بخشی از مقاله
چکیده
در کار حاضر انتقال حرارت جابجایی طبیعی برگ درختان نارنج و زیتون بعنوان دو درخت با برگهای دارای اشکال کاملا مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. جهت تحلیل مساله از تکنیکهای دینامیک سیالات محاسباتی استفاده شده می باشد. هر دو برگ تحت شرایط محیطی یکسان مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته و هدف تعیین میزان انتقال حرارت برگ ها می باشد.
دلیل انتخاب برگهای نارنج و زیتون شکل های متفاوت در نتیجه تفاوت میزان انتقال حرارت ناشی از آنها می باشد. مساله درشرایط پایا و سه بعدی موردبررسی قرارگرفته است. پس از شبیه سازی وتحلیل نتایج مشاهده می شود که شار حرارتی در تمامی برگ ها تقریبا یکسان بوده اما انتقال حرارت از برگ نارنج به زیتون کاهش می یابد.
مقدمه
گیاهان سبز در تمام فرآیند های بیولوژیکی خود از نور خورشید به عنوان یک منبع انرژی استفاده می کنند. می توان گفت خورشید سرچشمه پدیده های فیزیولوژیکی میباشد . استفاده از انرژی خورشیدی در واکنش های فتو شیمیایی و همچنین فرآیند فتوسنتز فصل مشترک همه گیاهان میباشد. از مهم ترین ویژگی گیاهان می توان از تعادل گرمایی آن ها نام برد. در بررسی انتقال حرارت برگ درختان عوامل موثر شامل انرژی های جذب شده و تلف شده، تبخیر، انتقال حرارت جابجایی، هدایت و تابش می باشد.
برخی از محققین به تازگی در زمینه انتقال حرارت دو بعدی [1] و سه بعدی تهویه یک گلخانه با استفاده از اختلاف دمای هوای مورد استفاده فعالیت هایی داشته اند.[2] نتیجه حاصل از آن تاثیر سرعت باد بر عملکرد تهویه بر اساس روش المان محدود با استفاده از یک سیال بوده است. همچنین تاثیر تنظیم دریچه تهویه بادگیر گلخانه مورد بررسی قرار گرفته و نشان داده شد که همیشه بالاترین می زان تهویه بهترین معیار برای ارزیابی عملکرد سیستم نمی باشد .[3]
کنترل پارامترهای مؤثر بر تبخیر و تعریق گیاهان برای مدیریت و حفاظت محصولات کشاورزی به ویژه برا ی محصولات گلخانه ای بسیار مهم است .برای این منظور، دو مورد عمده در نظر گرفته می شود: اول بهینه سازی شرایط آب و هوایی باکنترل مقادیر ورودی مانند انرژی، تابش خورشیدی، آب و راه حل های غذایی . دوم توسعه روش های جایگزین مدیریت آفات مانند حشرات و قارچ ها که در آن بهره وری تا حد زیادی به شرایط بستگی دارد. چالش اصلی کنترل بهینه شرایط آب و هوایی در گلخانه ها شامل حفظ درجه حرارت مطلوب و شرایط رطوبت برای توسعه گیاهان می باشد.
رطوبت بیش از حد می تواند منجر به تراکم آب در واحد سطح برگ شودکه باعث آلودگی توسط قارچ های بیماری زا می شود و باید از آن اجتناب کرد. مطالعاتی در خصوص تاثیر شرایط محیطی مانند شرایط آب و هوایی در فضای باز و همچنین جریان هوا در تهویه داخلی بر روی شرایط آب و هوایی درمحیطهای کوچک در مجاورت برگ، به منظور بهبود روش ها ی کنترل برای حفظ شرایط مطلوب و توجه به مدیریت مبارزه با آفات میکرو بیولوژیک انجام شده است.
در تعیین و بررسی شرایط محیطی بر روی گیاهان ابزارهای شبیه سازی مختلفی نیز مورد استفاده قرارمی گیرد که از آن جمله میتوان به روشهای دینامیک سیالات محاسباتی اشاره نمود. دینامی ک سیالات محاسباتی - CFD - در حال حاضر به طور گسترده ای برای شبیه سازی انتقال حرارت و جرم در بین سطوح غیر فعال، فعال و جریان لایه مرزی مورد استفاده قرار میگیرد .
