利用OpenFOAM对热带番茄温室中的自然通风和热分层现象进行CFD模拟，以评估作物的存在情况及其蒸散作用 作者：Luis Humberto Martínez Palmeth、Nadia Brigitte Sanabria Méndez、Marlio Bedoya Cardoso、María Angélica González Carmona 和 Paula Andrea Cuervo Velásquez

《Eng》：CFD Evaluation of Crop Presence and Evapotranspiration on Natural Ventilation and Thermal Stratification in a Tropical Tomato Greenhouse (OpenFOAM) Luis Humberto Martínez Palmeth, Nadia Brigitte Sanabria Méndez, Marlio Bedoya Cardoso, María Angélica González Carmona and Paula Andrea Cuervo Velásquez

　　摘要：本研究采用了计算流体动力学（CFD）和雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）k-ω剪切应力传输（SST）模型，来评估作物存在和蒸散作用对自然通风的热带番茄温室内的气流和温度分层的影响。模拟了三种配置：SP-SC-R（无植物—无作物热负荷—辐射）、CP-SC-R（有植物—无作物热负荷—辐射）以及CP-CC-R（有植物—作物热负荷（233.68 W·m?2）—辐射）。网格独立性分析显示数值不确定性分别为1.58%（速度）和1 × 10?6（温度）。植被使冠层空气速度降低了55%（从4 m·s?1降至低于2 m·s?1）。蒸散作用增强了浮力驱动的混合，使得温度梯度减少了最多1.5 °C，但在所有情况下，4.5米以上的温度分层仍然存在（垂直梯度为0.31–0.42 °C·m?1；最高屋顶温度为37.95 °C）。极端风速（大于20 m·s?1）出现在背风侧，但位于主要植被之上。在热带条件下，仅依靠自然通风不足以满足番茄种植的需求。实际建议包括增加屋顶通风面积、安装防风挡板以及采用混合通风系统。未来的工作应使用非稳态RANS/大涡模拟（LES）、基于叶面积密度（LAI）的多孔介质模型，并进行实地验证。本研究表明，在温暖气候下，将作物几何形态和蒸散作用结合起来对温室CFD建模至关重要。

1. 引言
温室保护农业在全球范围内得到广泛应用，其结构配置根据气候、材料和技术水平而有所不同[1]。在哥伦比亚，温室种植扩展到了萨巴纳德波哥大和里奥内格罗等地区；然而，在热带和半干旱地区，过高的白天气温是一个主要挑战[2]。大多数国家温室结构最初是为凉爽气候设计的，目的是在低风速条件下保持热量，未能充分应对温暖环境中的高热负荷[3]；适应性设计限定了通风面积，屋顶开口面积小于3%，导致无法实现最低的空气交换率0.04 m3·s?1·m?2，从而导致不利于番茄等作物生长的内部温度峰值[4]。因此，自然通风的温室需要优化气流，以减轻极端温度、太阳辐射和湿度的影响，同时保持适合作物生长的条件[5]。计算流体动力学（CFD）已成为分析温室微气候和指导结构优化的关键工具。以往的研究将作物冠层建模为多孔介质或简化几何形状，以估算阻力及其对通风的影响[6,7]。这些方法促进了各种类型温室的3D模型的发展[8,9]。最近的进展包括通过用户定义函数（UDFs）将CFD与作物生理过程（如蒸腾作用和光合作用）相结合，以提高预测精度[10,11]，以及利用CFD进行设计优化[12]。尽管取得了这些进展，但现有研究仍存在两个关键限制。首先，作物表示通常被简化，其空气动力学影响有时被低估，可能会导致气流均匀性预测过高。其次，许多CFD研究忽略了蒸散作用引起的热量通量，尽管在温暖气候中它是能量平衡的主要组成部分，并显著影响冠层内的浮力对流。从物理上讲，蒸散作用代表了土壤表面（蒸发）和植物组织（蒸腾）的水分蒸发过程。这一过程通过将净太阳辐射分为显热（H）和潜热（λE）来发挥重要的温度调节作用。在热带环境中，潜热交换可占能量平衡的60–80%[13]。在CFD模拟中忽略这一相变能量吸收会导致空气温度显著高估，无法捕捉到影响浮力对流和气流模式的湿度变化。因此，纳入蒸散作用的热量通量对于真实模拟温暖条件下的温室微气候至关重要。正如近期综述所强调的[14]，结合作物几何形态和生理行为对于获得真实的诊断结果和避免关于通风效率的误导结论至关重要。

