速度和温度分布测定实验。试验选择在晴好无风的天气下进行，以减少阴雨以及风等天气环境因素对试验结果的影响。２１．风机２．进风口图４．１试验所用温室简图Ｆｉｇ．４．１Ｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅｔｅｓｔｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ４．１试验方案设计本试验分为两个部分的内容：风速的测量以及温度的测量。在风机转速一定、位置固定以及窗口高度不变的条件下，通过改变窗口的安装位置来调节温室内流场第四章速度场与温度场试验的变化，试验中分别测量窗口处于三个不同的安装位置时流场内的分布，窗口的三个安装位置如图４．２所示。窗口处于第一个安装位置时的试验记作试验方案一，窗口处于第二个安装位置时的试验记作试验方案二，以此类推。Ａ窗口位置一Ｂ窗口位置二Ｃ窗口位置三图４．２试验方案中窗口安装位置示意图（单位：ｍｍ）Ｆｉｇ．４－２Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｗｉｎｄｏｗ＇ｓｓｅｔｔｉｎｇ４７华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟４．２试验仪器４．２．１风速测量仪器工程中常见的风速测量方法有示踪技术、卡他计法、机械风表、动压法、热球风速仪、熟线风速仪以及激光风速仪。试验中需要测量的是温室内过风机中心纵剖面上的点的速度，速度值范围在０－Ｓｍ／ｓ之间，在该速度范围内可以采用电子微风仪。本试验采用ＥＹ３．２Ａ型电子微风仪，本仪器是根据加热物体在气流中被冷却，其工作温度为风速函数这一原理设计。该仪器由风速探头及测量指示仪表两部分组成。风速探头为敏感部件，当一恒定电流流过其加热线圈时，其敏感部件内，温度升高并于静止空气中达到一定数值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生之基准反电势互相抵消，使输出信号为零，仪表指针也相应指于零点。若风速探头端部的热敏感部件暴露于空气流中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生徼弱差值信号，此信号被测量指示仪表系统放大并推动电表，由指针示值即可读出被测风速大小。ＥＹ３．２Ａ型电子（热球）微风仪有关技术参数：测量范围：０．０５．１ｍ／ｓ；ｌ～３０ｍ／ｓ精确度：＝±２％ＥＳ工作环境条件：温度．１０～４０℃；相对湿度＝８５％ＲＨ４．２．２温度测量仪器常见测量温度的仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高因测温远见与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象。非接触式第四章速度场与温度场试验仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响，测量误差较大．温度的测量采用胜利６８０１数字温度表，如右图所示，该温度表为手持式，最大显示１９９９，０．１／１℃分辨力，温度探头为Ｋ型热电偶。４．３试验方法４．３．１风速测量玲·风速场的测量包括风向以及风速值的测量。风向的测量采用发烟笔，发烟笔可以快速的显示出气流的路径，对于空气流速超过０．２ｍ／ｓ的地方发烟笔产生的烟是顺着空气流动的方向的，另外，发烟笔还可以用来检测温室内空气的泄漏。每次测量之前，先打开风机运行１０分钟左右，当室内流场达到稳态时开始测试。虽然在机械通风条件下，温室内流场是稳定的，但是由于实际温室的密封性不够以及风机运行并不稳定，因此在同一风机转速条件下对要测的各点进行多次测量计算，然后取其平均值。室内风速测点分布如图４－３所示，在温室内取１３个点作为要测量的点，图中数字的单位均为米。Ａ１．Ａ１３为所要测风速的点，测得的速度用Ｖ１．Ｖ１３表示。４．３．２温度测量试验中要测量的温度包括环境温度、温室维护结构温度（即棚壁面的温度）、温室内土表的温度以及各被测点空气的温度。室内空气温度测点分布如图４．３所示。使用时，按下电源开关，接通电源预热三分钟，将热电偶插入接口内，选择所需要的功能和量程，热电偶探头接触到被测物，直到数据稳定，读取显示值。试验时，分剐测量在风机运行条件下，室内流场达到稳定时的室外环境温度、棚壁面温度以及温室内土表面的温度。华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟温度测点如图钙中所示，其中Ａ１－Ａ１３为温室内空气的温度测点，Ｂ１．