一、课题研究的背景
随着社会经济的发展和农业生产水平的提高，设施农业近年来在我国发展迅速，其中具有鲜明的中国特色的日光温室的出现，使农业生产不再被地域和时间所限制。温室大棚又名暖棚，其主要通过透明覆盖材料来接收太阳能，依靠墙体和地面的蓄热能力来满足蔬菜、花卉等作物越冬生产所需要的条件。众所周知，中国是农业大国，幅员广阔、物产丰富，但土地资源匮乏，国土面积人均所有量较低。日光温室的广泛使用，为作物创造了最佳的生产条件，避免了外界的极端恶劣条件的干扰，从而大大提高了农作物的产量。
日光温室的热湿环境复杂，其室外气象条件、围护结构、室内主要农作物、土壤间的复杂换热关系都对其室内热环境的调控有影响，进而影响室内农作物的影响。在这些影响因素中，土壤层既是温室中最大的蓄放热体，也是温室中最大的湿来源，其对日光温室的热湿环境有着决定性作用。土壤间的换热关系是一个复杂的动态过程，在白天土壤吸收太阳能储存能量，在夜晚再将蓄存的热量释放到温室内，故而土壤的温度场对室温的变化有着很大的关系。
根据上述分析可知，由于土壤温度场对温室的室内热环境有着决定性作用，那么对土壤温度场进行研究是有必要的。为了降低温室的运行成本，提高温室作物的生产效益，科学合理配置的结构参数和加温参数，本次研究将以日光温室的浅层土壤为研究对象，其一建立热环境模型进行数值计算，编写程序实现温度场的仿真，重点分析室外气象条件、温室维护结构和土壤的物性参数对土壤温度的影响；其二根据土壤测量相关标准以及模型验证需要，设计试验平台，测量环境条件参数，土壤不同深度温度随时间变化，验证模型的正确性。
二、国内外研究综述
2.1日光温室热湿环境的影响因素的研究
首先，在围护结构方面：吴菲菲[1]在2014年对北方寒冷干旱地区三种不同北墙结构的温室（夹炉灰层温室、带聚苯板温室、背靠背温室）进行试验和模拟分析，探究复合墙体和普通墙体在保温方面的差异，同时通过Fluent软件模拟得出模拟结果与试验结果相吻合。张晓光[2]在2015年对大型厚土墙温室的墙体、地面、后屋顶的温度的日变化、不同天气条件下的变化和冬季温度变化进行分析，并模拟了墙体、地面温度变化的数学模型，对不同层次的墙体或地面温度进行计算和分析，分析了温室的能量损耗和热量分布关系，最后对不同温室的温度变化情况进行对比分析。同时，武国峰[3]等人在2015年为明确墙体结构对日光温室保温性能的影响，以3种不同墙体结构的日光温室为研究对象，计算了日光温室各组成元素的热工性能，分析了不同结构温室的墙体温度分布、温室内空气温湿度以及土壤温度分布。在2020年，吴曼丽[4]等人为评价辽宁地区典型日光温室保温蓄热性能,利用小气候仪观测的气温、太阳辐射等数据,对比分析不同类型日光温室内气温的日变化及逐时温度的变幅,研究低温期2种结构日光温室对蔬菜生长的影响。
针对不同地点的气候条件，学者们也做了大量的研究：2000年，杨梅学[5]等人通过 GAME-Tibet野外工作前期所得到的土壤温度资料, 初步分析了藏北高原不同地点不同深度土壤温度随时间的变化特征, 并探讨了这种特征形成的原因。2006年，王风[6]等人应用MILOS520自动气象站观测了海伦地区三叶草地全年土壤温度 ,将全年分成三个类型区 ,分别比较这几个时期土温气温的变化特征，得出了黑土区土温气温年际间变化的四个特征时期。2010年，何雨[7]等人以沈阳农业大学园艺学院辽沈1型日光温室为试验平台对日光温室的地温进行测试和分析, 利用传热学理论, 以温室热平衡模型为基础, 并运用 Matlab软件进行非线形回归, 求出该模型的参数, 并建立模型。2011年，黄冉[8]等人根据徐州地区日光温室小气候观测资料, 分析了冬季日光温室内的气温与相对湿度、太阳辐射度及土温之间的相关性, 选相关系数较大的因子作为建模因子，并据此模拟温室内气温和分析日光温室气温的变化，以此运用于指导生产，提高经济效益。2012年，强慧婷[9]等人为研究日光温室内土壤温度变化规律，利用南京市六合区气象局大院内农业基地温室大棚的土壤温度数据以及温室大棚内外的气温资料，对各层土壤的日变化和月变化规律进行对比分析，并对不同天气状况下的各层土壤温度的变化进行了初步研究。2016年，李雪喆[10]等人通过利用ANSYS软件对温室墙体进行温度场模拟，将温室蔬菜生长要求的最低温度作为指标，研究温室土墙厚度与室内温度的变化规律，并与实测数据进行对比验证，同时考虑墙体的承载力及稳定性要求，得出冀中地区温室梯形截面土墙的合理厚度。