在此背景下，本研究旨在通过分析番茄冠层的空气动力学阻力和蒸散作用产生的热负荷如何改变关键热带条件下的通风模式和温度分层，填补这一方法学空白。具体而言，我们：(i) 使用CFD评估气流和温度场；(ii) 量化作物存在的影响；(iii) 评估蒸散作用驱动的热量通量的贡献。这种CFD方法的主要创新在于同时考虑了作物的几何阻力和其蒸散作用驱动的热量通量，这在热带温室研究中很少同时进行。在本研究中，使用了开源CFD平台OpenFOAM和buoyantSimpleFoam求解器，该求解器能够耦合热力和流体流动以处理浮力驱动问题。这使得作物蒸散负荷可以作为体积热源直接与k-ω剪切应力传输（SST）湍流模型相互作用[7,8,12]。以往的温室CFD研究使用OpenFOAM来模拟阻力、作物空气动力阻力或显热[5,8,15,16]，但很少有研究在热带条件下同时考虑这两者。因此，当前方法能够捕捉作物热贡献如何改变通风和温度分层。

2. 材料与方法
2.1. 研究区域和气候特征
温室位于哥伦比亚乌伊拉省帕莱尔莫市的南哥伦比亚大学实验农场（坐标：2°53′9.44″ N, 75°18′28.20″ W；海拔：464 m.a.s.l.）。最低和最高温度数据来自水资源、气象和环境研究研究所（IDEAM）管理的El Juncal气候站。由于该站不记录风速数据，这些数据来自内瓦的Benito Salas机场站。使用了2010年至2021年的记录来确定输入计算模型的临界值。最高温度取自分析期间的月平均值（36.23 °C）。同一时期记录的最低年平均风速为4.6 m·s?1。最大瞬时辐照度达到5000 W·m?2。选择这些条件是为了代表温室设计中最极端的气候情景。需要注意的是，这种最高太阳辐射、平均最高温度和最低风速的组合并不对应于任何一次历史上的同步极端事件，而是一种保守的设计情景，旨在评估温室在最大热应力条件下的性能。作物产生的热量通量是根据Thornthwaite方法从参考蒸散量（ETo）确定的。对于处于生长中期的番茄植物，采用了1.2的作物系数（Kc）[17]。作物蒸散量（ETc）转换为W·m?2的热负荷。最关键的月份是九月，其蒸散率为6.871 mm·day?1，对应的作物热负荷为233.68 W·m?2。

2.2. 温室设计与CAD建模
所提出的温室由两个跨度组成，每个跨度宽10米、长12米，总面积为120平方米，最高高度为4.5米，屋顶呈半圆形，高度为2米。每个跨度都有一个1.25米高的屋顶通风口（图1a）。该结构配备了一个自动通风系统，包括两个旋转风扇和一个24英寸的排风扇。温室总体积为780立方米。为了数值研究，使用FreeCAD（一个开源参数化3D建模工具）创建了两个计算机辅助设计（CAD）模型，FreeCAD能够处理有限体积域。一个模型代表无植物的温室（空温室（图1b）），另一个模型则包含了处于生产阶段的番茄植物（有植物（图2b））。

2.3. 作物建模
为了降低计算成本，番茄植物用简化几何形状表示，如圆锥体和圆柱体（见图2b）。这种方法在文献中很常见；例如，Hou等人[18]指出，简化形状可以再现与实际作物结构相同的阻力系数（CD）。因此，使用了圆锥形几何形状来表示植物冠层（CD = 0.26），这与Molina等人[6]报告的番茄作物的实验值0.25 ± 0.05一致。装有生长基质的塑料袋（15升）被表示为圆柱体（表1）。根据文献，番茄植物的高度从生长初期的0.5米增加到生产阶段的2.0米以上[19]。本研究中使用了1.5米的平均高度。种植面积为91.8平方米，每株植物间距为0.3米，行间距为1.0米，相当于每平方米3.3株植物的密度（图2b）。

