一种基于物理过程的大棚内部温度场建模方法与流程

1.本发明涉及大棚管理技术领域，具体是一种基于物理过程的大棚内部温度场建模方法。


背景技术：

2.塑料大棚是主要的设施农业，而鲜有大棚内有环境监测仪器，因此对于大棚内部的温度场反演是重要的棚内数据来源，对于设施内环境及时调控、提升大棚管理水平非常重要。
3.而目前的大棚内部温度反演，基本都局限在两类方法：一类是统计模型，基于历史环境数据和大棚内部的环境监测数据进行统计建模，该方法不具备普适性；另外一类是机理模型，基于物理过程进行建模，但是基本都做了整个大棚内部温度场一致的假设，并没有计算出大棚内部温度场的变化，对于精细化管理帮助不大，为此，我们提出一种基于物理过程的大棚内部温度场建模方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于物理过程的大棚内部温度场建模方法，它可以实现构建一套普适性的大棚内部温度模型，综合考虑了太阳辐射、大棚吸收、外部温度、土壤等要素的影响，利用物理模型进行大棚内部温度场建模。该方法原理清晰可靠，具备普适性，可用于空间和时间尺度上的大棚内部温度场建模和预测，并用于大棚内部作物灾害预报预警。
5.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
6.一种基于物理过程的大棚内部温度场建模方法，包括以下几个步骤：
7.s1、网格化：对大棚及下方的土壤进行空间网格化，划分成若干个格点，x/y/z方向上分别设置格点间距为δx/δy/δz。对大棚进行建模，用m(x,y,z)描述空间上各位置的材料；
8.s2、根据大棚内空间各个位置材料热交换和热辐射的变化，利用太阳辐射、环境温度、土壤温度，对大棚及下方的土壤的空间根据网格化位置进行温度公式计算，根据空间坐标建模。
9.作为本发明的一种优选方案，所述s1中材料分五类：大棚外部空气(m(x,y,z)＝0)、大棚薄膜(m(x,y,z)＝1)、大棚内部空气(m(x,y,z)＝2)、大棚下方的土壤表面(m(x,y,z)＝3)、大棚下方的土壤内部(m(x,y,z)＝4)。
10.作为本发明的一种优选方案，所述s2中大棚内部和土壤内部温度求解，即m(x,y,z)＝2或者m(x,y,z)＝4时，大棚内部和土壤内部的温度变化主要受热传递的影响，无热源，公式描述如下：
[0011][0012]
其中：t为温度分布，te为环境温度，可以取自观测值或者预测值，c为比热，为介质密度，为热传递系数。
[0013]
作为本发明的一种优选方案，所述s2中土壤表面温度求解，即m(x,y,z)＝3时，大棚下方的土壤表面除了对上方的空气和下方的土壤表面有热传递之外，还接受穿透大棚薄膜的太阳辐射影响，公式描述如下：
[0014][0015]
其中：srad为太阳辐射强度，单位w/m2，为观测值或者预测值，rt为大棚的透光率，ag为地表吸收率，af为薄膜吸收率，rt，ag，af是常数，可用经验值。
[0016]
作为本发明的一种优选方案，所述s2中大棚表面温度求解，即m(x,y,z)＝1时，大棚表面对大棚内部和外部空气传递热量，同时吸收太阳辐射，公式描述如下：
[0017][0018]
作为本发明的一种优选方案，所述s2中大棚外部温度求解，即m(x,y,z)＝0时，大棚外部，由于热交换充分，假定温度均一，公式描述如下：
[0019]
t(x，y，z，t)＝te(t)。
[0020][0021]
作为本发明的一种优选方案，所述s2中温度求解的初条件为：
[0022]
t＝re
[0023]
相比于现有技术，本发明的优点在于：
[0024]
(1)本方案充分考虑了物理过程，把逐小时的太阳辐射、环境温度、土壤温度等要素考虑进去，不用分天气进行建模，从而实现了大棚内部的温度场反演，反演的是大棚内部各区域的温度分布，而不是假设大棚内部温度一致，在输入环境温度和太阳辐射预测数据的情况下用该方法可实现大棚内部温度场预测，该方法原理清晰可靠，具备普适性，可用于空间和时间尺度上的大棚内部温度场建模和预测，并用于大棚内部作物灾害预报预警。
附图说明
[0025]
