事實(shí)上，日光溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳熱過程并非穩(wěn)態(tài)，為了更為客觀的掌握溫室內(nèi)部的熱環(huán)境，就要進(jìn)行墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱分析，進(jìn)而了解墻體的熱工性能及其熱傳導(dǎo)過程，進(jìn)而改善其隔熱保溫措施，這對(duì)日光溫室能耗分析來說是關(guān)鍵的一部分，有助于節(jié)能型日光溫室設(shè)計(jì)和運(yùn)用的發(fā)展。
一、墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱
墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱過程、墻體內(nèi)部的溫度分布以及熱流量隨著時(shí)間的變化規(guī)律的求解，實(shí)質(zhì)上就是求解以下兩個(gè)偏微分方程：上述兩個(gè)偏微分方程的解法主要有以下兩種：積分變換法和有限差分法。本文所關(guān)心的問題是墻體表面發(fā)生的溫度和熱流量變化，至于墻體內(nèi)每個(gè)部位的具體溫度變化則不必細(xì)究。日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整個(gè)傳熱過程溫度變化范圍較小，可以將墻體導(dǎo)熱系數(shù)又和導(dǎo)溫系數(shù)Q當(dāng)做是常數(shù)。因此，選擇使用積分變換法來計(jì)算該常系數(shù)線性偏微分方程組定解問題。按照不同的邊界條件分解方式，積分變換法可分為諧波反應(yīng)法和瞬態(tài)反應(yīng)法。由于太陽輻射等外部條件時(shí)刻發(fā)生變化，引起改變的不確定的因素時(shí)刻存在，難以用規(guī)律的正弦函數(shù)來描述，所以諧波反應(yīng)法不可能作為持續(xù)性的能耗分析工具0瞬態(tài)反應(yīng)法又包括Z傳遞函數(shù)法和反應(yīng)系數(shù)法，兩種方法都是把連續(xù)擾量離散成按時(shí)間序列進(jìn)行分布的單元擾量。板壁的非穩(wěn)態(tài)傳熱中，常見等腰三角波作為單元擾量，即要求獲得板壁熱力系統(tǒng)的Z傳遞系數(shù)或者反應(yīng)系數(shù)，而兩者具有相似的含義和求解方法。以下就分別對(duì)兩種方法進(jìn)行簡單的介紹。
(1)反應(yīng)系數(shù)法
反應(yīng)系數(shù)法在求解問題時(shí)基本思路是，把隨著時(shí)間連續(xù)變化的擾量曲線離散成為按時(shí)間序列進(jìn)行分布的單元擾量；然后再求出墻體的熱力系統(tǒng)對(duì)于單位單元擾量的反應(yīng)系數(shù)；最后，運(yùn)用已求得的反應(yīng)系數(shù)疊加積分后算出單位面積板壁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐時(shí)傳熱得熱量。Mitalas和Stephenson提出并且詳細(xì)介紹了反應(yīng)系數(shù)法在負(fù)荷計(jì)算中起到的應(yīng)用。墻體的反應(yīng)系數(shù)序列YG)的定義是墻體對(duì)于其單位等腰溫度的三角波輸入熱流所具有的輸出值的等時(shí)間序列。它能夠描述墻體受到室外溫度擾量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，通過三角波的疊加來逼近室外空氣綜合溫度變化情況，從而獲得墻體熱力系統(tǒng)對(duì)于任意室外擾量所產(chǎn)生的響應(yīng)。反應(yīng)系數(shù)法適用于任何一種擾量，它有別于諧波法的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是，反應(yīng)系數(shù)法并不要求邊界條件具有周期性，因此它可以用于全年性的動(dòng)態(tài)模擬。為了獲得反應(yīng)系數(shù)，需要對(duì)墻體傳熱或者吸熱傳遞函數(shù)的分母B(s)求根，也就是求出s傳遞函數(shù)的極值點(diǎn)，然后運(yùn)用Heaviside展開式求解得到最終的結(jié)果，通常稱為直接求根法。但B(s)有無窮多個(gè)負(fù)實(shí)根(-s.)，所以求出所有的根是不現(xiàn)實(shí)的。根小到一定程度時(shí)，其對(duì)反應(yīng)系數(shù)產(chǎn)生的影響非常微小，一般只需求得一定數(shù)量的根值，就可以保證反應(yīng)系數(shù)所具有的精度負(fù)荷要求。通過計(jì)算和比較，我們發(fā)現(xiàn)，計(jì)算Y(0}和Y(1)時(shí)，取傳遞函數(shù)法的理論基礎(chǔ)是由當(dāng)前的輸入值和前一時(shí)刻的輸入值和輸出值共同確定。