2.4. 通风流量和通风口面积估算
所需的通风流量（Qv）假设每分钟空气更新一次，即780 m3·min?1。根据Castilla[20]的说法，在夏季，温室的空气交换率应介于每小时30至60次之间，相当于每分钟0.5–1.0次更新。对于横向通风，美国供暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）[21]建议估算通风流量为：
Q = (V × Av × Cv) / (π × d2)
其中Q是通风流量（m3·s?1），Cv是开口的有效系数（垂直风为0.5–0.6，对角风为0.25–0.35），Av是进气口的自由面积（m2），V是风速（m·s?1）。鉴于研究地点的气候条件，采用了4.6 m·s?1的临界风速和0.25的窗口有效性值，从而得出理论通风口面积为11.3 m2。然而，为了确保在设计条件下有足够的空气更新，评估了较大的总有效通风口面积40.25 m2。这种配置包括3.0米×10.0米的侧通风口和1.25米×10.0米的屋顶通风口。选择这个较大面积是因为在热带地区需要实现25%至30%的通风表面积与地面面积比，正如Villagran和Bojacá[4]所推荐的。这种设计确保了大约每分钟3.5次的空气更新率，远高于缓解高热负荷和防止有害热量积聚所需的最低阈值。

2.5. CFD配置和边界条件
CFD模型使用FreeCAD V1.0和Cfdof插件开发。该工作台集成了解决OpenFOAM V2212求解器，并使用ParaView V5.10.1进行处理，其方法与Ardila等人[15]的方法类似。图3a显示了为模型定义的边界条件。风从迎风侧窗口以垂直速度进入。背风侧窗口被模拟为出口开口。屋顶通风口被模拟为压力出口。温室屋顶被定义为由于太阳辐射而产生的热源，而植物被视为额外的热源，对应于蒸散负荷。其余墙壁被模拟为无滑移、绝热边界，温度保持恒定。

