CFD(Computational Fluid Dynamics)是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著近年來(lái)CFD物理模型和計(jì)算方法的不斷完善和改進(jìn)，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提高，許多成熟的商業(yè)化CFD計(jì)算軟件得到了不斷地推廣。CFD研究方法在很多行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如石油天然氣工業(yè)、動(dòng)力工業(yè)、冶煉加工、汽車設(shè)計(jì)、化學(xué)處理、生物醫(yī)學(xué)、暖通空調(diào)、食品加工等。CFD研究以3大守恒定律（質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律）作為計(jì)算的控制方程，采用有限體積法（FiniteVolume Method）把連續(xù)的計(jì)算域離散成許多個(gè)子區(qū)域（體積單元），借助高性能計(jì)算機(jī)在每個(gè)體積單元上對(duì)控制方程組進(jìn)行數(shù)值求解，進(jìn)而在整個(gè)計(jì)算域上分析流體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)的規(guī)律。近年來(lái)，一種全新的CFD應(yīng)用于園藝領(lǐng)域,在該領(lǐng)域CFD被用來(lái)模擬溫室內(nèi)部氣候環(huán)境。然后，利用這些模型來(lái)研究溫室內(nèi)部環(huán)境對(duì)外部環(huán)境和控制的依賴性。
1 CFD軟件簡(jiǎn)介
目前，有關(guān)溫室領(lǐng)域CFD 模擬的研究論文都是采用商業(yè)CFD 軟件包或?yàn)榛�于相同的理論和�?shù)學(xué)方法的程序在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行的。自從1981 年英國(guó)CHAM公司首先推出求解流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的商業(yè)軟件PHOENICS 以來(lái)，迅速在國(guó)際軟件產(chǎn)業(yè)中形成了通稱為CFD 軟件產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)。到目前為止，全世界至少已有50 余種這樣的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的商業(yè)軟件，在促進(jìn)CFD 技術(shù)在工業(yè)實(shí)際中的應(yīng)用起著重要的作用。下面介紹國(guó)內(nèi)有關(guān)高等院校和研究院所引進(jìn)的5 種軟件。
1) CFX。該軟件采用有限容積法、拼片式塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在非正交曲線坐標(biāo)（適體坐標(biāo)）系上進(jìn)行離散，變量的布置采用同位網(wǎng)格方式。可計(jì)算的物理問(wèn)題包括不可壓縮及可壓縮流動(dòng)、耦合傳熱問(wèn)題、多相流、粒子運(yùn)輸過(guò)程、化學(xué)反映、氣體燃燒、熱輻射等，同時(shí)還可以處理滑移網(wǎng)格，用來(lái)計(jì)算透平機(jī)械中葉片間的流場(chǎng)。
2) FIDAP。該軟件是世界上第一個(gè)使用有限元法（FEM）的CFD 軟件。其可以計(jì)算可壓縮及不可壓縮流、凝固與熔化、層流與湍流、單相與兩相流、牛頓流體及非牛頓流體的流動(dòng)問(wèn)題等。
3) FLUENT。這一軟件是繼PHOENICS 軟件后第二個(gè)投放市場(chǎng)的基于有限容積法的軟件，包含有結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩個(gè)版本。其可以計(jì)算的物理問(wèn)題類型有：定常與非定常流動(dòng)，不可壓縮與可壓縮流動(dòng)，含有粒子/液滴的蒸發(fā)、燃燒的過(guò)程、多組份介質(zhì)的化學(xué)反映過(guò)程等。
4) PHOENICS。這是世界上第一個(gè)投放市場(chǎng)的CFD 商用軟件（1981），可以算是CFD/NHT 商用軟件的鼻祖。這一軟件中所采用的一些基本算法， 如SIMPLE 方法、混合格式等，由該軟件的創(chuàng)始人D BSpalding 及其合作者S V Patankar 等所提出，對(duì)以后開(kāi)發(fā)的商用軟件有著較大的影響。