图1为本发明中大棚内外热量传递示意图。
具体实施方式
[0026]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0028]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设
置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0029]
实施例：
[0030]
请参阅图1，本发明公开了一种基于物理过程的大棚内部温度场建模方法，
[0031]
(1)网格化
[0032]
对大棚及下方的土壤进行空间网格化，划分成若干个格点，x/y/z方向上分别设置格点间距为δx/δy/δz。对大棚进行建模，用m(x,y,z)描述空间上各位置的材料，材料分五类：大棚外部空气(m(x,y,z)＝0)、大棚薄膜(m(x,y,z)＝1)、大棚内部空气(m(x,y,z)＝2)、大棚下方的土壤表面(m(x,y,z)＝3)、大棚下方的土壤内部(m(x,y,z)＝4)。
[0033]
(2)大棚内部和土壤内部温度求解
[0034]
即m(x,y,z)＝2或者m(x,y,z)＝4时，大棚内部和土壤内部的温度变化主要受热传递的影响，无热源，公式描述如下。
[0035][0036]
(3)土壤表面温度求解
[0037]
即m(x,y,z)＝3时，大棚下方的土壤表面除了对上方的空气和下方的土壤表面有热传递之外，还接受穿透大棚薄膜的太阳辐射影响：
[0038][0039]
(4)大棚表面温度求解
[0040]
即m(x,y,z)＝1时，大棚表面对大棚内部和外部空气传递热量，同时吸收太阳辐射：
[0041][0042]
(5)大棚外部温度求解
[0043]
即m(x,y,z)＝0时，大棚外部，由于热交换充分，假定温度均一：
[0044]
t(x，y， z，t)＝te(t)
[0045]
(6)变量说明
[0046]
t为温度分布，待求项。
[0047]
srad为太阳辐射强度，单位w/m2，为观测值或者预测值。
[0048]
rt，ag，af是常数，可用经验值。其中，rt为大棚的透光率，常见的大棚透光率为0.8～0.9。ag为地表吸收率，默认0.47。af为薄膜吸收率，默认0.1～0.2
[0049]
h为薄膜厚度，常见薄膜厚度0.12mm。
[0050]
te为环境温度，可以取自观测值或者预测值。
[0051]
c为比热，ρ为介质密度，γ为热传递系数，这三个变量与介质本身的位置有关，简
化为不受温度影响，可通过相关文献获得，本模型涉及的介质有大棚薄膜、空气和土壤，土壤比热与温度和湿度都有关系，为了方便计算，可进行简化，取1.9kj/(kg
·
℃)，聚乙烯薄膜比热2.3kj/kg
·
℃，pvc薄膜材料1.05～1.47kj/kg
·
℃，取中间值1.26kj/kg
·
℃，空气的比热默认1.003kj/kg
·
℃
[0052]
介质密度，土壤密度为2.6g/cm
3-2.7g/cm3，取2.7g/cm3，聚乙烯薄膜的密度0.962g/cm3，pvc薄膜密度为1.38g/cm3，自然状态下空气密度变化不大，取1.29kg/m3
[0053]
热传递系数，pvc的热传递系数0.17w/m.k，聚乙烯的热传递系数0.3w/m-k，空气的热传递系数变化不大，取0.0267w/mk，土壤热传递系数变化较大：饱和度为0％的土壤样品，所测得的热导率读数为0.364w/m
·
k；饱和度100％的土壤样品热导值则有显著提升，为1.59w/m
·
k，为了方便计算取中间值0.98w/m
·
k。
[0054]
(6)初条件
[0055]
t＝te
[0056]
工作原理：充分考虑了物理过程，把逐小时的太阳辐射、环境温度、土壤温度等要素考虑进去，不用分天气进行建模，从而实现了大棚内部的温度场反演，反演的是大棚内部各区域的温度分布，而不是假设大棚内部温度一致，在输入环境温度和太阳辐射预测数据的情况下用该方法可实现大棚内部温度场预测。
[0057]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。