Ｂ４为计算时的边界温度，Ｂ１为进风口的空气温度，Ｂ２为土表面的温度，Ｂ３为顶棚处的温度，Ｂ４为出风口的空气温度。图４－３试验温室测量点分布位置示意图Ｆｉｇ．４－３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｐｏｉｎｔｓｉｎｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ４．４试验结果表４．１不同试验方案各测点风速值Ｔａｂｌｅ４－１Ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄａｔａｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｔｓ第四章速度场与温度场试验表４．２不同试验方案各测点温度值Ｔａｂｌｅ４－２Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄａｔａｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｔｓ方各测点的温度值（℃）案Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４Ａ５Ａ６Ａ７Ａ８Ａ９Ａ１０Ａｎ３４．５３４．１３４．３３４．５３４．６３４．６３４．７３４．７３４．４３４．９３５．７２３３．６３３．６３３．７３４．０３３．７３３．４３４．２３４．０３３．４３３．９３４．３３３１．６３１．６３１．９３２．０３２．３３１．４３２．５３２３２．１３２．１３２．４表４．３测点的温度值Ｔａｂｌｅ４·３Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄａｔａｏｆｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｐｏｉｎｔｓ二Ａ１２Ａ１３Ｂ１Ｂ２Ｂ３１３４方案１３５．４３５．３３４．５３９．４３８．９３５．５方案２３３．３３３．５３３．５３９．４３７．８３４．５方案３３２．２３２．０３１．６３７．Ｏ３６．Ｏ３１．８５１第五章模拟结果验证５．１速度场模拟结果对比通过第三章中采用有限元软件ＡＮＳＹＳ对模型进行求解，得出模拟结果。为了验证模拟结果，利用通过试验得出的结果与模拟结果进行比较。验证时，将模拟计算得出的数据与试验数据通过图表的形式加以对比，然后利用成对数据的ｔ．检验对两组不同的数据进行检验。各测点的速度值模拟结果的对比如图５－１～５．３所示。。¨¨¨¨¨∞／ｍ趟增¨∽三；叭ｏＹｌ性＂Ｗ幅懈竹坩性ｒｉｏＶＩＩＶ１２Ｙ１３图５－ｌ试验一速度模拟结果的验证Ｆｉｇ·５－ｌＴｈｅｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｅｓｔｏｎｅ１．２１０·８∞１趔０．６制０．４０·２０ｎＶ２＂Ｖ４＂怫ｖ７Ｙ８＂ＶＩＯＶＩＩＶ１２ｖ１３图５－２试验二速度模拟结果的验证Ｆｉｇ·５－２Ｔｈｅｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｅｓｔｔｗｏ５２第五章模拟结果验证图５．３试验三速度模拟结果的验证Ｆｉｇ．５－３ＴｈｅｖａＩｉｄａｆｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｅｓｔｔｈｒｅｅ图５．１中，各点速度的最大误差出现在Ａ２点，误差达０．１９ｍ／ｓ，其相对误差为２７％，所有各点的平均绝对误差为Ｏ．０４ｍ／ｓ，相对误差为１２％。对模拟值与试验值进行ｔ．检验：平均值的成对二样本分析。ｔ－检验法的计算公式如下：ｎ等Ｓ正－－三ｎ砉Ｙｊ，ＳＹ－持ｎ１耋（ＹＩ研。白１Ｖ一翻一设Ｘ１、ｘ２分别表示模拟值与试验值，令Ｙ＝ＸＩ－Ｘ２，则Ｙ廿ｉ（∥，ｓ２），提出假设口＝ｏ。由条件得：ｎ＝１３，ｉ－－ｏ．０１９，Ｓｙ＝０．０６３，取置信水平口＝ｏ．０５，查ｔ分布单侧临界值表知，ｔＤ庙（１２）＝２·１７９。计算得ｔ＝ｉＹ×√西＝１·０６４＜２·１７９，故假设成立，即可知模拟值与试验实测值差异很小。图５－２中，各点速度的最大误差出现在Ａ５点，误差达０．２５ｍ／ｓ，相对误差为３７％，所有各点的平均绝对误差为０．０６ｍ／ｓ，相对误差为１６％。同样对图５．２中模拟值与试验值进行ｔ－检验：平均值的成对二样本分析。由条件得：ｎ＝１３，歹＝０．０３７，ｓｙ＝ｏ．０９７。计算得仁ｉＹ一×４ｉ３＝ｔ．３６９＜２．１７９，故假设成立，即可知模拟值与试验实测值差异很小。