در مورد سطح فعال مانند سطح برگ، مدل تبخیر و تعریق باید در مرز برگ بامحیط پیرامونی مورد بررسی قرارگیرد. همچنین این مدل به ما اجازه می دهد تا برای اندازه گیری شرایط تهویه جریان هوا، از مقادیر اندازه گیری شده درجه حرارت آب و هوا و اختلاف فشار بخار در مجاورت برگ استفاده شود .[5] در مقالات بسیاری شبیه سازی عددی برای انتقال حرارت جابجایی طبیعی، مغشوش و آرام در دیواره هایی با ضخامت محدود، داخل حفره های مستطیل شکل، کانال های صفحه ای متخلخل و انواع و سیلندرها انجام شده است .[11-6]
همچنین تحقیقاتی در مورد گیاهان از جمله برگ سیب زمینی صورت گرفته که در آن از سرعت باد در بالای برگ، دمای هوا، رطوبت، تابش خالص و همچنین دمای درون برگ استفاده شده است .[12] همچنین دربرخی از تحقیقات تغییرات میزان انتقال حرارت با استفاده ازمواد موجود در طبیعت به جای مصنوعات ساخت انسان به طور مثال استفاده از برگ ها در پشت بام های خانه ها بررسی شده است .[13]
با توجه به کارهای انجام شده و برطبق مطالعات نویسندگان مقاله تاکنون مقایسه ای بین درختان با برگهای نسبتا پهن و متوسط شکل انجام نگرفته است. بدون شک پوشش های گیاهی با درختان دارای برگ ها ی مختلف تاثیر قابل توجهی در میزان دما و شرایط محیطی دارد. لذا هدف از کارحاضر تعیین میزان انتقال حرارت وتاثیر برگ درختان نارنج، زیتون به عنوان دو گونه مختلف از برگ گیاهان باهندسه و شکل متفاوت بر محیط می باشد.
معادلات حاکم:
معادلات حاکم بر انتقال حرارت جابجایی آزاد حول یک برگ شامل معادلات پیوستگی، بقای اندازه حرکت و بقای انرژی می باشد.
مدل سازی عددی:
پیشرفتهای حاصل شده در مدلسازیهای جریانها به مااجازه میدهد که توانایی پیش بینی پارامتر های آب و هوایی در محوطه هایی مانند گلخانه و ... را داشته باشیم [14] این تکنیکها امروزه به ابزاری قدرتمند برای شبیه سازی محیطی از شرایط آب و هوایی مختلف با امکانات پیچیده تبدیل شده است.[15] درحال حاضرجهت مدلسازی ابتدا تعداد 10 برگ از قسمت بالای درخت، 10 برگ از قسمت میانی و 10 برگ از قسمت پایین درخت جدا شده است که مساحت آنها توسط دستگاه Leaf area meter اندازه گیری شده می باشد.
جهت شبیه سازی باید معادلات حاکم بصورت سه بعدی در حالت پایدار همراه با منابع حرارت در سطح برگ حل گردد. در شیبه سازی برگ ها در میدانی از جریان قرار گرفته اند و سیال ساکن و گرم از نقطه رکود بالای برگ شروع به حرکت کرده و همزمان لایه مرزی گسترش می یابد، در این مساله نیروی گرانش درراستای حرکت سیال است. مقدار سرعت جریان ورودی که متشکل از هوای خشک و بخار آب است می تواند با توجه به محیط های مختلف متفاوت باشد. معادلات حاکم با استفاده از روش حجم محدود حل شده است. همچنین الگوریتم وابستگی فشار وسرعت نیز الگوریتم SIMPLE [16] می باشد.
جهت حل معادلات، تنظیم شرایط مرزی اهمیت بسیار زیادی دارد که در ادامه به آن خواهیم پرداخت. لازم به ذکر است که پارامترهای آب و هوایی مانند درجه حرارت برگ، غلظت بخار آب و دی اکسید کربن توسط فیزیولوژیستهای گیاهی و کشاورزی برای نفوذ در مقاومت روزنه برگ [21-17] و به خصوص برای حفاظت از محصولات مورد بررسی قرار میگیرد.
در واقع پارامتر هایی مثل اختلاف ضعیف جریان آب و هوا، درجه حرارت، فشار بخاربسیار ناچیز و غلظت دی اکسید کربن که در برگ در طول آزمایش مشاهده شده منجر به وجود تغییرات محسوس در مقاومت روزنه نمیگردد و میتوان از مدل مقاومت روزنه صرفه نظر کرد. در شکل 1 میدان حل وشبکه محاسباتی نشان داده شده می باشد. همچنین شکل 1 شرایط مرزی حاکم بر هر مرز را بصورت کلی نشان می دهد و در شکل 2 شرایط مرزی که از قبل تعریف شده نشان داده شده می باشد.