5) STAR-CD。這是基于有限容積法的一個(gè)通用軟件。在網(wǎng)格生成方面，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，還可以與目前通用的CAD/CAE 軟件相連接，如ANSYS，I-DEAS，NASTRAN,PATRAN 等，在適應(yīng)復(fù)雜計(jì)算區(qū)域的能力方面具有特別的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用這一軟件可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，牛頓流體及非牛頓流體的流動(dòng)，多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，亞音速及超音速流動(dòng)，涉及導(dǎo)熱、對(duì)流與輻射換熱的流動(dòng)問(wèn)題，涉及化學(xué)反應(yīng)的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題及多相流的數(shù)值分析等。
2 國(guó)內(nèi)外溫室自然通風(fēng)的CFD研究現(xiàn)狀
    從該領(lǐng)域第一篇論文(Okushima等1989)的出現(xiàn)到現(xiàn)在，能夠看到在溫室研究領(lǐng)域CFD模擬的復(fù)雜性和真實(shí)性的一個(gè)清晰的發(fā)展歷程。這主要是由于隨著時(shí)間的推進(jìn)，新的、更快速和更高性能的硬件對(duì)更復(fù)雜的情況預(yù)測(cè)更具有準(zhǔn)確性；同時(shí)，CFD軟件包擁有越來(lái)越多的算法庫(kù)和計(jì)算方法而變得更強(qiáng)大和復(fù)雜，從而也增加了它的應(yīng)用范圍。大部分小型溫室和比例溫室模型的CFD初步研究都是用來(lái)研究溫室內(nèi)部環(huán)境的。后者的研究是為了通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，因?yàn)轱L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)無(wú)法對(duì)實(shí)際大小的溫室進(jìn)行測(cè)量。絕大多數(shù)溫室的研究都是在無(wú)植物條件下進(jìn)行的。大多數(shù)的研究人員認(rèn)為應(yīng)將植物和結(jié)構(gòu)的因素考慮進(jìn)來(lái)。如果要對(duì)溫室內(nèi)部氣候環(huán)境進(jìn)行真實(shí)的模擬，則植物和氣候環(huán)境間的交互作用是不可以被疏忽的。然而，一些模擬將植物當(dāng)作內(nèi)部環(huán)境的一部分，植物被視為多孔介質(zhì)，植物模型中包括二氧化碳的吸收。需要更詳細(xì)和具體的植物模型，其中可能包括太陽(yáng)輻射、濕度和溫度的影響。模型的細(xì)化必須注意研究下面幾方面的平衡，包括模型復(fù)雜性，對(duì)模擬技術(shù)、計(jì)算能力以及模擬輸出結(jié)果必要的準(zhǔn)確性。大部分的研究是采用二維模擬。與三維模擬相比，它減少了模擬過(guò)程的復(fù)雜性，也大大地減少了計(jì)算量。從某種程度來(lái)說(shuō)，三維模擬是必需的，因?yàn)槎�維模擬達(dá)不到需要的準(zhǔn)確性；而三維模擬的主要缺點(diǎn)對(duì)硬件的計(jì)算能力要求高。模擬一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的商業(yè)連棟溫室需要一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)才能完成。對(duì)CFD研究的探討中發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)工作中適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)參數(shù)的選擇和充分正確的邊界條件的設(shè)定對(duì)結(jié)果的正確性是至關(guān)重要的。其中，一個(gè)例子就是湍流模型的選擇。對(duì)于自然通風(fēng)的溫室，雙尺度湍流模型的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)的k - ε 模型有著較好的結(jié)果；而對(duì)于機(jī)械通風(fēng)的溫室，二者的效果相差不多。除了湍流、對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射外，傳熱傳質(zhì)過(guò)程也是一些模擬研究的主題。在不同的模擬中，變量一般有氣流速度和方向、溫度、二氧化碳濃度和空氣濕度。在自然通風(fēng)下不同類型和大小的溫室中，對(duì)受熱壓作用的通風(fēng)如零風(fēng)速和低風(fēng)速情況以及受風(fēng)壓作用的通風(fēng)的模擬都較為成功。得到結(jié)論是側(cè)窗的存在增加了空氣交換率，從而也降低了室內(nèi)溫度。