塑查些盔兰堡主堂垡堡堑基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟图５—３中，各点速度的最大误差出现在Ａ２、Ａ３点，误差都达到了Ｏ．２５ｍ／ｓ，其相对误差为３０％，所有各点的平均绝对误差为Ｏ．０９ｍ／ｓ，相对误差为２７．５％。对图５－３中模拟值与试验值进行ｔ－检验：平均值的成对二样本分析。由条件知：ｎ－１３，；＝。·。２＇ｓｙ＝。－１３２。计算得ｔ２ｉＹ×√西＝０．５４６＜２．１７９，故假设成立，即可知模拟值与试验实测值差异很小。５．２温度场模拟结果对比类似与速度场的模拟验证，将同一测点的温度值的模拟结果与试验结果进行比较，如图５－４～５．６所示。３６３５，置３５ｐ蜊３４．５赠３４３３．５３３ＴＩＴ２Ｔ３Ｔ４Ｔ５Ｔ６Ｔ７Ｔ８Ｉ＇９ＴＩＯＴ１１Ｔ１２Ｔ１３图５－４试验一温度模拟结果的验证，．．，Ｆｉｇ·５－４Ｔｈｅｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｅｓｔｏｎｅ第五章模拟结果验证图５．５试验二温度模拟结果的验证Ｆｉｇ．５·５Ｔｈｅｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｅｓｔｔｗｏ图５－６试验三温度模拟结果的验证Ｆｉｇ．５·６Ｔｈｅｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｅｓｔｔｈｒｅｅ图５－４中，各点温度的最大误差出现在Ａ９点，误差达０．６℃，其相对误差为１．７％，所有各点的平均绝对误差为０．３＂Ｃ，相对误差为０．８６％。对图５－４中模拟值与试验值进行ｔ．检验：平均值的成对二样本分析。由条件知：华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟ｎ－１３，；＝ｏ．０６２，Ｓｙ＝０．３１２。计算得ｔ－导×、／西：ｏ．７１＜２．１７９，故假设成立，即可知ｏｙ模拟值与试验实测值差异很小。图５－５中，各点温度的最大误差出现在Ａ３点，误差达０．３＂Ｃ，其相对误差为０．８％，所有各点的平均绝对误差为Ｏ．１３℃，相对误差为０．３７％。对图５．５中模拟值与试验值进行ｔ．检验：平均值的成对二样本分析。由条件知：ｎ＝１３，ｙ＝０．０３，Ｓｔ＝０．１７·计算得ｔ＝÷×√１３＝ｏ．６５＜２．１７９，故假设成立，即可知模３．，拟值与试验实测值差异很小。图５－６中，各点温度的最大误差出现在Ａ１２点，误差达０．６＂Ｃ，其相对误差为１．８％，所有各点的平均绝对误差为０．２６℃，相对误差为０．７８％。对模拟值与试验值进行ｔ－检Ｎ：平均值的成对二样本分析。设Ｘ１、Ｘ２分别表示模拟值与试验值，令Ｙ三ｘ１－Ｘ２，则ｖ稍∞，ｓ２），提出假设∥＝０。由条件得：ｎ＝１３，歹却．１，Ｓｒ－－０．２１２，取置信水平口＝Ｏ．０５，查ｔ分布单侧临界值表知，ｔ００２５（１２）＝２．１７９。计算得仁ｉＹ—ｘ，／ｉ３＝１．６９９＜２．１７９，故假设成立，即可知模拟值与试验实测值差异很小。５．３分析与结论通过以上图示的对比可以看出，速度场的计算值与试验值大体趋势是吻合的，但是由于速度场的测量受外界条件的干扰相对比较大，而且测量工具也难免存在一定的误差，因此局部的计算值与试验值存在较大差异，温度场的模拟值随测点的变化趋势与试验值所得基本相同，结果也比较接近，平均相对误差控制在１％以下，因此可以反映真实情况。通过对三种方案下的数据进行ｔ－检验也可知模拟值与试验值的平均值可以认为是相同的，亦即其在总体平均值上的总体差异较小。试验对比结果表明，用ＡＮＳＹＳ软件对温室内的流场以及温度场分布的模拟计算较为成功，基本可以反映温室在通风状况下温室内流场以及温度场的分布情况，可以利用这一方法对温室内的气候环境进行预测。第六章结论及讨论第六章结论及讨论６．１结论温室内流场以及温度场的分布信息对作物的生长有着重要作用，对温室内流场和温度场的研究可以用于调节温室内的环境以及温室优化设计。本文采用数值模拟的方法对模型温室进行研究，并用试验的方法加以验证对比，得出如下结论：１、采用标准ｋ—Ｆ模型，建立了温室内流场和温度场的数学物理模型，并得出流动的控制微分方程组，表示成如下通用形式：掣＋ｄｉｖ（肛妒）。ｄｉｖ（Ｆｇｒａｄ妒）＋ＳａＩ其中≯为各个变量，ｓ为源项。２、对上述控制方程组使用ＡＮＳＹＳ软件进行分析求解，即通过有限单元法对方程进行离散，分析中压力和动量方程的耦合采用ＳＩＭＰＬＥＮ以及ＳＩＭＰＬＥＦ算法，得出不同试验条件下温室内流场和温度场的分布情况。