张 衡，雷晓云，白云岗，刘洪波

(1. 新疆农业大学，乌鲁木齐 830052；2. 新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

吐哈盆地作为我国著名的葡萄生产基地，由于极端干旱的气候条件，葡萄在果实膨大期受干热风的影响，植株蒸腾作用加强，体内水分平衡失调，光合作用受阻或遭到破坏，有机质转化失常，对葡萄产量和品质造成极大的影响。为了解决这一问题，在葡萄棚架下安装弥雾微喷头，于果实膨大期日温度最高时进行喷雾降温处理，既能降低棚架下的高温又能适当的增加棚架下相对湿度，削减干热风对葡萄的影响，取得较好的降温效果[1]。国内外多为研究温室喷雾降温，在室外大气条件下对作物进行喷雾降温的研究较少[2-7]。谭胜男等进行了温室喷雾降温系统模拟研究，研究表明在喷雾后，温室内温度明显降低，喷头下方降温最为明显[8]；王军锋等对室外进行降温效果模拟，结果表明细水雾室外环境降温可以有效降低人体舒适度指数，增强人体舒适感，有效改善室外环境质量[9]；刘春等对室外空间进行喷雾降温模拟分析，验证了数学模型的准确性[10]。

本文是在吐哈盆地对葡萄常规滴灌的基础上，于葡萄棚架上50 cm、棚架下50 cm和地上30 cm 三种不同位置布设弥雾微喷头，通过对不同处理上产量和品质的综合对比，择选出在棚架下50 cm布设微喷能够使得葡萄优质高产。针对此处理运用fluent软件模拟真实的棚架下温度场分布，在综合考虑太阳辐射和空气对流等因素下，采用组分传输模型和离散项模型对葡萄棚架下温湿度分布情况进行稳态数值模拟，并通过试验所测数据验证模型的正确性，为喷雾降温方案的合理设计和规划提供理论依据，从而可以优化喷雾方案，帮助喷雾降温设备最大限度地发挥高效节能的优点，促进喷雾降温技术进一步推广的作用。

1 材料与方法

1.1 试验地点及喷头布置

试验地位于新疆维吾尔自治区鄯善县葡萄瓜果开发研究中心(42.91°N， 90.30°E)，葡萄架长14 m，跨度2 m，高1.8 m，棚架后方与架顶均有藤蔓覆盖，三测敞开。棚架下方50 cm处每隔2 m安装一套弥雾微喷毛管及喷头，共有6个喷头。喷雾系统采用微孔高压式雾化技术，可喷射出直径小于0.5 mm的小液滴。喷头流量为40 L/h，喷射直径为200 cm，微喷在葡萄果实膨大期(6月上旬到7月上旬)中午14∶00左右开启喷水1 h。

1.2 测点布置

在距喷头垂直高度为10、20、30、40和50 cm处安装百叶箱，共放置3组内置HC-2温湿度自动记录仪，对棚架下空气温湿度每隔0.5 h记录1次，这样能够较为全面的测量棚架下的温湿度分布情况，温湿度记录仪布设示意图如图1所示。棚架外的气象资料由小型田间气象站获取。

图1 棚架下温湿度记录仪及喷头位置

2 模型的构建

2.1 基本控制方程

葡萄棚架下的自然通风过程具有明显的湍流特征，选用标准k-ε湍流模型，喷嘴模型采用压力旋流雾化喷嘴模型[11]对葡萄棚架进行三维稳态数值模拟。棚架下流体的基本控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,方程通式为[12]:

(1)

式中：φ为通用变量μ、ν、ω、h、T或E等；ρ为密度，kg/m3；μ为速度矢量；Γ为扩散通量；Sφ为源项。

2.2 计算模型选择

2.2.1 辐射模型

太阳辐射是影响葡萄棚架下温度场和湿度场分布的重要因素。当阳光照射到葡萄棚架上时，一部分被葡萄叶片反射和吸收，剩余一部分则通过叶片间的空隙进入葡萄棚架下。进入葡萄架下的太阳辐射，有的被空气介质吸收，有的被地面吸收和反射。同时，葡萄架还受到热辐射的影响，棚架下的地面、葡萄藤蔓、空气之间也通过辐射进行能量的交换。在满足计算条件的情况下，采用DO离散坐标模型对葡萄棚架下的各项热辐射进行数值模拟。

2.2.2 组分运输模型

空气相对湿度是葡萄生长发育的重要因素自己一，为探索葡萄棚架下温湿度场的分布情况，在fluent数值模拟中选用组分运输模型。设置混合物为空气和水蒸气的混合体，通过水蒸气的质量分数换算计算出空气的相对湿度(RH)，并将此气体混合物视为不可压缩理想气体，在2种组分间无化学反应发生。首先把水蒸气的质量分数转换为空气含湿量，进一步将含湿量转换为空气的相对湿度。为求解湿空气的温度，须求解湿空气的焓，其关系满足如下组分守恒方程[13]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：h为焓，J/m3；E为总能，J；P为大气压；ρ为空气密度，kg/m3；mj为对应组分的质量分数；hj为对应组分的焓，J/m3；μi,μj为速度矢量；Keff为有效热传导系数；(τij)eff为有效黏性应力；Cp,j为定压比热容，J(kg·K) ；Jj为组分扩散量，g/s；T为有效温度,K；Sh为体积热源项，W/m3。

