寒冷干旱地区日光温室内环境因子数值模拟

The 2013 No.1 document of central government clearly puts forward to increase a new round of "vegetable basket" project implementation efforts, expand the park horticultural crops standard and livestock and aquatic products standardization demonstration farm to create scale. "To accelerate development of the agricultural facilities is important for agricultural restructuring" had been pointed out in the "Twelfth Five-Year" plan. Relying on the structural characteristics of greenhouse, temperature humidity and illumination will be all under the control of human being for house plant growing. The environment factors directly influence the yield and quality, but the variation regularity of greenhouse in the cold arid regions is not clear and there is less research of coupling relationship between environmental factors by numerical methods. Our research team have been collecting and testing the temperature information of the cucumber of greenhouse according different stages, will establish database of numerical models by analyze outdoor meteorological and indoor environmental factors, apply the k-e turbulence model and assume the plant as porous media. For the high complexity of ventilation and heating process, comparison will be drawn between simulation and observed results to define and optimize the coupling relationship of "Greenhouse- Environment- Plants". This research will provide technology reference for greenhouse optimization and automatic control.

2013年中央一号文件明确提出加大新一轮"菜篮子"工程实施力度，扩大园艺作物标准园和畜禽水产品养殖示范场标准规模。"十二五"规划也将加快发展设施农业作为推进农业结构战略调整和加快发展现代设施农业的重要内容。日光温室主要依靠自身结构特点通过人为控制温室内温湿度、光照度调节，保证作物生长需要。温室内环境因子直接影响作物的品质和产量，但是针对寒冷干旱地区的温室内温湿度的变化规律尚待研究，利用数值方法对环境因子耦合关系探究甚少。课题组已对呼市郊区黄瓜温室的温度进行长年环境信息的收集和监测，本课题将通过对室外气象、室内环境因子测试分析，选择k-e湍流数值模型，将作物假设为多孔介质，建立黄瓜不同生长时期的物理数值模型数据库；并且对温室换气、热源加热时的温度、气流场分析研究，从而确定"温室-环境-作物"的耦合关系，最后对比模拟和实测数据，进行优化。本研究将对温室的结构优化，及后期实现自动控制提供技术参考

2013年中央一号文件提出加大新一轮“菜篮子”工程实施力度，“十二五”规划也将设施农业的发展作为一项重要工作。日光温室因其结构简单，便于使用维护而被广泛应用于我国寒冷干旱地区的农业生产中。准确地掌握寒冷干旱地区日光温室的环境特点及其变化规律能够为温室的构建及其控制提供科学有效的理论依据，进而提高温室产量。本课题以我国寒冷干旱地区典型的“三立一坡”型日光温室为研究对象，试验地点位于内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区西把栅乡合林村。通过长期对不同天气情况下日光温室内外的环境参数进行监测记录，对试验所收集到的数据综合处理结合Penmane-Monteith蒸散公式计算温室内的水分蒸腾蒸发的潜热交换量，运用CFD方法模拟了温室的温度场和水热耦合环境；探究了在不同天气条件下，具有挡帘结构的试验温室和不含挡帘的温室内的气温分布规律，并利用数值模拟方法对比研究了典型天气下，上述两个温室内部气温及流场速度的差异；对有无拱棚的条件下日光温室内南侧土壤温度的温度变化和含水率变化，对土壤的储热量进行计算，建立并模拟了土壤模型；设计并制作了一套具有普遍性和地区代表性的现代农业设施日光温室仿真缩微模型，运用CFD方法对仿真缩微模型内的温度场进行数值模拟；应用了PLC并对自动控制程序进行编译，实现了卷帘机和通风机组的自动控制。. 结果表明：1）太阳辐射随其高度角变化呈正弦曲线变化，晴天时温室内温度变化较大，小雪天气下温室内温度变化较小；晴天时不同深度土壤温度最高值出现时间有滞后，而小雪天气时滞后现象不明显；晴天夜间墙体热通量高于地面，雪天则相反；2）白天土壤含水率随温度升高而升高，白天作物冠层蒸散水分所用潜热量大于土壤蒸发所用潜热量；夜间温室内热量主要以自然对流方式耗散；3）试验温室内主要耕作范围内的近地表气温高于对照温室，温差最大4.2℃最小1℃；气流在试验温室内部有顺时针环流在对照温室有逆时针环流；当通风口底端竖直高度为0.25 m宽0.3 m时，挡帘结构的最有迎风参数为迎风长度0.84m倾斜角度为76°，此时不同进风口风速能满足大部分耕作区域地表温度高于20℃的生产需求；4）增加内拱棚能有效提升室内和土壤的温度；当土壤温度差值比较接近时，储热量与土壤含水率存在一定的关系，对于不同区域应当考虑土壤温度对储热的影响；5）日光温室微缩模型及其配套自动控制系统具备一定的实用性及研究价值。