３、在建立模型温室的基础上，测定温室内部不同测点的风速以及温度值。４、使用商用软件ＡＮＳＹＳ中的ＦＬＯＴＲＡＮ模块对自制模型温室的流场和温度场进行了初步数值模拟和预测（考虑作物存在的影响有待于进一步的研究），通过对实际情况进行合理简化，软件的模拟结果与试验值吻合较好，可以利用这一方法对温室内的气候环境进行预测。６．２讨论’～。１、在试验的过程中，风速的测量受到了外界较大的影响，在进一步的研究中可以采用更加稳定可靠的测量方法或工具。２、鉴于本文只是对自制模型温室进行的数值模拟，是对这一问题的初步探讨，与实际温室的环境情况有较大的差别，实际中的机械通风在窗口的位置安装湿帘，而且温室内的作物将对模拟的结果产生很大的影响，因此，在进一步的研究中可以研究这些问题。华中农业大学硕士学位论文；基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟３、本文采用标准的ｋ一￡湍流模型对机械通风的模型温室进行数值模拟，在今后的研究中可以采用不同的湍流模型来进行数值模型，这样可以对各种湍流模型在该应用的情况进行比较，以选择最适合的模型。４、ＡＮＳＹＳ软件是基于有限单元法的原理来离散问题区域的，如第一章中所述，目前离散方法还有有限差分法、有限体积法等。根据前人数值模拟的经验，对于流体流动的数值模拟采用有限差分法能得到更为精确的结果。因此，在进一步的研究中也可以采用基于有限差分法的ＦＬＵＥＮＴ专业流体软件进行数值模拟，进而可以比较不同软件在研究该问题时的优缺点。５８参考文献参考文献ＬＡＮＳＹＳ公司．ＡＮＳＹＳ分析指南．北京：ＡＮＳＹＳ公司北京办事处，１９９９２．陈精一，蔡国忠．电脑辅助工程分析一ＡＮＳＹｓ实用指南．北京：中国铁道出版社。２００１３．陈威，刘伟．被动式太阳能温室中传热与气流分布的数值分析，暖通空调ＨＶ＆ＡＣ．２００４９：１０２—１０６４．程心一．计算流体动力学．北京：科学出版社，１９８４５．陈玉南，严杏玲．温室降温（湿帘．风机）系统．农机与食品机械。ｖｏｌ１．１９９８６．丁国良。ＬＲ．Ｏｅｌｌｄｃｈ．冰箱中空气流场和温度场的有限元模拟．上海交通大学学报，、，０１．３２Ｎｏ．７Ｊｕｌ１９９８：１８－２２７．傅德薰．流体力学数值模拟．第一版．北京：国防工业出版社，１９９３，１：３５－４７８．李培耀，沈元勋，金言宜．铸件充型过程流场和温度场数值模拟．上海工程技术大学，１９９５，１ｊ１３．１６９．李人宪．有限单元法基础．第二版．北京：国防工业出版社，２００４１ｎ林川瑜．温室发展趋势．内蒙古农业科技，ｖｏｌ５，１９９７１１．刘军．汽车排气催化装置气流特性分析．车用发动机，Ａｕｇ．２００１．Ｎｏ．４：２．５－２８１２．马铁犹．计算流体动力学．北京：北京航空学院出版社，１９８６．１－９．１３．莫维尼．有限元分析－－ＡＮＳＹＳ理论与应用．北京：电子工业出版社，２００３ｔ＇．ｇ。１４．潘强，黄之栋，马承伟，李以翠．华北型连栋塑料温室节能对策与实践．农业工程学报，１５（２），１９９９旁１５．荣先成，蔡体敏．有限元三维网格自动生成．推进技术，１９９６，５：４３－４７１６．王福军．计算流体动力学分析一ｃＦＤ软件原理与应用．北京：清华大学出版社，２００４１７．陶文铨．数值传热学．西安：西安交通大学出版社，２００１１８．童灵，陈芝久．太阳负荷下空调房间的效果分析．ＡＣＴＡＥｎｅｒｇｉｚｅＳｏｌ缸ｉｓＳｉｎ，ＩＣＡ，１９９８，１９（４）：４０８－４１３１９．童莉，张政，陈忠购等．机械通风条件下联栋温室数度场和温度场的ＣＦＤ数值模拟．中国农业大学学报，２００３，８（６）：３３－３７２０．童莉．机械通风的华北型连栋温室内温度和数度场的数值模拟研究．【硕士学位论文】．北京：北京化工大学，２００３华中农业大学硕士学位论文：基于ＡＮＳＹＳ的机械通风温室流场及温度场的数值模拟２１．Ｗ．Ｆ．休斯，Ｊ．Ａ．布赖顿．流体动力学．北京：科学出版社，２００２２２．王国强．实用工程数值模拟技术及其在ＡＮＳＹＳ上的实践．西安：西北工业大学出版社，２０００２３．薛守义．有限单元法．北京：中国建材工业出版社，２００５２４．许一飞．ＦＬ８型现代化连栋温室．农机推广，ｖｏｌ５，１９９９２５．夏春林，刘德彰．航空发动机圆套状尾喷管流场温度场数值模拟，航空动力学报，１９９４．Ｖ０１．９Ｎｏ．４０ｃｔ．４２蝴０２６．姚征，陈康民．ａ＝Ｄ通用软件综述．上海理工大学学报，２００２．Ｖ０１．２４Ｎｏ．２：１３７－１４４２７．曾军，程信华．涡轮叶栅尾缘冷气喷射的数值模拟．燃气涡轮试验与研究，２０００，１：４０—“２８．张乐乐．ＡＮＳＹＳ辅助分析应用基础教程．北京；北京交通大学出版社，２００６２９．