基于大跨度拱棚湍流结构演化的棚型优化

大跨度拱棚在园艺设施中应用日益广泛,跨度、高度增加会加大棚内空间,但风温性能与时空演化更为复杂。为探明大跨度拱棚湍流结构演化规律并进行棚型优化,该研究以生产中常用的20 m跨度宜机化拱棚为主要对象,建立融合设施结构与番茄植株气动特征的多场耦合仿真分析模型,并开展示范工程应用。结果表明:大跨度拱棚存在湍流现象,断面涡流多呈双旋涡特征;棚的脊高越低,温度、气流分布均匀性越差,通风效率虽较高但换气率较低;风温分布均匀性会伴随拱棚高度增加变优,但太高时因热压通风演化为主通风方式,风压通风效能会明显下降;针对20 m大跨度拱棚,脊高6.0~6.5 m时构型较优,兼顾经济性、安全性等因素脊高取6.0 m更优。通过示范工程验证了模型的可靠性,为同类园艺设施结构构型优化提供了高效可靠手段。

拱架送/回风方式对日光温室冬季作物冠层区热环境的影响

传统日光温室被动的热环境调控模式难以满足温室作物冠层区空气温度和速度调控需求,且能源利用效率低下。为了改进日光温室热环境精准调控方法和提高温室能源利用效率,该研究结合日光温室围护结构特点,提出了一种日光温室拱架的送/回风方法,并基于温室作物多孔介质模型,建立了拱架送/回风系统温室的数值传热模型。采用空气温度与速度不均匀系数、气流速度适宜区面积比、能量利用系数以及累计有效积温等评价参数,研究了下送上回、中间回风和上送下回等3种温室拱架送/回风方式对日光温室冬季作物冠层区热环境的影响。结果表明,与中间回风和上送下回通风方式相比,下送上回通风方式对不同作物冠层高度处的空气温度和速度调控的结果最优,且不同作物冠层高度处气流速度适宜区面积比和累计有效积温都最大。当采用下送上回通风方式时,与送风干管风速为9、11和12 m/s相比,送风干管风速为10 m/s的能量利用系数最大,在作物冠层高度0.4、0.6、0.8和1.0 m处的能量利用系数分别为0.976、0.982、0.985和0.987,并且不同作物冠层高度处的空气温度不均匀系数和速度不均匀系数也都最小。因此,下送上回通风方式的推荐送风干管风速为10 m/s。该研究可为日光温室热环境的精准调控提供参考。

桁架拱塑料大棚骨架平面内竖向荷载受力性能试验

桁架拱塑料大棚在我国北方寒区广泛使用且数量庞大。由于我国北方寒区雪荷载大,而多数大棚骨架设计制造不合规,冬季常有暴雪导致的大棚坍塌事故发生。为研究桁架塑料大棚骨架在平面内竖向荷载的受力性能,以节点间距及桁架拱高度为影响因素,研制了4榀桁架拱塑料大棚骨架及试验装置。采用竖向加载的方法得到了桁架拱塑料大棚骨架竖向荷载作用下的试验现象、骨架极限荷载及位移等试验数据。通过极限荷载数据分析得到了影响桁架拱塑料大棚骨架承载力因素排列顺序为:矢高>上弦节点间距>桁架高度。通过分析骨架荷载-位移曲线得到了骨架弹性极限荷载及对应的弹性位移,并通过分析骨架变形形态得到了骨架进入平面外屈曲的位置和屈曲状态。采用ABAQUS建立了桁架拱塑料大棚骨架三维线性有限元模型,通过跨中及l/4跨处的荷载-位移曲线试验值与模拟值对比分析,验证了有限元模型的正确性。研究成果可为桁架拱塑料大棚使用阶段受力和后续非线性屈曲稳定有限元分析提供参考。