针对温室模型的建立，学者们还做了以下的研究：1985年，马承伟[11]对地下热交换系统在我国保护地蔬菜生产中的应用进行了研究。1998年，陈振乾[12]等人根据质量守恒和能量守恒定律 ,同时对土壤非饱和区热湿迁移机理进行分析 ,建立了土壤非饱和区热湿迁移的理论模型。通过数值分析 ,模拟了太阳辐照条件下土壤内温度和含水率分布曲线。2004年，马春生[13]等人对北京农学院一座日光温室的地温进行测试和分析, 建立了非稳态地温场的数学模型, 用差分法计算出土壤的热扩散率, 选用SAS软件进行非线性回归, 回归模型较好的反应了土壤温度场分布状况, 为进一步研究日光温室地温场特性提供了手段和依据。2005年，佟国红[14]采用非稳态方法求解日光温室温度环境的动态变化过程，揭示了其变化规律。将逐时变化的室外水平面太阳辐射量、天空温度、室外空气温度以及温室围护结构外表面的对流辐射换热系数作为边界条件，采用计算流体动力学软件（CFD）中的非稳态方法求解控制方程，可确定日光温室内温度场。李小芳[15]根据日光温室室内空气和北墙、东墙、西墙、后屋面、前屋面覆盖材料、土壤的能量和物质守恒原理,建立了日光温室热环境的动态数学模型。利用该数学模型对不同材料,不同厚度,不同排列墙体的日光温室保温性能进行了比较，同时在数学模型的基础上,开发了日光温室温度预报系统软件。2009年，刘珊[16]等人在总结国内外现有日光温室热湿环境研究的基础上, 从四个方面探讨了日光温室热湿环境系统的研究内容和方法, 并指出了各方面研究中存在的不足和日光温室热湿环境研究的发展方向。孟力力[17]等人建立了日光温室热环境模拟模型，定量描述了日光温室内的太阳辐射、对流换热、辐射换热、热传导、自然通风和水分相变带来的潜热对日光温室热环境的影响，利用 MATLAB 的强大计算能力与 VB 的良好用户界面建立模拟计算软件，可求得温室各组成部分的温度。通过试验验证，该模型能够比较准确预测日光温室环境温度。2010年，吴飞青[18]选取浙江工业大学校内Venlo 型三跨度智能玻璃温室为研究对象，采用计算流体动力学和热力学等技术开展温室冬季热环境数值分析与试验研究，对于降低温室冬季加温能耗和改善冬季温室作物环境具有重要的现实意义，为进一步的温室低成本设计和环境节能控制奠定基础。2011年，贾红[19]等人利用徐州地区标准日光温室内外气温和温室内多层次土壤温度观测资料，分析了温室内各层土壤温度的年变化和日变化，并对温室内土壤温度的预报模型进行了模拟和检验。2012年，郝飞麟[20]对单栋塑料温室内的温度场进行了3-D稳态模拟，结果表明气流对温室内温度和均匀性影响较大，进风口侧的温度低于出风口侧。2014年，李洁[21]等人以计算流体力学( CFD) 为理论依据，以某市的气象因子为输入条件，对比研究了一种新型温室与单栋塑料大棚、传统日光温室的冬季保温性能和夏季通风降温效果，以期为该新型温室的应用提供理论依据。2017年，崔思宇[22]以一栋日光温室为试验平台，对温室地表面温湿度场进行了连续测试，并建立了考虑土壤水分蒸发的三维非稳态数值模型，研究了日光温室地表面热湿耦合的传递规律。2018年，范奥华[23]针对北方日光温室冬季温度分布不均导致产量低的问题，对日光温室的温度场分布进行了计算流体力学（CFD）的建模，构建了试验平台对温度场模型进行验证和完善；并通过均温试验以获得高效的均温效果；最后，设计了日光温室均温调控系统，以达到均温的目的。2020年，张艳[24]等人为研究日光温室内浅层土壤温湿度场的变化规律，建立了浅层土壤温湿度场的三维非稳态数值模型，模拟日光温室内浅层土壤温湿度的动态分布。
2.2土壤温度场数值模拟方法的研究
