互插式連棟溫室優(yōu)化設(shè)計與通風試驗研究.pdf

1、我國商品化溫室的普及率很低，高、中檔次的商品化溫室主要被一些機關(guān)團體、軍隊、農(nóng)場和科研等單位所采用，普通農(nóng)戶使用最多的是自建的簡易拱棚，該類拱棚約占我國溫室總量的60％以上。由于拱棚的覆蓋材料薄膜透氣與通風性能較差，夏天只能進行露地生產(chǎn)，從而降低了溫室的周年利用率。為此科技工作者需要對溫室的結(jié)構(gòu)做較為深入的優(yōu)化研究。隨著工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程及產(chǎn)業(yè)化的實施，連棟溫室在我國設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。但是連棟溫室一次性投資大、造價

2、較高，運轉(zhuǎn)費用和生產(chǎn)成本高，使得農(nóng)戶與一般小型企業(yè)都無法承受。綜合考慮拱棚的低投入和連棟溫室的高能效，若設(shè)計出一種面向廣大農(nóng)戶和一般企業(yè)的介于拱棚和連棟溫室之間的新型溫室，該溫室具有低造價、通風性能良好且能在沿江、沿海等多風地區(qū)普及應(yīng)用等諸多優(yōu)點，它必定能很好的為農(nóng)業(yè)和農(nóng)民服務(wù)，且能帶來顯著的社會效益和巨大的經(jīng)濟效益。 互插式連棟溫室屬于華東型簡易溫室，該溫室是針對我國連棟溫室投資成本過高而特別設(shè)計的經(jīng)濟實用型溫室?；ゲ迨竭B棟溫

3、室的特點是以拱桿互插代替?zhèn)鹘y(tǒng)連棟溫室的立柱，其用鋼量比同結(jié)構(gòu)尺寸的立柱式連棟溫室顯著減少，從而造價降低。但若在沿海等多風地帶推廣應(yīng)用該新型溫室，還需對其結(jié)構(gòu)做進一步的優(yōu)化設(shè)計，且需對該溫室的抗風載特性和通風效果做更深入的模擬與試驗研究。 本文以互插式連棟溫室為研究對象，采用從局部到整體的設(shè)計思路對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并對該溫室的抗風載特性進行了風洞試驗研究，且對其流場進行了模擬和PIV試驗研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下： ①對

4、互插式連棟溫室的主要構(gòu)件——天溝和鋼管進行試驗研究，并對溫室整體結(jié)構(gòu)進行有限元優(yōu)化設(shè)計。其目的一方面是為了提高溫室的抗風、雪荷載的能力，另一方面是為了節(jié)省單位面積溫室的用鋼量，從而降低建造成本。試驗表明：在相同荷載作用下，同尺寸的天溝有溝槽比無溝槽抗彎性能好；在相同壓力作用下，插入角度越大，桿件越穩(wěn)定；在相同拉力作用下，插入角度越大，桿件穩(wěn)定性越差；在多風地區(qū)建造溫室大棚時，在鋼管底部安裝彎頭，可以提高溫室的抗拔和抗壓性能。綜合考慮桿件

5、的抗拉和抗壓性能，彎頭應(yīng)安裝在距鋼管底部100mm左右；以拱頂受均布靜水壓力荷載為例分析了拱頂?shù)姆€(wěn)定性；ANSYS優(yōu)化結(jié)果表明互插式連棟溫室較傳統(tǒng)的立柱式連棟溫室單位面積用鋼量少，造價低。 ②以單棟溫室為研究對象，運用CFD軟件模擬其周圍氣流運動，從而確定通風窗位置。模擬結(jié)果表明：溫室利用風壓進行自然通風時，采用頂窗與側(cè)窗組合通風效果較好；運用單棟溫室的研究方法對互插式連棟溫室自然通風的效果進行了模擬分析。分析表明：當風速垂直于

6、側(cè)窗時，頂窗和側(cè)窗組合通風效果優(yōu)于肩窗和側(cè)窗組合通風，但從結(jié)構(gòu)設(shè)計和便于操作角度考慮一般采用肩窗和側(cè)窗組合通風方式。運用ANSYS軟件，既能優(yōu)化設(shè)計溫室結(jié)構(gòu)，又能研究溫室內(nèi)部的流場和溫度分布，為合理建造溫室提供了參考依據(jù)。對溫室結(jié)構(gòu)的多方案比較設(shè)計和內(nèi)環(huán)境控制設(shè)計而言，運用ANSYS模擬設(shè)計可顯著縮短設(shè)計時間和進程。 ③在研究常用的流場顯示技術(shù)基礎(chǔ)上，采用先進的流場測試技術(shù)——PIV技術(shù)對互插式連棟溫室利用風壓通風時室內(nèi)外的流場