型钢拱架日光温室结构稳定性能及参数分析

型钢拱架日光温室结构的主要受力构件长细比大,暴雪等极端灾害天气下易引发结构失稳灾变。针对此问题,该研究利用弹塑性力学理论和非线性有限单元法,建立型钢拱架日光温室结构精细化有限元模型,开展雪荷载下日光温室稳定性能分析;通过对型钢截面类型(平椭圆形截面、箱形截面和几字形截面)、温室跨度(8、10和12 m)、雪荷载分布形态(分布厚度非均匀和分布区域不对称)等参数下日光温室失稳全过程分析,分别确定日光温室稳定承载力,揭示雪荷载分布对日光温室稳定承载力的量化影响;结合日光温室的荷载系数-位移全过程曲线和不同加载时刻点的变形图、应力图、轴力图与弯矩图,从直观现象和内在本质两个层面深入探明日光温室的静力失稳机理。分析结果表明:在保证不发生平面外整体失稳的前提下,当型钢截面面积和翼缘宽度相同时,相较于箱形截面型钢、几字形截面型钢,采用平椭圆形截面型钢拱架的日光温室稳定承载力分别提高了19.2%和44.2%;跨度对日光温室稳定承载力的影响较大,与8 m跨度相比,10、12 m跨度的日光温室的荷载系数分别下降了27.1%和57.9%;相较于均匀分布雪荷载,在非均匀分布雪荷载下日光温室的稳定承载力最大下降63.8%;相较于不设置拉杆和撑杆的情况,单独设置拉杆的日光温室稳定承载力最大可提高9.0%,单独设置撑杆的日光温室稳定承载力最大可提高66.8%。该研究得出的结果和给出的建议可为型钢拱架日光温室结构抗雪设计、稳定性研究和防灾分析提供技术指导和理论参考。

辽宁地区葡萄不下架防寒模式探讨

葡萄下架埋土防寒一直是北方葡萄防寒区产业发展的重要制约。文中论述了辽宁地区葡萄不下架越冬的几种栽培模式,包括日光薄膜温室、塑料大棚、连栋大棚栽培中葡萄不下架越冬方法,并对比分析了其优缺点,其中塑料大棚采用二道拱防寒越冬方法既节约了成本又能优产高产,且建造投入低,是一种较优的不下架越冬模式,在北方寒冷地区应用前景广阔,值得进一步研究、推广。

柔性保温墙椭圆管单管拱架日光温室内力分析及结构优化

针对柔性材料围护椭圆管单管拱架日光温室跨度不断加大,而标准化管材市场供应截面单一带来的结构安全性问题,该研究基于北京地区的风、雪荷载,依据国家标准《农业温室结构荷载规范》(GB/T 51183-2016)和《农业温室结构设计标准》(GB/T 51424-2022),选用截面80 mm×30 mm×2.0 mm(高×宽×壁厚)椭圆管,以12 m跨度日光温室为基准,使用Midas-Gen有限元软件建立模型,分析不同作物吊挂模式、后墙立柱不同结构形式以及拱架与基础不同连接形式对结构内力分布的影响,寻找结构最大应力最小的作物吊挂模式和结构形式。结果显示:柱脚铰接的单管拱架作物荷载2点吊挂时,出现强烈的局部应力集中,且作物荷载为主要控制荷载。其中后墙立柱作物吊挂点位置最大应力值为1146.7 N/mm^(2),其余位置平均应力值为445.4 N/mm^(2)。作物荷载为3个吊挂点时,拱架应力系数为0.61,作物荷载退化为次要控制荷载;吊挂点个数≥4时,拱架应力系数降低到约0.51,作物荷载完全退出控制作用,拱架最大应力仍超出材料允许强度。因此,采用局部加强措施同时结合柱脚连接形式寻找更加合理的拱架结构,并最终提出该温室结构采用前柱脚铰接、后柱脚固接、后墙立柱为格构柱时结构的最大应力最小,应力分布最合理。研究可为北京地区柔性保温墙椭圆管单管拱架日光温室的结构形式和结构用材提供参考。

非加温型四连栋塑料温室内外温湿度关系研究

根据1999年12月～2002年8月典型天气(晴天、多云、阴天)下非加温型四连栋塑料温室中间1.5m高度气温、相对湿度的观测数据,应用逐步回归分析方法建立了冬季、春秋季、夏季典型天气下温室内日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度与气象站气象要素间的关系式,为温室蔬菜品种筛选、蔬菜标准化栽培、无公害蔬菜生产和病虫害防治提供小气候方面的技术数据。

北京市日光温室与塑料大棚生产效益分析

2010年4～8月,共走访北京市13个郊区(县)63个乡(镇)124个村的804家从业者(791户农户和13家企业/合作社),调研2009～2010年日光温室与塑料大棚经济效益的整体情况和不同茬口模式下的效益状况。结果表明:日光温室种植食用菌、花卉与草莓的投入产出比高于种植蔬菜和西甜瓜,其中食用菌的年产效益最高,达35895.34元·(667m2)-1,蔬菜的最低,为8003.09元·(667m2)-1;同样种植蔬菜与西甜瓜,塑料大棚的平均效益远低于日光温室,其中蔬菜比日光温室低34.29%,西甜瓜低28.94%;日光温室获得高效益〔>2.00万元·(667m2)-1〕的可能性大于塑料大棚,其中日光温室种植蔬菜获得高效益的比例最低为7.14%,而塑料大棚仅为3.06%;日光温室和塑料大棚多茬种植的效益都明显高于一大茬种植。针对制约设施园艺经济效益提高的因素,提出了优化种植结构,合理安排茬口模式;加大生产技术培训力度,提高作物产量与品质;发挥合作社优势,拓宽销售渠道的建议。