3. 模拟结果
模拟了三种配置：
C1—无植物—无作物热负荷—辐射（SP-SC-R）：无植物的温室，有太阳辐射和自然通风。
C2—有植物—无作物热负荷—辐射（CP-SC-R）：有植物的温室，有太阳辐射和自然通风（无作物热负荷）。
C3—有植物—作物热负荷—辐射（CP-CC-R）：有植物的温室，有太阳辐射、作物热负荷和自然通风。
在所有情况下，应用了以下边界条件：进口速度 = 4.6 m·s?1，初始温度 = 36.23 °C，屋顶上的太阳辐射 = 5000 W·m?2。在OpenFOAM中，屋顶热负荷通过externalWallHeatFluxTemperature（通量模式）作为规定的表面热通量实现，其净值来自气候数据。作物蒸散负荷作为显式体积源项通过scalarSemiImplicitSource在能量方程中引入，反映了其在冠层中的分布特性。对于植物而言，使用壁面边界条件在物理上是不合适的。这种方法确保了与buoyantSimpleFoam求解器的热力学一致性，并将作物蒸散负荷（233.68 W·m?2）作为均匀表面热通量边界条件应用于代表植物的圆锥形表面。从栽培区域获得的总热功率均匀分布到所有圆锥体的总外表面面积上，从而在每个圆锥体上产生了恒定的热流（W·m?2）。因此，能量是通过植物表面进入系统的，而不是作为体积源进入的。2.6. 物理和湍流模型模拟是在稳态下进行的，使用的是buoyantSimpleFoam和单相可压缩空气模型。由于Reynolds-Averaged Navier–Stokes（RANS）k-ω SST湍流模型在 buoyancy-driven的室内和农业应用中表现良好[7,10]，因此选择了这个模型。动量对流采用二阶离散化方法，而湍流量和焓则使用有界的一阶方案处理。梯度是使用单元限制线性方法来计算的，拉普拉斯项通过限制高斯运算符来稳定，以解决局部网格非正交性问题。采用稳态方法是因为在没有太阳输入、通风口运动或风力驱动的快速变化的情况下，温室内的气流通常会演变为准稳态条件。特征流动时间尺度（1–10秒）显著短于作物冠层的热响应时间，因此不需要瞬态分辨率。以前的自然通风温室的CFD研究表明，稳态RANS建模能够充分捕捉平均气流模式、通风率和热梯度[5,7,8,22,23]。尽管流动是低马赫数的，但仍保留了可压缩公式，因为浮力是由能量方程预测的密度变化引起的。在整个域内，马赫数始终低于0.02，这证实没有引入可压缩性伪影。2.7. 数值方法、网格灵敏度和收敛性分析稳态模拟是使用buoyantSimpleFoam求解器进行的。数值设置包括离散化方案、求解算法和收敛标准，在表2中进行了总结。网格质量已经过验证，最大长宽比为6.435，平均非正交性为0.984，最大偏度为1.061，都在CFD分析的可接受范围内[16,24,25]。表2. 数值设置和参数概要。使用六种特征元素尺寸（500毫米、100毫米、80毫米、70毫米、65毫米和50毫米）进行了网格独立性研究。最终选择了大约200万个单元的网格（对应于70毫米的分辨率），在精确度和计算成本之间取得了平衡。网格收敛性是使用Grid Convergence Index（GCI）方法在三个逐步细化的网格上量化的[25]。对于速度，细网格（70毫米）的GCI为1.58%，我们将其作为代表性的数值不确定性。对于温度，细网格的GCI低于1 × 10?6，表明收敛是渐近的。GCI分析是在两个细化序列上进行的。对于温度变量，序列70毫米–65毫米–50毫米（粗–中–细）产生的细化比为r21 = 1.296和r32 = 1.073，在细网格上观察到的GCI低于1 × 10?6，表明温度场达到了渐近饱和。对于速度，最佳表现的序列是100毫米–70毫米–50毫米（粗–中–细），细化比为r21 = 1.391和r32 = 1.430，细网格上的GCI为1.58%。基于这个速度驱动的标准，选择了70毫米网格（大约200万个单元）作为所有模拟的计算网格。通过监测所有解决变量的缩放残差（p、U、h、k、ω） fell below 1 × 10?3，以及跟踪关键物理量（例如，在选定监测点的平均温度和速度）的演变直到它们达到稳定值，确认了稳态模拟的收敛性。2.8. 数值配置和评估平面执行了三种主要计算配置C1、C2和C3。从温室内部战略性地布置的几个平面上提取了速度和温度结果。纵向平面位于X = ?2.5米、X = 0米和X = 2.5米，而横向平面位于Y = 3米、Y = 6米和Y = 9米（图4）。这些平面的交点提供了九个用于比较三种情况的定量评估位置。图4. 数值数据采样的平面和位置。3. 结果 3.1. 气流和温度分布的定性分析为了实现本研究评估微气候和识别生物因素作用的目标，本节提供了气流和温度场的定性比较（目标i），同时说明了作物存在（目标ii）和蒸发蒸腾（目标iii）引入的视觉差异。图5展示了三种配置的总体模拟结果。左侧显示了温度分布和流线，右侧显示了气流模式和风速大小。从上到下，分别显示了SP-SC-R、CP-SC-R和CP-CC-R模拟。图5. 三种提出模型中温室内的温度和气流流线。从上到下：SP-SC-R、CP-SC-R和CP-CC-R模拟。左侧是温度结果，右侧是风速。将植物包含在计算域内显著影响了气流分布。在SP-SC-R配置中，流动模式几乎是层流的，大部分体积内的温度分布均匀。只有轻微的湍流和由于太阳辐射吸收而在屋顶附近局部的温度升高现象。在CP-SC-R配置中，引入了植物冠层，产生了更真实的气流行为。气流被植物偏转，在上层区域产生了更多的湍流，促进了温度均匀化并防止了空气滞留。屋顶区域的温度较高，因为辐射在两个跨度上重新分布，而不是像在SP-SC-R情况下那样集中在屋顶顶点。另一个显著的差异是，在CP-SC-R模拟中，两个屋顶通风口都变得活跃，而在SP-SC-R中，左侧通风口的流出可以忽略不计。当包括作物的热负荷（CP-CC-R配置）时，冠层内的整体温度保持相似，但在上部区域（高于4.5米）发生了局部升高。这种效应可以归因于来自加热植物的浮力空气迅速上升，增强了对流运动并防止了作物层面的过热。CP-SC-R和CP-CC-R配置之间的气流流线在质量上是相似的，这证实了蒸发蒸腾主要影响流动的热特性，而不是动力特性。总体而言，这些视觉结果表明植被作为多孔介质，改变了气流结构，产生了额外的湍流，并促进了垂直对流交换。3.2. 温度剖面的定量分析为了实现目标（ii）和（iii），即量化植被及其热流的具体影响，本节对温度剖面进行了垂直分析，以确定作物存在和蒸发蒸腾驱动的浮力如何改变热环境。