【研究单位】山东农业大学水利土木工程学院、园艺科学与工程学院
【课题来源】国家自然科学基金、山东省自然科学基金
【研究成果】
通风降温是棚室夏季或高温季节环境调控的重要方面，是设施结构越夏生产必须要面对和解决的产业难题。目前，CFD因其低成本高效且不受时空约束的优势被广泛应用于温室的通风与微气候研究，其中模拟结果是否可靠在很大程度上取决于计算中采用的边界条件与输入参数。作物的存在会阻碍空气流动，进而影响温室的自然通风，而在目前的众多研究中仍将作物对气流的影响忽视或者考虑的较为粗略，另一方面，以往对作物气动特性的表征多基于实验室环境，与真实的棚室环境存在明显差别，不能简单的以实验室环境表征的参数作为替代。因此，为明晰温室与作物的互作机制以及室内的风温特性，原位精确表征作物的气动阻力特性具有重要意义。
本文研制了一种适于番茄植株气动特性原位测试的便携快装直流式风洞装置和相应的测试方法。该装置可移至拱棚中进行测试，具备便携性，且可在现场快速组装。该装置结构经过CFD辅助设计优化（依托学校超算平台开展）及流场质量实测校验，可为原位测试提供较好的风场环境，满足测试需求。
图1 便携快装直流风洞：（a）3D模型，（b）设备安装现场，（c）设备结构参数（单位：mm）。
本文建立了不同生长阶段设施番茄植株的气动特性模型，进一步阐明了植株高度方向上惯性阻力系数的变化规律，为CFD模拟分析中的关键参数选择提供了参考依据。
图2 植物分阶段气动特性模型：（a）0.8 m，（b）1.2 m，（c）1.5 m，（d）惯性阻力系数。
基于现场试验与气动特性模型，本文依托学校超算平台对种植番茄的大跨度拱棚进行了多场耦合仿真。结果表明，随着植物生长，室内通风和降温效果逐渐减弱。去除老叶后，气流模式由单通道转变为双通道流动模式，作物区底部气流的平均风速达到0.36 m/s，高温区域温度下降至35 °C以下，验证了打叶子对改善棚内通风降温、提高作物品质是非常有效的农艺措施。
图3 农艺管理措施与微气候的变化
【平台使用】
本研究的风洞优化与温室微气候模拟两类大规模CFD计算均在山东农业大学高性能计算平台（SDAU-HPC）上完成，超算平台在大规模网格承载、多工况并行计算、复杂耦合场求解等方面具备显著优势，为本研究的高精度、系统性分析提供了关键算力支撑。具体体现在：
在风机流场仿真方面，实际研究过程中需要反复比较不同网格密度、风机转速、整流结构以及结构参数组合。若主要依靠个人计算机串行或少核计算，各方案需依次完成，网格无关性验证和结构优化所需的累计计算时间较长。利用超算平台的多核并行计算能力，可以同时提高单个工况的求解速度，并通过多节点或批处理方式并行开展多个方案计算，使风机结构优化过程更加高效。
在温室环境数值模拟方面，模型计算域较大，采用百万级非结构网格，并同时考虑自然通风、湍流、浮力、能量传递、太阳辐射以及作物多孔介质阻力等过程。由于该模型采用非稳态求解，每个工况需要连续计算大量时间步，同时还需比较不同作物生长阶段、通风方式和环境条件，整体计算量较大。使用超算平台可以显著提高并行求解效率，并支持多工况批量计算，相比个人计算机更适合开展网格无关性分析、参数对比和温室环境优化模拟。
【论文】
Lin B, Song H R, Liu G Y, Qi Z H, Guan R H, Wei M, Zhang G S, Jia Y Y, Wang S J. In-situ testing and analysis of aerodynamic characteristics of tomato plants in large-span arched greenhouse[J]. Computers and Electronics in Agriculture. 2025, 230: 109891.