和反應(yīng)系數(shù)相同，傳遞函數(shù)也能夠描述墻體動(dòng)態(tài)熱特性，但是所需求的系數(shù)項(xiàng)比起反應(yīng)系數(shù)來說少得多，這就使得計(jì)算所耗費(fèi)的時(shí)間和計(jì)算機(jī)存貯空間大大的減小。系統(tǒng)的z傳遞函數(shù)，也即脈沖傳遞函數(shù)，其實(shí)是系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)的z變換。但這里所說到的板壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)z傳遞函數(shù)，是指板壁熱力系統(tǒng)的單位等腰三角脈沖產(chǎn)生的響應(yīng)的z變換，相當(dāng)于系統(tǒng)中設(shè)置了單位等腰三角波保持器。所以，板壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和吸熱的z傳遞函數(shù)，指的就是板壁吸熱和傳熱反應(yīng)系數(shù)序列的z變換。相比于其他的方法，傳遞函數(shù)法最為重要的性質(zhì)就是其輸入輸出的值是等時(shí)間間隔序列值。因此，作為輸入值，太陽輻射強(qiáng)度和室外溫度的逐時(shí)記錄數(shù)據(jù)，只需要做很少的預(yù)處理。此方法主要的局限性是它只能夠用于線性時(shí)不變的系統(tǒng)；而傳遞函數(shù)則可以通過直接求根法來求解墻體的吸熱或傳熱z傳遞函數(shù)來獲得，盡管直接求根法不可避免的失根現(xiàn)象在這里仍然存在；z傳遞函數(shù)作為反應(yīng)系數(shù)的近似形式，必然會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。綜合上述三種常用墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文決定運(yùn)用反應(yīng)系數(shù)法來進(jìn)行墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算。
二、反應(yīng)系數(shù)計(jì)算法
(1)擾量的離散
用等腰三角波來進(jìn)行擾量的離散，能夠?qū)⑹彝鈿夂虻淖兓?guī)律較為精準(zhǔn)的表達(dá)。
三、定義非穩(wěn)態(tài)邊界條件選取8月30日早9：00^-16：30作為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的時(shí)間段。計(jì)算域的確定、網(wǎng)格的劃分、控制方程及模擬模型的相關(guān)設(shè)置都與穩(wěn)態(tài)模擬相同，主要邊界條件的設(shè)置為：以上邊界中除了需要用自定義函數(shù)(UDF)來定義的非穩(wěn)態(tài)邊界條件而外，其余邊界條件的確定均與穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬時(shí)相同，這里不再重復(fù)了。下面著重的介紹非穩(wěn)態(tài)邊界條件中入口溫度、膜以及土壤邊界條件的設(shè)置情況。因?yàn)樵?/FONT>9：00—16：30這個(gè)時(shí)段入口溫度、膜、土壤溫度和后墻風(fēng)口里來自室外的新風(fēng)溫度波動(dòng)度都比較大，膜溫隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化也一直在改變，所以定義為定溫或者絕熱邊界都與實(shí)際的情況具有較大的差距。并且這些溫度都具有一定的變化規(guī)律，早晚較低而中午較高，即與時(shí)間t存在密切的關(guān)系。上述五個(gè)回歸程式的相關(guān)系數(shù)分別為0.9833，0.9633，0.9843，0.9799，0.9044，說明所測(cè)入口溫度、膜、土壤溫度、后墻溫度、后墻風(fēng)口溫度與時(shí)間呈顯著相關(guān)，因此可以用上述五式表達(dá)入口溫度、膜、土壤溫度、后墻溫度、后墻風(fēng)口溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。將土述五個(gè)回歸方程式使用c語言源代碼表達(dá)出來，建立一個(gè)c語言源代碼文件，編譯UDF函數(shù)并連接到FLUENT，在FLUENT中執(zhí)行UDF，進(jìn)行計(jì)算，詳見附錄。
三、三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果與分析