沿三个纵向（X = ?2.5, 0, 2.5米）和三个横向（Y = 3, 6, 9米）平面的交叉点（图4）评估了温度剖面。图6显示了三种配置从地面到屋顶的垂直温度变化。图6. 在温室内部，横向平面Y = 6米与三个纵向平面（a）X = 0米；（b）X = 2.5米；（c）X = ?2.5米）相交处的高度温度对比。在中央纵向平面（X = 0米），温度显示出明显的分层。在SP-SC-R和CP-SC-R情况下，垂直分布几乎相同，直到4米高度都略低于CP-CC-R的分布。在这个高度以上，由于空气循环减少，温度急剧上升，导致热量在屋顶附近积聚。在CP-CC-R配置中，蒸发蒸腾负荷略微提高了冠层温度，但同时增强了向上对流，减少了分层强度。在右侧平面（X = 2.5米），CP-CC-R在作物区域（0.5–2米高度）的温度高于其他两种情况，差异高达1.5°C。在4米以上，由于滞留区和上升的暖空气，SP-SC-R和CP-CC-R的温度急剧上升。相反，在X = ?2.5米处，CP-SC-R在冠层内的温度较高，表明蒸发蒸腾在温室的第二跨度中起到了热稳定器的作用。在所有平面上，4.5米以上都明显存在热分层，证实了自然对流本身无法有效地从上部区域去除热量。最后，热分布的空间分析显示，包含蒸发蒸腾热流导致冠层温度升高。具体来说，在X = 2.5米平面上，平均温度升高了0.93°C，与无热负荷配置（CP-SC-R）相比，最大温差为1.3°C。在中央部分（X = 0米），平均增量为0.81°C，最大值为1.0°C，而在背风平面（X = ?2.5米），平均温度升高了0.64°C，峰值达到1.1°C。这些定量结果强调了作物的代谢热是微气候预测准确性的决定性因素，因为忽略它会导致对热带温室实际热负荷的低估。3.3. 速度剖面的定量分析为了进一步实现目标（ii）关于冠层的空气动力学影响和目标（iii）关于热调节引起的动态变化，以下分析量化了温室不同部分的风速变化和阻力效应。图7展示了沿相同九个空间位置的垂直速度剖面。植物的存在显著改变了空气流动。在SP-SC-R模型中，作物区域（0.5–2米）内的速度达到了大约4 m·s?1，而在CP-SC-R和CP-CC-R中则降至2 m·s?1以下，这与植被冠层的阻力效应一致。图7. 在温室内部，横向平面Y = 6米与三个纵向平面（a）X = 0米；（b）X = 2.5米；（c）X = ?2.5米相交处的高度速度对比。在中央纵向平面（X = 0米），SP-SC-R显示出最高的近地面速度（约4 m·s?1）。相比之下，CP-SC-R和CP-CC-R的情况由于冠层的流动阻碍而显示出较低的值。在2到3.5米之间，CP-SC-R配置显示出比CP-CC-R更高的平均速度，这归因于动量方程中的浮力项（由作物的蒸发蒸腾热源激活）重新分配了平均流动能量。然而，应该注意的是，稳态RANS提供的是时间平均的浮力效应，并不解析瞬时波动；观察到的趋势表明在规定的恒定热负荷下平均场发生了持续的变化。在右侧平面（X = 2.5米），CP-SC-R和CP-CC-R在2.5到5米之间显示出增强的速度，这是由于作物减少了流动面积。CP-SC-R产生了略高的值，这归因于缺乏浮力热流。在5米以上的高度（靠近屋顶出口），CP-SC-R模型显示出最均匀的流动，有利于通过屋顶通风口排出热空气。在背风平面（X = ?2.5米），位于出口部分，SP-SC-R和CP-CC-R达到了中等出口速度（约4 m·s?1），而CP-SC-R由于通道化流动和有限的浮力释放产生了更高的峰值（高达14 m·s?1）。在5米以上，配置之间的速度差异变得可以忽略不计。此外，比较有无植物的速度剖面发现，在植物冠层占据的区域（0.5–2.0米）内，流动幅度平均减少了55%。这种速度衰减在背风平面（X = ?2.5米）尤为明显，那里植被的空气动力阻力显著限制了空气的动能。这些结果表明，包含作物促进了湍流混合，但也可能在通风口产生了局部加速区域。3.4. 温度的空间分布为了满足评估温度场（目标i）和评估潜热通量贡献（目标iii）的要求，本节检查了热的空间分布，以确定综合方法如何捕获局部分层和冷却区域。图8比较了三种配置的空间温度分布。在SP-SC-R中，两个温室跨度展示了明显不同的温度模式。在入口跨度内，温度几乎保持恒定，直到3.5米的高度，随后出现明显的分层现象，靠近屋顶处的温度达到37.85°C的最大值。在出口跨度内，温度上升较为平缓，在4.5米处达到36.8°C。这种行为反映了垂直混合较弱以及靠近天花板处的热量积累。在CP-SC-R配置中，植被显著减少了热分层现象。左侧跨度（X = 2.5米）的温度几乎均匀（35.8°C至36.3°C），因为植物冠层促进了向上的空气混合。右侧跨度（X = ?2.5米）的温度分布更加不均匀，中央平面（Y = 6米）的温度较高，表明存在局部停滞区域。CP-CC-R配置表现出最平衡的温度变化。在底部（0.5–1.5米）附近，由于吸收的辐射和作物散发的热量，温度保持在36.9°C左右。在中间区域（2米至4米），由于蒸散作用引起的对流，温度略有下降。然而，在4.5米以上，温度再次上升，达到37.95°C的最大值，这证实了上层的热量积累。图8显示了三种评估模型在Y = 0米、Y = 6米和Y = 9米的横截面以及X = 2.5米和X = ?2.5米的纵截面上的温度分布。子图代表：(a,b) SP-SC-R；(c,d) CP-SC-R；以及(e,f) CP-CC-R。热分层强度（TSI）和垂直温度梯度提供了观察到的模式的定量测量。在没有植物的模型（SP-SC-R）中，平均TSI为1.42°C（最大3.17°C），中央平面（X = 0）在4.5米到5.5米之间的垂直梯度为0.42°C·m?1。加入植物冠层但未考虑蒸散作用（CP-SC-R）后，平均TSI增加到1.63°C（峰值4.4°C），梯度略微减小至0.38°C·m?1，表明空气动力障碍将热量困在上层。当加入蒸散作用（CP-CC-R）时，平均TSI显著下降至0.49°C（最大2.78°C），梯度进一步减小至0.31°C·m?1，证实了浮力驱动的混合作用可以缓解分层现象。在所有测量平面上，4.5–5.5米层内的垂直梯度在SP-SC-R中为?1.00至2.50°C·m?1，在CP-SC-R中为?0.90至4.30°C·m?1，在CP-CC-R中为?0.90至1.50°C·m?1。尽管蒸散作用一致减少了热分层的强度和空间变异性，但在所有配置中仍然存在正向梯度，表明在评估的热带设计条件下，自然通风无法完全消除热量积累。这些发现强调了温室几何形状、方向和通风面积对热量分布的影响，并强调了需要补充通风机制来防止局部过热。