张天柱，徐泳，黄之栋等．高密度迭层笼养鸡舍内气流场的数值模拟．农业工程学报，１９９９．１５（增刊）：３８－４３３０．张义慧，宋振寰．客车外流场数值计算与分析研究．客车技术，２００１，２：３１－３５３１．周长吉．我国目前使用的主要温室类型及性能（一）．设施园艺，２０００，ｔ３２．祝效华．ＡＮＳＹＳ高级工程有限元分析范例精选．北京：电子工业出版社，２００４３３．ＡｎｄｅｒｓＯｌｓ∞ｎ，ＧｏｒａｎＳｔｅｍｍｅ，ＥｒｉｋＳｔｅｍｍｅ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｉｅｓｏｆｆｌａｔ－ｗａｌｌｅｄｄｉｆｆｕｓｅｒｅｌｅｍｅｎｔｓｆｏｆｖａｌｖｅ·ｌｅｓｓｍｉｃｒｏｐｕｍｐｓ．ＳｅｎｓｏｌｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ．２０００．８４．１６５－１７５３４．ＢａｉｌｅｙＢＪ＇Ｈａｎ－ａｌＢＢ，ＦｅｒｎａｎｄｅｚＪＥ．Ａｉｒｄ删ａ曲ｎｉｎｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ．ＣｏｎｔｒａｃｔｒｅｐｏｒｔＰＣ４７ｆｏｒｔｈｅＨｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒａｌＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏｕｎｃｉｌ，ＥａｓｔＭａｌｌｉｎｇ，ＵＫ，１９９４３５．Ｂａｉｌｅｙ，ＢＪ．，１９９９．Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓａｎｄａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｉｎｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｎａｔｕｒａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ．ＡｃｔａＨｏｎｉｃ，５３４：２１－３０３６．Ｂｏｕｌａｒｄ，Ｔ．，Ｗａｎｇ，Ｓ．，Ｈａｘａｉｒｅ，Ｒ．Ｍｅａｎａｎｄｔｕｒｂｕｌｅｎｔａｉｒｆｌｏｗｓａｎｄｉｎｓｉｄｅｃｌｉｍａｔｉｃｐａｔｔｅｒｎｓｉｎ柚ｅｍｐＷｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｔＩｌｎｎｅｌ．Ａｇｒｉｃ．Ｆｏｒ．ＭｅｔｅｏｍＬ２０００，１００：１６９－１８１３７．Ｅ．Ｙ１０Ｎｇ，Ｓ．Ｔ．Ｐｏｈ．ＦｌｕｉｄＨｏｗａｎｄＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｉｎＭａｎｉｆｏｌｄＭｉｃｒｏＣｈａｎｎｅｌＨｅａｔＳｉｎｋｓ．ＡＣＦＤＣｏｍｐｍｅｒｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．１９９９．４．２８２—２８９３８．ＦｒａｎｃｉｓｃｏＤｏｍｉｎｇｏＭｏｌｉｎａ－Ａｉｚ，ＤｉｅｇｏＬｕｉｓＶａｌｅｒａ，ＡｎｔｏｎｉｏＪｅｓｕｓＡｌｖｕｒｅｚ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｌｉｍａｔｅｉｎｓ／ｄｅＡｌｍｅｒｉａ－ｔｙｐｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｕｓｉｎｇｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ．ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌａｎｄＦｏｒｅｓｔＭｅｔｅｏｍｌｏｇｙ，２００４，１２５：３３－５１３９．ＧｉｏｖａｎｎｉＣｏｒｔｅｌｌａ，ＭａｒｃｏＭａｎｚａｔｈＧｉａｎｎｉａＣｏｍｉｎｉ．ＣＦＤｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｅｄｄｉｓｐｌａｙｃａｂｉｎｅｔｓ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ．２００１．２４．２５０－２５０４０．