2000年，何发祥[25]等人以人工神经网络为基本工具,利用其强大的非线性映射能力,综合考虑土体的物理性质指标对其导热性能的影响,为求解土体的工程参数提供了一条新的途径。2009年，黄其华[26]等人将有限元线法与温度场分析相结合,并对土壤源热泵地下热交换器瞬态温度场进行分析。简要地阐述了有限元线法分析温度场的基本步骤,为土壤源热泵地埋管设计提供理论依据。更具意义的是为温度场分析引入了一种新的途径。2010年，巩立亮[27]等人探讨了热线法测量导热系数的原理，利用QTM-D2快速热导测试了标准玻璃试样与岩土体的导热系数。用TEMP/W软件对快速热导测试仪测试时硬气的温度场进行了数值模拟，得到模型的等温线，并可得到某一点温度随时间变化的趋势。2014年，郭芬芬[28]在对河北省各地温室结构和生产条件的调研和分析的基础上，以日光温室地下温度作为研究对象，建立了地下热、水、气运动的耦合二维非稳态传热传质模型，定量地分析温室内的地下二维温度变化。与以往的温室热环境分析方法不同，该模型引入了蔬菜作物栽培条件和温室灌溉条件等相关参数，更加准确分析了各因素对温室地温的综合影响。2017年，于洋[29]等人通过分层安装温度传感器采集黑龙江省大庆市某地区的浅层土壤温度值，运用ANSYS有限元分析软件对地下1 m内土层进行相应的模拟分析，探究了地下浅层土壤温度场的变化特征。2019年，马坤茹[30]等人利用 Gambit 软件建立无限大区域内单U型埋管与土壤间模型，以河北省石家庄地区的土壤材料物性参数为依据，在Fluent数值模拟软件中对其设置为非稳态传热的三维数学模型，对地下传热运行工况进行长时间数值模拟计算，得出该地区太阳能耦合地源热泵系统间歇运行 6 年的土壤温度场分布规律。2020年，戚菁菁[31]等人提出了热油管道正常运行过程的非稳态传热模型，并采用基于非结构化网格的数值计算方法对管道二维温度场进行计算，选取冻土区某含蜡原油管道进行工程算例分析，得到了该管道2 ℃及5 ℃油温条件下温度场云图及等值线图，可指导管道的安全运行。
1992年，隋红建[32]等人建立了用于数值解的不同覆盖条件下土壤二维水热运动数学模型更为深入地了解覆盖层在不同气候条件下对土壤水分蒸发、入渗及地温影响机理和程度。为综合评价和选用农用覆盖材料及其参数提供了手段。2001年，李毅[33]等人通过对新疆奎屯地区某地宽地膜覆盖条件下地温场动态的分析，可知膜间、膜边、膜中和揭膜4中处理下的土壤表层5cm处的温度都可拟合为时间的正弦函数；种植季节内表层土壤最高温度、表层土温最大变幅及平均表层土温的最大值均发生在膜中，其后依次为膜边、膜间与揭膜；膜中、露地和膜间的不同深度地温在一日内和总之季节内均有一个变化过程；一日内地温变幅和深度关系可拟合成指数函数。
1994年，张晓光[34]等人在前人研究基础上用有限差分方法建立了一个非稳态二维地温场的数学模型。该模型为进一步分析日光温室内土壤温度热状况和进行综合评价、选用提高日光温室地温措施提供了手段和依据。2010年，姜会飞[35]等人提出了一种运用正弦分段模拟法模拟气温日变化的新方法,并以山东省德州、菏泽、泰安、烟台、潍坊和青岛6个地面气象站2009年春、夏、秋、冬不同时段内一个月的自动观测逐时气温,与运用正弦分段模拟法模拟的逐时气温进行比较分析。
2002年，G.Mihalakakou[36]针对雅典和都柏林裸草和短草覆盖土壤的大量测量值，采用确定性模型和神经网络方法进行了测试和验证，通过对两种模型的比较表明所提出的技术可以对土壤表面温度进行充分估计。2012年，Steven R. Evett等人[37]基于周期性（例如，半小时）在土壤剖面内多个深度的水含量和温度感应以及傅立叶热通量方程的解。将傅里叶正弦级数拟合到每个深度处的温度，并使用差分热通量方程的正弦级数解，通过基于热扩散率值的最佳拟合的逐次逼近，对正下方的下一个深度处的温度进行模拟。使用土壤热容，将最佳拟合的热扩散率值转换为热导率值，该值基于测得的水含量和堆积密度。对重复使用此方法得出的许多数据进行统计分析，以描述导热系数随水含量和堆积密度的变化。2013年，Onder Ozgener等人[38]根据气温的每日波动使用时间和深度的正弦函数进行建模，将为研究人员提供对土壤温度每日变化的预测。2017年，Yener, Deniz Ozgener等人[39]对土耳其不同地区不同深度的土壤温度进行了理论研究，研究表明土壤温度于深度和时间有关，特别是浅层土壤的温度。同时建立了与土壤温度预测有关的数学模型，以5到3000 cm的深度评估环境空气温度与土壤温度之间的关系。
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