3.5. 速度的空间分布
在完成气流场评估（目标i）和作物影响量化（目标ii）后，本节分析了速度的空间分布，以识别通道效应以及番茄冠层在关键条件下对通风模式的整体影响。图9显示了所有配置下温室内的垂直速度剖面。图9展示了三种评估模型在Y = 3米、Y = 6米和Y = 9米的横截面以及X = 2.5米和X = ?2.5米的纵截面上的风速剖面对比。子图代表：(a,b) SP-SC-R；(c,d) CP-SC-R；以及(e,f) CP-CC-R。在SP-SC-R中，两个跨度内的风速较低且稳定，从3.0米到4.4米的高度范围内为3.0至4.4米·s?1，然后在靠近屋顶处急剧下降（小于1.0米·s?1）。在CP-SC-R中，植被的存在导致了不规则的速度梯度，局部峰值达到9.7米·s?1，并在3.0米到3.5米之间加剧了湍流。右侧跨度（X = ?2.5米）在中央区域（Y = 6米）的最大速度达到18.5米·s?1，显示出由于通道效应引起的强烈垂直加速。在CP-CC-R中，气流更加均匀且适中，速度范围为3至10米·s?1，在中间高度区域略有增加，在靠近屋顶处减小。速度峰值（最高13.5米·s?1）低于CP-SC-R，表明浮力驱动的对流减轻了过度剪切效应。形成了稳定的对流单元，提高了整体通风效率并减少了停滞区域。在所有模型中，中央横截面（Y = 6米）的速度最高，这可能是由于内部几何约束引导了气流。然而，一些模拟中的速度超过了20米·s?1，这对某些作物来说可能过高，可能会导致植物受到机械应力。