ＨａｒｒａｌＢＢ，ＢｏｏｎＣＲ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｒｅｄｉｃｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄａｉｒｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｓｉｎａ６０参考文献ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙｖｅｎｔｉｌａｔｅｄｌｉｖｅｓｔｏｃｋｂｕｉｌｄｉｎｇｗｉｔｈｏｕｔａｎｉｍａｌｓ．川．ＡｇｒｉｃｕｌｉｕｒａｌＥｎｎｇＲｅｓ，１９９７（６６）：２２１－２２８４１．ＨｉｄｅａｋｉＫｏｉｋｅ．ＥｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅｆｒｏｍａｃａｄｅｍｉｃｃｏｄｅｔｏｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ．ＪｏｍｎａｌｏｆＷ＇ｍｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ．１９９９．８１．４１－５５４２．ＫｒｉｇｓｖｏＨＧ．Ｋａｍｅｌｅｏｎ—ＩＩＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅ．Ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｆｌｕｉｄｆｌｏｗｓ’ｍａｓｓａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ田Ｊ．Ｏｓｌｏ（Ｎｏｒｗａｙ）：ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＮｏｒｗａｙ，１９９３．４３·Ｌａｕｎｄｅｒ，Ｂ．Ｅ，Ｓｐａｌｄｉｎｇ，Ｄ．Ｂ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗ．ＣｏｍｐｕＬＭｅｔｈ．Ｅｎｇ．１９７４，３：２６９－２８９４４．Ｍｉｓ仃ｉｏｔｉｓＡ，ＪｏｎｇＴ，ＷａｇｅｍａｎｓＭＪＭ’ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｓｔｕｄｙ鹅ａｔｏｏｌｆｏｒ也ｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎａｎｄｉｎｄｏｏｒｍｉｃｒｏｃｌｉｍａｔｅｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．ＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓＪｏｎｍａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ，１９９７ｃ，４５：８１－６９４５．Ｍｏｎｔｅｍ，Ｊ．Ｌ，Ａｎｔｏｎ，Ａ，Ｋａｍａｒｕｄｄｉｎ，＆，Ｂａｉｌｅｙ，Ｂ３．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｌｙｄｒｉｖｅｎｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｉｎｔｕｎｎｅｌｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｕｓｉｎｇｓｍａｌｌ￥ｃＡｌｌｅｍｏｄｅｌｓ．Ｊ．Ａｇｒｉｃ．Ｅｎｇ．Ｒａｓ．２００１，７９（２）：２１３－２２２４６．ＭｏｔｏｈｉｒｏＫｉｔａｄａ，ＨｉｄｅｏＡｓａｎｏ，ＭａｓａｈｉｒｏＫａｎｂａｒａ，ＳｈｉｇｅｒｕＡｋａｉｋｅ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｉｍｕｌａｔｏｒ．ＣＦＤｔｅｃｈｎｉｑｕｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．ＪＳＡＥＲｅｎｅｗ．２０００．２１．９１－９６４７．ＯｋｕｓｈｉｍａＬＳａｓｅＳ，ＮａｒａＭ．ＡｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｎａｔｕｒａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅｓ、ｂａｓｅｄｏｉｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｌａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ．ＡｅｔａＨｏｒｔｉｃ，１９８９（２４８）：１２９６１
