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温室番茄对不同通风模式的响应及CFD环境模拟研究

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通风对日光温室内环境、作物生长发育有重要影响,研究温室不同通风方式对作物不同生育期的影响,并确定科学的通风调控策略,对提高作物产量和品质意义重大。本试验于2021年3月~7月在中国农科院新乡综合试验基地进行,通过开启温室不同位置通风口,设置3种不同通风处理(T1:同时开启顶部、北侧通风口;T2:同时开启顶部、北侧和南侧通风口;T3:同时开启北侧、南侧通风口),并根据作物生长状态划分4个生育期。分析了不同自然通风方式对室内气象环境、作物生长生理、作物耗水规律、产量和水分利用效率(WUE)的影响,并利用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)方法对不同通风(包括不同风速和风向)条件下,室内环境分布规律进行了数值模拟,主要结论如下: (1)不同自然通风方式对日光温室内部环境有显著影响,全生育期各处理室内空气温度呈逐渐上升趋势,湿度呈逐渐下降趋势,相同天气下T2处理室内空气温度和相对湿度均明显较低,降温除湿效果显著。全生育期各处理土壤表面温度逐渐上升,生育初期T1和T3处理内土壤表面温度较高,有利于幼苗成活和发育,生育后期T2内土壤温度较低,有利于防止番茄植株早衰。全生育期T1、T3处理内风速变化平缓,而T2处理内风速明显较高,起伏较大。 (2)全生育期内番茄株高、叶面积指数均呈“先增大后减小”变化,其中,株高表现为T3>T1>T2,叶面积指数生育中期之前表现为T1>T3>T2,进入生育中期后表现为T2>T3>T1。不同生育阶段气孔导度先升高后降低,日变化呈单峰曲线,表现为T2>T1>T3。典型天气下,T2处理植株茎流明显高于T1和T3处理。 (3)T1、T2和T3处理总耗水量分别为307.8、305.2、306.5mm,各温室不同生育阶段耗水量由大到小均为:生育中期>快速生长期>生育后期>生育初期,T2内番茄产量和WUE均最高,T1内番茄产量和WUE均最低,各处理的灌溉水补偿率都在85%以上。 (4)选择合适的模型和边界条件,建立日光温室CFD模型,并利用典型天气条件下实测值对CFD模型准确性进行验证,结果表明,模拟结果与实际值偏差较小。利用建立的CFD模型模拟不同通风方式下番茄不同生育期室内环境分布,结果表明,生育初期T1和T3处理内空气温、湿度和土壤温度较高,有利于番茄幼苗成活和发育,而同期T2处理室内温、湿度较低,不适合番茄幼苗期的生长发育。生育中期和后期T2处理通风方式降温除湿效果显著,有利于防止温室内温度过高导致的作物早衰,同期T1和T3处理内温、湿度较高,不利于番茄的生长发育。 (5)利用建立的CFD模型模拟室外不同风速风向条件下室内环境分布,结果表明,室外风速增大时,有利于室内更好地降温除湿,但室外风速过大时,会导致进入温室的气流沿覆盖层直接向顶部通风口运动,使降温除湿效果增强不显著。室外不同风向会造成室内风速场的显著差别,但降温除湿效果差别不显著。 (6)综合考虑温室内实际气象环境变化、番茄生长发育、产量、水分利用效率和CFD模拟结果,生育初期采用T3处理通风模式,室内温湿度更适合番茄苗期生长,快速生长期采用T1处理通风模式,更适合温室番茄叶面积展开,生育中期和后期采用T2处理通风模式,更有利于防止番茄早衰,提高产量和水分利用效率。

薄国魁

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温室番茄 通风模式 CFD环境模拟

硕士

土木水利

刘增进、龚雪文

2023

华北水利水电大学

中文

S6