4种曲线形日光温室前屋面采光性能及其拱架力学性能的比较

【目的】研究不同曲线形日光温室前屋面的采光及其拱架力学性能,为日光温室的设计提供参考。【方法】利用日光温室采光模型,模拟三次样条函数、圆弧、椭圆、抛物线4种曲线形日光温室前屋面的进光量,采用有限元方法计算3种荷载组合下各曲线形拱架的截面应力。【结果】三次样条函数、圆弧、椭圆、抛物线形前屋面的进光量分别为40467,39451,39306和35845kJ。在荷载组合1作用下,椭圆形拱架的截面应力最大,为3514MPa;抛物线形拱架次之,为3466MPa;三次样条函数形拱架为2906MPa;圆弧形拱架最小,为1479MPa。【结论】综合前屋面进光量和拱架力学性能指标,4种曲线形日光温室前屋面中,以三次样条函数形日光温室前屋面更具实用性。

塑料三连栋温室的温、湿度变化规律初探及相应调控措施

通过使用多点式温、湿度记录仪 ,结合温室设备的不同处理方式 ,对塑料三连栋温室温、湿度进行全年连续记录 ,初步摸索出塑料三连栋温室温、湿度的变化规律 ,并初步提出了温、湿度的调控措施。

圆拱型连栋温室自然通风流场CFD模拟

采用Ansys公司的FLUENT软件,建立温室的三维模型,研究了自然通风条件下平行于温室走向和垂直于温室走向两个风向,两种不同风速下温室内部及温室之间风流场的分布特点。模拟结果表明:当风速较小(1.6m/s)时,温室内风向复杂,出现低速涡旋,当风速较高(5.2m/s)时,温室内风向基本按原方向前进,风速逐渐减弱;当温室外风速为1.6m/s时,温室内大部分区域的风速在0.2m/s左右,当温室外风速为5.2m/s时,温室内大部分区域的风速在1.0m/s左右;连栋温室群中各部位温室的通风情况相差较大,前栋温室内风速明显高于后栋。该研究结果可作为温室生产与设计的参考依据。

拱形塑料大棚风致干扰效应及风压特性研究

群体布置的拱形塑料大棚(简称群棚)棚间存在风致干扰效应,为了探明群棚干扰效应并建立考虑干扰效应的风荷载体型系数,基于Reynolds时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用经验证的数值风洞方法研究了拱形塑料大棚单棚及群棚模型在不同风向角、不同棚间距下的表面风压特性。结果表明:拱棚群体布置引发干扰效应并改变风压特性,该效应具体表现为放大效应(群棚外围区域)和遮挡效应(群棚中间区域);干扰效应受风向角及棚间距的影响较明显,整体随棚间距增大而减弱,并大致在10 m棚间距时趋于稳定。干扰效应整体削弱棚区风压通风能力,从利于风压通风角度提出了群棚园区规划布局建议,即棚身长轴方向宜与群棚所处地域夏季主导风向相垂直并适当增加棚间距。最后,以上述研究为基础,根据干扰效应分区域给出了群棚(矢跨比=3:8)便于设计使用的风荷载体型系数。处于群棚外围区域的拱棚,其风荷载体型系数具体为:当风向角为0时,风荷载体型系数在迎风面、中间棚顶、背风面、两侧山墙分别为+0.41、-0.78、-0.26、-0.48;当风向角为90°时,风荷载体型系数在迎风山墙、棚面分别为+0.36、-0.44。处于群棚中间区域的拱棚,其风荷载体型系数具体为:当风向角为0时,风荷载体型系数在迎风面、中间棚顶、背风面、两侧山墙分别为+0.30、-0.71、-0.26、-0.48;当风向角为90°时,风荷载体型系数在迎风山墙、棚面分别为+0.34、-0.35。研究结论:群体布置的拱形塑料大棚存在风致干扰效应,设计时宜考虑风致干扰效应引起的棚面风压变化。

两种单杆型圆弧拱塑料大棚平面内稳定性分析

针对单杆型圆弧拱塑料大棚平面内稳定性研究较少的现状,基于有限元平面梁大变形几何非线性屈曲理论,应用ANSYS有限元软件,研究了无边立柱及带边立柱两种形式单杆型圆弧拱塑料大棚骨架承受竖向均布荷载下的几何非线性屈曲性能。研究结果表明:在相同的几何参数条件下,无边柱骨架的极限承载力远高于带边柱骨架,且结构的破坏点集中于1/2跨、1/4跨和底部柱脚处;单杆型圆弧拱塑料大棚结构的极限承载力随着矢跨比的增加而增加;无边立柱骨架合理的矢跨比在0.3左右,带边柱单杆骨架无最优矢跨比;单杆型圆弧拱塑料大棚结构的极限承载力随着长细比的增加而减小;带边立柱单杆圆弧拱塑料大棚结构表现出更强的几何非线性。

