日光温室动态热湿环境作用下土壤-空气换热器热湿传递规律及数理模型研究

This project aimming at thermal physical problems which is nonlinear and multi-physical fields coupled and implicated in the heat and humidity transfer mechanism of Earth-Air-Heat-Exchanger in the dynamic thermal and humidity environment in sunlight-greenhouse, from the experiment, the theory analysis and numerical simulation to research the complex law and mechanism of heat and moisture exchange in coupling between the distribution of temperature and humidity. Through the study of moist air by experimental and theoretical analysis, acquiring the law of transfer of heat and moisture in the pipe of heat exchanger along the direction of length; revealing the law and mechanism of heat and moisture transfer which temperature gradient & humidity gradient synergy effection gain and weaken in the soil which has heat source and intersection;discovering the law and mechanism of heat and moistuer transfer under the complex effects of heat conduction, convection and radiation; establishing mathematical model of Earth-Air-Heat-Exchanger that is multidimensional and multi field coupling based on experimental determination and the principle, and carry out its simulation study of transient response characteristics by the model, analysis the effects of internal temperature and humidity field caused by different operating and structural parameters. In the experiment, carried out a transient thermal response test of Earth-Air-Heat-Exchanger that is full size. Accumulate relevant test data for mechanism research and further improve or perfect mathematical model. And the result provides theoretical basis and scientific basis for design and optimization of Earth-Air-Heat-Exchanger, with important pragmatic value and scientific significance.

本项目针对日光温室动态热湿环境作用下，土壤-空气换热器热湿传递过程所蕴含的非线性和多物理场耦合的热物理问题，从试验、理论分析和数值仿真三方面来研究换热器温度场与湿度场耦合作用下复杂的热湿交换规律和机理。通过试验研究和理论分析，认识湿空气在换热管中沿长度方向的热湿迁移规律；揭示有内热源或热汇的土壤中，土壤温度梯度和湿度梯度协同作用下热湿传递相互削弱或增益的机理；探究土壤表面在辐射、对流、导热等复杂作用下的热湿传输机理。基于试验测定和机理认识，建立多维度、多场耦合的土壤-空气换热器数理模型，并利用模型开展瞬态响应特性的仿真研究，分析不同操作参数和结构参数对换热器温度场和湿度场分布的影响。在实验方面，开展全尺度土壤-空气换热器瞬态热湿响应特性的试验测定，为机理研究及进一步改进和完善数理模型积累相关试验数据。研究结果可为土壤-空气换热器设计和优化提供理论基础和科学依据，具有重要的实用价值和科学意义

日光温室以简易、经济、节能的特点，成为我国北方农业和农村经济的支柱产业，但对日光温室内温湿度环境因子调控不完善，制约了日光温室的可持续发展。土壤—空气换热系统以浅层土壤作为蓄热体，能实现日光温室内能量的“日存夜用、晴存阴用”，但土壤—空气换热器热湿传递过程蕴含的非线性和多物理场耦合的热物理问题，至今未得到完全解决。.本项目对具有浅埋土壤—空气换热器的日光温室内空气温湿度、地表面温度、地表附近空气温湿度及空气流速、地表接受的总辐射及净辐射、换热管中空气温湿度和流速、换热管周围温湿度场和土壤热通量等参数，进行了全年、多工况、全尺度试验研究。.在试验研究的基础上，分析了不同热湿空气温湿度沿换热管长度方向的变化规律，认识了换热管内湿空气的热湿迁移规律，得到了换热器出口空气温度与入口空气温度、相对湿度、换热管管长、管内空气平均流速的关系式。分析了土壤—空气换热器周围土壤的三维温湿度场的温湿度梯度大小和方向，揭示了温度梯度和湿度梯度相互消减和增益的规律和机理，得到了土壤温度和管内空气温度、土壤到换热管中心的水平距离、管内空气平均流速的关系式和土壤温度与湿度、换热长度及空气进出口温差关系式，建立了柱坐标系下，土壤温湿度场的控制方程，优选了离散格式和计算方法。分析了影响土壤表面热湿传递各因素之间的相互作用机理，探究了土壤表面的热湿交换规律。.将基于机理认识的换热器周围土壤三维热湿耦合模型、换热管内空气热湿交换的控制方程式、日光温室内空气热湿交换的控制方程耦合，利用土壤表面导热、空气对流和热辐射等复杂作用下地表和室内空气热湿交换的动态边界条件，建立了日光温室动态热湿作用下土壤—空气换热器的瞬态数学模型。.编制程序，对土壤—空气换热器进行数值模拟和优化，验证了无量纲优化设计计算公式。在试验研究方法、基础理论研究及应用方面有创新。研究成果丰富了土壤—空气换热器的基础理论，具有重要的科学意义和应用价值。