7、進行了試驗研究。研究表明：在時均流場中，當互插式連棟溫室采用肩窗加側(cè)窗組合通風時，互插式連棟溫室室外頂部風速最大，天溝處風速最?。粶厥覂?nèi)部流場風速較小，且頂部風速最小，因而溫室室內(nèi)通風效果不好，熱量會聚集在屋頂。在瞬時流場中，分析渦的瞬態(tài)過程，得到了回流渦的運動情況；根據(jù)溫室室外渦量分布圖，計算出了溫室的阻力系數(shù)C<,D>=0.565；從互插式連棟溫室室內(nèi)渦旋運動圖中可以看出，渦旋在拱1中的變化較拱2、拱3慢，因而拱1的空氣流通效果較差

8、，可以考慮在拱1中安放風扇，以增強空氣流通，同時也不至于增加太多成本；在時均流場狀態(tài)下，比較了肩窗加側(cè)窗通風方式與頂窗加側(cè)窗通風方式，得出采用頂窗加側(cè)窗通風效果優(yōu)于肩窗加側(cè)窗通風效果。但采用頂窗和側(cè)窗通風時溫室所受風荷載較大，同時采用肩窗加側(cè)窗通風設(shè)計制造簡單易行，因而實際中互插式連棟溫室多采用肩窗加側(cè)窗通風方式。 ④以風洞試驗為基礎(chǔ)，在不同風向角和是否安裝遮陽幕情況下對互插式連棟溫室的風壓分布進行了詳細的試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)：當

9、雷諾數(shù)大于3×10<'6>時，雷諾數(shù)對風壓分布的影響不大。盡管雷諾數(shù)不同，但溫室屋面風壓分布趨勢大致相同；互插式連棟溫室屋面風壓以負壓為主，最大負壓一般出現(xiàn)在拱頂，風對溫室的作用主要是向上的升力；通風窗關(guān)閉時的風壓系數(shù)顯著高于通風窗開啟時的風壓系數(shù)，且風壓系數(shù)的變化范圍較大，因而計算溫室表面風壓時，風壓系數(shù)要選用通風窗關(guān)閉時的風壓系數(shù)；當風向角為15°-90°，變化角度△ =15°時，互插式連棟溫室的通風窗都開啟時整個溫室屋面以負壓為主

10、，風壓變化劇烈的區(qū)域出現(xiàn)在迎風面。針對溫室某部位最不利風向角的風壓，對其結(jié)構(gòu)進行強化或改進：當氣流流經(jīng)溫室屋面時，氣流強弱、方向均發(fā)生變化，有遮陽幕時正負壓交替出現(xiàn)，風壓分布比無遮陽幕時復雜；在計算風壓時，不能以某一種狀態(tài)下的風載體型系數(shù)來計算，而應(yīng)該取兩種狀態(tài)下較大值，以確保溫室的安全性；由風洞試驗數(shù)據(jù)計算出的整體風載體型系數(shù)比規(guī)范所給出的圓拱形溫室風載體型系數(shù)數(shù)值更精確，計算互插式連棟溫室的風壓時，應(yīng)將有遮陽幕和無遮陽幕兩種狀態(tài)下的

11、風載體型系數(shù)結(jié)合在一起考慮，即選取兩種工況的較大值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。 ⑤以CFD理論為基礎(chǔ)，建立了互插式連棟溫室周圍空氣繞流的數(shù)學模型，設(shè)定了流體的邊界條件。運用FLUENT軟件對互插式連棟溫室的風壓分布進行模擬分析，模擬結(jié)果表明風對溫室的作用力主要是向上的升力；風壓系數(shù)沿溫室跨度方向分布的數(shù)值模擬結(jié)果與風洞試驗結(jié)果基本吻合；上風向和下風向風壓系數(shù)沿溫室高度方向呈二次曲線分布，相關(guān)系數(shù)分別為0.975和0.990；最后將模擬所得