江淮地区双层拱架塑料大棚通风效果CFD仿真与分析

近年来,双层拱架塑料大棚在江淮地区应运而生,但该类棚型未定,棚内生产小气候问题亟待进一步研究。介绍了双层拱架塑料大棚的应用和研究进展,使用AutoCAD和ProE建立了双层拱架的三维模型,再通过ANSYS ICEM CFD软件将三维模型简化为2-D模型并进行结构化网格划分。针对双层拱架塑料大棚的通风效果分别进行贯流式通风和单面通风的数值模拟分析,结果显示:贯流式通风时内棚和保温层温度分布均匀,并带走棚内热量,有利于双层棚的结构稳定性,能够保证明显的通风效果;单面通风时从内棚进口处开始向另一面,温度呈现阶梯递增形式,最高温度达329 K,最大温差达29 K,保温层温度较均匀、变化不大。因此,采用贯流式通风有利于双层棚的通风效果。仿真与分析结果为双层拱架塑料大棚的实际应用和研究提供理论参考。

连栋拱形塑料温室拱轴线的简易优化法

在考虑雪载的情况下,依据结构力学的基本原理,提出了一种不经过有限元的复杂计算、概念明了、方法简易的确定温室拱轴线的新方法。利用该方法对温室的拱轴线进行研究,发现雪载对拱半径的影响很小,拱半径随温室单跨增大而增大,拱半径与矢跨比的关系比较复杂,并为快速确定拱半径参考值提供一张表。

预应力拉索拱结构在日光温室骨架设计中的应用

拉索拱型结构是一种能同时满足受力性能和使用功能的新型结构方案。对于预应力钢结构在轻型钢结构以及农业建筑中的应用 ,有其不同于其它钢结构的特点和施工工艺 ,值得进一步研究和应用。

桁架拱轻钢大棚骨架K型节点受力性能对比与分析

我国北方寒区常发生桁架拱轻钢大棚在暴风、暴雪共同作用下破坏。以桁架拱轻钢大棚骨架的薄弱部位即K型节点[1-3]为研究对象,采用ANSYS有限元分析软件对灌浆K型节点及空心K型节点进行模拟静力分析,同时进行了灌浆K型节点及空心K型节点静力加载试验,验证了有限元分析结果的正确性。分析结果表明,灌浆K型节点与空心K型节点的最大应力均出现在受压支杆与主管焊接处,且灌浆K型节点应力明显小于空心K型节点应力,灌浆改善了桁架拱轻钢大棚骨架K型节点的受力性能,为灌浆桁架拱轻钢大棚骨架的整体分析提供了依据。

钢拱单栋塑料大棚平面内极限承载力分析

为了确定初始缺陷、矢跨比、长细比等参数对钢拱单栋塑料大棚平面内极限承载力的影响,文中基于几何非线性和材料非线性的有限元方法对钢拱单栋塑料大棚平面内极限承载力进行了分析。分析结果表明,大棚骨架初始缺陷数值的大小不应大于钢拱整体平面弯曲偏差的L/2500;大棚的最优矢跨比在0.3左右,其极限承载力随着长细比的增加而减小;钢拱单栋塑料大棚的破坏位置集中于跨中、拱肩和底部柱脚处。

大庆市拱形塑料大棚使用性能调查与分析

为研究北方寒区拱形塑料大棚的使用性能及使用现状,对黑龙江省大庆市拱形塑料大棚进行了充分的调查工作,将调查得到的资料进行了整理,得到了有代表性的大庆市拱形塑料大棚的材料及类型、跨度、拱高及骨架间距等基本数据。对大庆市拱形塑料大棚进行了经济性分析,分析了大庆市拱形塑料大棚广泛存在的问题,为北方寒区拱形塑料大棚的进一步分析提供了基础素材。

拱棚叶类蔬菜复种水稻试验研究

为了充分利用宁夏富足的光、热资源,改革创新种植业耕作模式,提高农田复种指数和产出率,宁夏原种场对在水稻插秧前加种一茬全生育期为40～45 d的速生叶类蔬菜进行了试验研究。结果表明:参试的四季小白菜、菠菜、油菜、生菜、茴香、茼蒿等6种蔬菜均达到了商品菜标准,净产值在11 760.0～43 860.0元/hm2,具有很大的推广价值。