設(shè)置完非穩(wěn)態(tài)邊界條件以后，仍然取1e-3作為計(jì)算動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、k及￡方程時(shí)的收斂精度標(biāo)準(zhǔn)，輻射和能量方程的計(jì)算收斂精度標(biāo)準(zhǔn)為1e-6。迭代計(jì)算的步長值設(shè)為60s，每個(gè)步長內(nèi)最大迭代次數(shù)取80次，每問隔30min自動(dòng)保存當(dāng)前時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果。圖4-7給出了9：30，13：30與16：30溫度場的計(jì)算結(jié)果，分別選Y=1800mm(對(duì)準(zhǔn)風(fēng)口)、Y=6300mm(兩風(fēng)口之間)兩個(gè)截的溫度值來進(jìn)行比較分析。圖4-7反映出了溫室兩個(gè)具有代表性的剖面在不同時(shí)刻呈現(xiàn)出的溫度分布云圖。
本次非穩(wěn)態(tài)模擬從初始時(shí)刻9：30開始到16：30結(jié)束，以上分別選擇了上午9：30(t=1.800e+03)、中午13：30(t=1.6200e+03)、下午16：30(t=2.7000e+03)三個(gè)時(shí)刻的溫度分布云圖來進(jìn)行分析。由圖中能看出：從9：30到13：30溫室內(nèi)溫度逐步升高，薄膜附近的室氣溫度變化幅度較大；到16：30時(shí)，室內(nèi)空氣較13：30已經(jīng)有了明顯的降低，這與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，在第二章中我們看到，16：00過后室外溫度開始呈下降趨勢(shì)。模擬的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了太陽輻射是導(dǎo)致溫室內(nèi)空氣溫度上升的主要原因。比較不同時(shí)刻的溫度分布云圖能夠看出，不同時(shí)刻室內(nèi)空氣溫度沿高度Z方向的布有所不同，但基本規(guī)律相似，最高溫都出現(xiàn)在溫室頂部，這是由于空氣受到熱浮力往高處上升，并且通過前后風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)在室內(nèi)吸取熱量后經(jīng)風(fēng)壓作用由頂部窗口排出。與測(cè)試數(shù)據(jù)相比較可知，整個(gè)計(jì)算空間的模擬得到的溫度分布趨勢(shì)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)律基本相同。
四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果
在上午9：30的模擬結(jié)果中取出試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)處的溫度值與實(shí)測(cè)值做比較，如圖4-8所示，從圖4-8中可以看出，三維非穩(wěn)態(tài)的模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出溫室內(nèi)不同點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)。模擬的結(jié)果整體比試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小，最大誤差為3.04℃，位于下端靠近土壤表面處，最小誤差僅為0.001℃。造成模擬值偏小于實(shí)測(cè)值的原因，主要是室外氣候的隨機(jī)以及多變性在時(shí)刻改變自然通風(fēng)口的空氣流動(dòng)方向、速度大小、風(fēng)量和溫度等，使得在本次模擬計(jì)算中，邊界條件很難精確的符合實(shí)際情況。
從圖中我們可以看到，雖然模擬結(jié)果顯示的溫室內(nèi)空氣溫度分布與實(shí)測(cè)值在數(shù)值上存在一定差異，但除了邊界點(diǎn)外，最大誤差僅在2.2℃以內(nèi)；并且空間分布的總體趨勢(shì)是一致的，所以本次對(duì)日光溫室熱環(huán)境的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬是成功的。相比于穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的吻合程度更高。所以，得出結(jié)論：本章節(jié)建立的三維非穩(wěn)態(tài)CFD模型及包括的邊界條件有效，利用fluent來進(jìn)行夏季自然通風(fēng)條件下日光溫室的熱環(huán)境三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算是可行的。http://www.cp012.cn