2.3 计算域与网格划分

为了使模拟结果和实际温度场分布具有较高的拟合度，fluent模型的棚架结构与实际棚架结构完全相同。计算域的大小直接影响模拟结果的真实性，计算域过小流场会失真，过大会增加网格的数目，计算量增大。合理选择计算域的大小对模型模拟的准确性和计算量的多少有很大的影响。为使模型棚架下空气流动情况与实际情况达到较高吻合度，在棚架结构的基础上在东、南、西、北四个方向各延伸10 m，形成一个大空间包裹着葡萄棚架。在计算流体动力学中，网格的划分尤为重要，直接影响到计算的速度变化和计算结果的成败等。网格的划分是模型计算精确的关键，网格划分的好可以保证计算结果的精确，同时缩短计算时间，网格质量的好坏直接影响到模拟过程的稳定性和收敛性以及模拟结果的精度性、可靠性。为使模拟值更精确，对计算域的出口边界进行网格的局部加密，并用六面体网格对棚架下的计算域和棚架外部空间进行划分，共创建了2 653 560个节点和2 584 845个网格，棚架内为空气流体流域。

2.4 边界条件

棚架下fluent数值模拟主要是以空气作为研究对象，给定合理的边界条件：棚架的南侧设置为进风入口(velocity-inlet)边界条件；棚架北侧设置为压力出口(pressure-outlet)边界条件；由于棚架开口方向仍有葡萄棚架树立，故将棚架的上及前后侧设置为固壁(wall)边界条件；地面设置为固壁(wall)边界条件。测得地面温度为30 ℃，棚架外气温达40 ℃，棚架下初始相对湿度33%，风速约为1 m/s，雾滴温度为16 ℃(灌溉用水取自地下水井)，其他各项主要边界条件的初始条件和边界条件如表1所示。

表1 初始条件和边界条件参数

3 结果与分析

3.1 fluent模型验证

喷雾后，对不同测点高度的实测平均值和模拟平均值做比较，如图2所示。可以看到，温度模拟值与实测值模拟良好，平均差值为0.22 ℃，平均相对误差为0.6%，不同高度中20 cm处的模拟值较实测值误差最大为1.4%，30和50 cm处的误差最小，仅为0.8%；相对湿度的模拟值与实测值的平均差值和平均相对误差分别为1.41%和4.1%，不同高度中20 cm处的相对湿度模拟值与实测值相对误差最大为6.9%，30 cm处误差最小，仅为0.1%。数值模拟结果较为真实地反映了葡萄棚架下的温、湿度的空间分布，各项均有较小的误差。由此可见，本研究建立的数学模型有效，边界条件合理。

图2 测点的实测值与模拟值比较

3.2 不同喷雾位置的温度场分布

从喷雾后葡萄架下不同水平高度的温度场的变化(图3)中可以看出，通过微喷后，葡萄棚架下不同高度的温度场存在明显的变化。从喷头到地面，不同水平上的温度是依次增加的，喷头处温度最低，随着高度的递减温度缓慢增加，这是由于水温较低，喷雾先影响喷头位置的温度，再呈梯度方向影响温度变化。

从喷头位置的温度分布[图3(a)]中可以看出，棚架下温度快速下降，降温效果明显，尤其是在喷头位置，由于风速及太阳辐射影响，棚架下温度延风速方向呈梯度变化，在下风向温度最低，进风口处温度最高。在不同水平高度，自喷头位置向下[图3(b)～(f)]，温度依次递增，这是由于地面受太阳辐射和空气流动影响，在微喷作用下开始释放热量，并蒸发水滴，使得温度上升。受棚架外的高温影响，地面温度与棚架进风口在距离上由内到外逐渐递减。且在图中可以看出，在棚架横向开口处由于受到干热风影响，温度下降较为缓慢，在棚架后方由于受到葡萄藤蔓的隔离作用，温度下降最为明显。

图3 不同梯度水平面温度场分布

4 结 论

(1)对吐哈盆地葡萄架下的喷雾降温系统进行fluent数值模拟，棚架下测点的平均温、湿度的模拟值与实测值的平均相对误差分别为0.6%和4.1%，模拟结果与实测结果拟合度较高，说明所建立的fluent模型和边界条件是正确的，采用离散相模型模拟喷雾降温是可行的。

(2)棚架下喷雾后温度在水平方向上沿进风口位置存在明显的梯度变化，喷头处最低，在竖直方向上随着离喷头位置增加，温度逐渐增大。棚架下方同一水平面上，由于两侧受到藤蔓和干热风的影响，藤蔓一侧温度下降明显，无藤蔓遮挡一侧受干热风影响，温度下降缓慢。

(3)喷雾降温系统设备便宜，安装简单，降温效果好，且其在降温的同时增加了空气湿度，对吐哈地区葡萄受高温天气影响的热灼有明显的抑制作用，且可以在给葡萄生长环境降温的同时可以提高葡萄的产量及品质。

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