4. 讨论
本研究有三个主要目标：(i) 使用计算流体动力学（CFD）评估热带条件下的气流和温度场；(ii) 量化作物存在的影响（空气动力阻力）；(iii) 评估蒸散作用所驱动的热量通量。以下讨论总结了每个目标的相关发现，然后讨论了物理机制、实际意义和局限性。模拟结果显示，空温室（SP-SC-R）产生了不切实际的均匀温度分布和近乎层流的模式，作物区域内的速度达到4米·s?1。一旦加入作物（CP-SC-R），冠层内的平均速度（0.5–2.0米）降低了55%（从4米·s?1降至2米·s?1以下），证实植被作为一个多孔障碍物重新组织了内部气流。加入蒸散作用（CP-CC-R）并没有显著改变平均速度场，但改变了热量分布，减少了垂直温度梯度。作物的空气动力阻力不仅降低了风速，还增加了湍流强度，这一点从k-ω SST模型的湍流动能场中可以推断出来。最显著的效果是热分层的变化：平均热分层强度（TSI）从SP-SC-R的1.42°C增加到CP-SC-R的1.63°C，最大TSI为4.4°C。这种反直觉的增加可以通过物理屏障效应来解释：冠层限制了垂直混合，导致热量在上级（4.5米以上）积聚。中央平面（X = 0, 4.5–5.5米）的垂直温度梯度从SP-SC-R的0.42°C·m?1变为CP-SC-R的0.38°C·m?1，虽然有所减少，但未能弥补较高的TSI峰值。当激活作物的热负荷（233.68 W·m?2）时，出现了一种新的机制：浮力驱动的对流。平均TSI显著下降至0.49°C（最大2.78°C），梯度进一步减小至0.31°C·m?1。然而，冠层内的温度平均上升了0.6–1.3°C（最大差异1.5°C），因为潜热通量向空气中添加了显热。这证实了蒸散作用改善了热混合，但并未消除适当通风的必要性。分层现象是由浮力（热空气上升）和强制对流混合之间的竞争引起的。在空温室中，屋顶接收了5000 W·m?2的太阳辐射，加热了靠近天花板的空气并形成了稳定的温度梯度。植物的存在增加了空气动力阻力，减少了混合，使温暖的屋顶层持续存在。当加入蒸散作用时，作物本身成为热源，产生了向上的浮力羽流，增强了垂直交换。尽管如此，屋顶的几何形状（半圆形且通风面积有限）和低风速（4.6米·s?1）无法克服浮力产生，因此仍存在残余梯度。番茄植株对高温和过强的空气流动都很敏感。观察到的冠层温度（36–37.5°C）超出了光合作用的最佳范围（25–30°C），可能会降低果实结实率和质量[9,19]。垂直梯度（0.3–0.45°C·m?1）意味着冠层的上部（2.5米）可能比下部暖1–1.5°C，可能导致成熟不均匀。此外，2.5米附近的高速度峰值（6–10米·s?1）可能会导致气孔关闭和水分胁迫，进一步降低生产力。因此，结合热应力和机械应力需要采取积极的缓解措施。