對(duì)于地中海型溫室、其他一些拱型和鋸齒型溫室，一般的結(jié)論是如果溫室的跨數(shù)較多則意味著通風(fēng)效率的減少和作物水平的溫度較高，并且觀察得到增加通風(fēng)口開(kāi)放面積確實(shí)增加了空氣交換，同樣增加了風(fēng)速，在所有的通風(fēng)情形中情況都是如此。如果沒(méi)有側(cè)窗，在下風(fēng)通風(fēng)的情況下，在開(kāi)著天窗的Venlo型溫室當(dāng)中的作物水平高度存在逆流。一種嘗試對(duì)大型商業(yè)Venlo型溫室的一個(gè)代表性區(qū)段進(jìn)行的模擬不能達(dá)到期望的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)完全的和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的溫室進(jìn)行模擬成為必要。
3 國(guó)內(nèi)外溫室機(jī)械通風(fēng)的CFD研究現(xiàn)狀
    由于國(guó)外連棟溫室較少應(yīng)用機(jī)械通風(fēng)降溫系統(tǒng)，到目前僅Bailey et al (1994)對(duì)機(jī)械通風(fēng)下的Venlo型連棟溫室的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了CFD模擬。模擬采用三維模型和穩(wěn)態(tài)，CFD研究的對(duì)象是一個(gè)封閉的4連跨溫室和一個(gè)9連跨溫室，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k - e 湍流模型。首先，對(duì)4連跨溫室(12.8m×33.3m)的預(yù)測(cè)結(jié)果和有限的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，證明了CFD方法的可行性。隨后，利用CFD進(jìn)行研究相同溫室中風(fēng)機(jī)位置對(duì)溫室內(nèi)部流場(chǎng)的影響。然而，對(duì)于帶有雙風(fēng)機(jī)的9連跨的商業(yè)溫室(56.7m×47.5m)的模擬并不成功,無(wú)法進(jìn)行滿意地運(yùn)行，而且風(fēng)機(jī)的最適宜的位置也無(wú)法確定。由于國(guó)外的豬舍和雞舍多采用機(jī)械通風(fēng)，所以這方面類似的研究也相對(duì)多些。2001年，Huawei Sun等利用CFD研究機(jī)械通風(fēng)豬在不同風(fēng)速下舍內(nèi)的流場(chǎng)分布，探討豬舍內(nèi)部布置方式，改善氨在舍內(nèi)的分布。2002年，Lee等利用CFD對(duì)強(qiáng)制通風(fēng)豬舍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出不同通風(fēng)率下，小豬所在位置的風(fēng)速。我國(guó)氣候有3大特點(diǎn)：顯著的季風(fēng)特色、明顯的大陸性氣候和多樣的氣候類型。所以，大部分地區(qū)冬冷夏熱，我國(guó)的連棟溫室在夏季高溫季節(jié)大多數(shù)采用機(jī)械通風(fēng)降溫系統(tǒng)，溫室制造商對(duì)商業(yè)溫室內(nèi)部環(huán)境信息的需求也越來(lái)越多，但國(guó)內(nèi)這方面的研究卻剛剛起步。
    利用CFD模擬溫室內(nèi)部氣候環(huán)境才剛剛起步，這需要更多的時(shí)間來(lái)關(guān)注。未來(lái)新的硬件和軟件將會(huì)使利用更加復(fù)雜，需進(jìn)行大模型的模擬。然而，此時(shí)對(duì)模擬結(jié)果的驗(yàn)證卻相應(yīng)地變少了，尤其是對(duì)大型的商業(yè)溫室來(lái)說(shuō),不能夠被按比例縮小來(lái)進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)再和CFD的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。研究人員利用實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)獲得溫室內(nèi)部的氣候信息，包括PIV、熱球式風(fēng)速儀、激光-多普勒風(fēng)速計(jì)、二氧化碳傳感器、熱電偶、輻照計(jì)、溫濕度自動(dòng)記錄儀、數(shù)據(jù)采集儀、氣象站以及其他專用儀器都能用來(lái)測(cè)量氣候變量。通過(guò)CFD 在參數(shù)方面的研究和應(yīng)用，將會(huì)給溫室設(shè)計(jì)、操作和控制方面帶來(lái)革命性的改變。更進(jìn)一步就是將CFD 模型數(shù)據(jù)插入智能溫室的控制系統(tǒng)中，來(lái)改善其對(duì)溫室環(huán)境的反應(yīng)，從而來(lái)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的風(fēng)速，遮光和溫度。