基于这些发现，我们提出了以下针对热带温室设计的具体建议：
(1) 增加屋顶通风面积至少达到地面面积的30%，以降低出口速度并增强热量排出，正如[4]中已经建议的那样。
(2) 在背风侧安装防风屏或穿孔挡板，以消散高速气流而不妨碍整体通风。
(3) 考虑使用混合通风方式（例如，低速风扇或排风扇），在风速低或辐射强烈的时期提供背景混合。

必须承认三个主要局限性：
稳态RANS：它无法捕捉到阵风或间歇性热羽流的瞬时变化。因此，在实际波动风况下的通风效率可能会被高估。未来的工作应采用非稳态RANS或大涡模拟（LES）来验证瞬态响应。
简化的作物几何形状：圆锥-圆柱模型可以再现整体阻力系数（CD = 0.26），但无法模拟叶片尺度上的湍流生成。基于叶面积密度（LAI）分布的多孔介质模型可以提供更准确的热量和水分交换预测。
缺乏实验验证：虽然网格独立性研究确保了数值收敛性，但绝对准确性尚未得到确认。需要在相同气候条件下对同一温室内的温度和速度进行现场测量，以校准和验证模型。我们计划在未来的研究中进行此类监测。

讨论表明，真实的热带温室CFD建模必须同时考虑空气动力阻力和蒸散作用引起的浮力。仅依靠自然通风不足以维持番茄栽培的最佳温度；需要混合或机械通风。这里提供的具体设计建议为温暖气候下的工程师和种植者提供了实用的指导。

5. 结论
本研究应用计算流体动力学（CFD）评估了作物存在和蒸散作用对热带条件下番茄温室自然通风和热分层的影响。模拟了三种配置，逐渐考虑了植被的空气动力学和热效应：SP-SC-R（无植物温室）、CP-SC-R（有植物，仅有空气动力阻力）和CP-CC-R（有植物和蒸散热负荷）。根据三个研究目标得出了以下结论：
作物存在对气流的修改：植物的加入将冠层区域（0.5–2米）内的平均速度从大约4米·s?1降低到2米·s?1以下（减少了55%），证实了植物作为多孔介质的作用，增加了湍流并重新组织了气流场。在背风跨度（X = ?2.5米，Y = 6米）观察到了超过20米·s?1的极端风速，但这些峰值主要出现在2.5米以上的高度，即主要叶片区域。
热分层：在所有配置中，4.5米以上仍然存在热分层。垂直温度梯度（4.5–5.5米）从SP-SC-R的0.42°C·m?1降低到CP-SC-R的0.38°C·m?1，再到CP-CC-R的0.31°C·m?1。平均热分层强度（TSI）分别为SP-SC-R的1.42°C、CP-SC-R的1.63°C和CP-CC-R的0.49°C。靠近屋顶处的最高空气温度达到37.95°C，超出了番茄生长的最佳范围（25–30°C）。
蒸散作用的作用：加入作物的热负荷（233.68 W·m?2）产生了浮力驱动的对流运动，增强了垂直混合，使冠层内的温度梯度降低了多达1.5°C。然而，它并未消除4.5米以上持续的分层现象，表明蒸散作用仅在局部重新分配了热量，但不能弥补结构通风的局限性。
基于这些发现，我们为热带温室提出了以下工程设计建议：
(a) 增加屋顶通风面积至少达到地面面积的30%，以降低出口速度；
(b) 在背风侧安装防风屏或穿孔挡板，以消散高速气流；
(c) 采用混合通风方式（自然通风加上低速风扇），在风速低或辐射强烈的时期提供背景混合。

为了克服本研究的局限性，未来的研究应：
(i) 使用非稳态RANS或大涡模拟（LES）来捕捉瞬态阵风和热羽流（解决稳态假设的问题）；
(ii) 使用基于叶面积密度（LAI）分布的多孔介质模型，而不是简化的圆锥模型，以更好地模拟叶片尺度上的湍流；
(iii) 对同一温室内的温度和速度进行现场测量，以校准和验证CFD模型。结合基于物联网的传感器和人工智能控制系统可以进一步提高预测的准确性和实用性。总之，在关键的热带条件下，仅依靠自然通风是不够的；需要混合通风系统。CFD（计算流体动力学）建模必须同时考虑作物几何形状和蒸散过程，才能提供准确的诊断结果。此处提供的设计建议和未来研究方向为改进温暖地区的温室气候管理提供了指引。