食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料通風(fēng)發(fā)酵模擬研究

鄭子喬，羅 星

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙臺(tái)研究院，山東 煙臺(tái) 264670）

食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵質(zhì)量與人們健康之間的關(guān)系十分密切，食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵方式，或多或少存在著高溫氣體[1]，對(duì)食用菌的種植造成一定的影響。培養(yǎng)料發(fā)酵的目的主要是增加原料的腐熟程度，殺滅料內(nèi)細(xì)菌，雜菌，和蟲害。通過(guò)發(fā)酵后的培養(yǎng)料發(fā)酵對(duì)食用菌種植的吸收效果更加明顯，所以對(duì)培養(yǎng)料進(jìn)行發(fā)酵處理，是十分有必要的。由于培養(yǎng)料發(fā)酵中會(huì)釋放高溫氣體，導(dǎo)致食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵氧氣含量得不到保障。這些高溫氣體中還存在致癌物質(zhì)，因此食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)設(shè)計(jì)變得尤為重要[2]。隨著人們對(duì)食用菌種植過(guò)程中氧氣含量的關(guān)注度越來(lái)越高，該領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者提出了很多有關(guān)食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)設(shè)計(jì)的可行方案。

通風(fēng)可有效降低食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵過(guò)程高溫氣體的含量，對(duì)食用菌種植過(guò)程種植人員的工作和生活十分重要[3]。針對(duì)上述食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)相關(guān)設(shè)計(jì)方法存在的問題，提出利用數(shù)值模擬方式將軸流風(fēng)機(jī)應(yīng)用在食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)設(shè)計(jì)中。

1 基于軸流風(fēng)機(jī)的食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料通風(fēng)發(fā)酵模擬

1.1 軸流風(fēng)機(jī)控制數(shù)學(xué)模型和邊界條件

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，在食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)設(shè)計(jì)中，食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵固體壁面充分發(fā)展下的湍流流動(dòng)能夠分成湍流核心區(qū)域與近壁區(qū)域兩部分，由此湍流流動(dòng)控制方程組會(huì)隨流動(dòng)所處位置不同而不同[4]。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，RNGκ-ε模型能夠很好地處理高應(yīng)變率和流線彎曲程度比較大的流動(dòng)情況。因此，在湍流中心位置使用RNGκ-ε模型。由單一介質(zhì)、不可壓縮和風(fēng)機(jī)運(yùn)行中無(wú)熱量交換假設(shè)可知，控制方程組無(wú)需考慮組分方程與能量方程，僅包含連續(xù)性方程和動(dòng)量方程、κ方程以及ε方程即可。

綜合以上軸流風(fēng)機(jī)控制數(shù)學(xué)模型分析，設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)數(shù)值模擬邊界條件和初始參數(shù)。

針對(duì)軸流風(fēng)機(jī)在食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，構(gòu)建由集流器進(jìn)口至擴(kuò)散器出口的全場(chǎng)流幾何模型，再選擇適合的湍流模型。以上述內(nèi)容為基礎(chǔ)，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)全場(chǎng)流中三維湍流流動(dòng)通過(guò)CFD軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算。

選擇一個(gè)食用菌種植大棚，食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵的空氣流速比較低，可當(dāng)作不可壓縮流體；食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵過(guò)程含有的高溫氣體依照恒定速率揮發(fā)；空氣的物理性質(zhì)是定值，并且不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；根據(jù)該前提假設(shè)，可有效提升研究結(jié)果與實(shí)際情況的擬合度。

三維流場(chǎng)模型邊界條件為：流體是常溫下的空氣。把軸流風(fēng)機(jī)入口設(shè)定為質(zhì)量流量入口，在集流器和流線罩構(gòu)建的流體區(qū)域和第一級(jí)葉輪流道區(qū)域間、一級(jí)葉輪流道區(qū)域和二級(jí)葉輪流道間、二級(jí)葉輪流道和擴(kuò)散器構(gòu)成的流體區(qū)域間設(shè)定為混合面。軸流風(fēng)機(jī)前后兩級(jí)葉片和輪轂都為靜墻。

1.2 模型構(gòu)建

軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造與流道形狀十分復(fù)雜，以更加合理地反應(yīng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特征為目的，要對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵位置進(jìn)行網(wǎng)格加密[5]。結(jié)合食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)特性和通風(fēng)機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件結(jié)構(gòu)特性，在構(gòu)建通風(fēng)機(jī)內(nèi)部全流場(chǎng)幾何模型過(guò)程中，采用分區(qū)分塊方式，將整個(gè)幾何模型劃分成集流器、前后級(jí)動(dòng)葉輪、前后級(jí)導(dǎo)葉輪與擴(kuò)散器幾個(gè)區(qū)域。等幾個(gè)子區(qū)域流場(chǎng)模型生成之后，依據(jù)各子區(qū)域流場(chǎng)的幾何模型端面交界種類將各子區(qū)域沿著軸向進(jìn)行連接，以此生成全流場(chǎng)幾何模型。

全流場(chǎng)幾何模型選用專用模型制作軟件構(gòu)成。對(duì)構(gòu)建的全流場(chǎng)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格生成處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)設(shè)計(jì)的有限元模型構(gòu)建。

網(wǎng)格不僅是計(jì)算流體力學(xué)模型，即CFD的幾何表征形式，還是模擬和分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于流體力學(xué)模型的精準(zhǔn)計(jì)算十分重要。鑒于基于軸流風(fēng)機(jī)的食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料通風(fēng)發(fā)酵模擬中的幾何模型是十分復(fù)雜的3D幾何模型，因此，選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分中的網(wǎng)格單元選擇的是四面體單元。通過(guò)精細(xì)化的網(wǎng)格劃分，判斷軸流風(fēng)機(jī)疏散食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵高溫氣體最佳參數(shù)，進(jìn)而最大程度降低食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵高溫氣體。

網(wǎng)格是計(jì)算區(qū)域離散的基礎(chǔ)，也是食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)設(shè)計(jì)精細(xì)化的依據(jù)。合理的網(wǎng)格分布可以提升數(shù)值計(jì)算效率，節(jié)省計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，還能夠充分考慮流場(chǎng)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)于流場(chǎng)參數(shù)大體分布的影響。

上述已經(jīng)將食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)整個(gè)流場(chǎng)幾何模型依據(jù)軸流風(fēng)機(jī)部件分為集流器等若干子區(qū)域。在網(wǎng)格生成過(guò)程中，也需要將軸流風(fēng)機(jī)全流場(chǎng)依照這些子區(qū)域分別生成，同時(shí)進(jìn)行不同程度的加密。

當(dāng)前針對(duì)復(fù)雜區(qū)域流場(chǎng)計(jì)算相關(guān)問題大多是經(jīng)專用網(wǎng)格生成軟件生成的。在此，也使用專用網(wǎng)格生成軟件生成軸流風(fēng)機(jī)有限元模型，如圖1所示。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分Fig.1 Axial fan meshing

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于軸流風(fēng)機(jī)的食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料通風(fēng)發(fā)酵模擬有效性，在以下幾方面驗(yàn)證所提方法。

1）軸流風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬下的風(fēng)速分析

針對(duì)食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)具有的特殊性質(zhì)，軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)速不可太高，不然會(huì)影響食用菌種植過(guò)程種植人員舒適程度和正?；顒?dòng)，軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行工作頻率為50 Hz時(shí)的食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵風(fēng)速矢量如圖2所示。

由圖2 a中可知，軸流風(fēng)機(jī)附近氣流速度比較大，高速氣流和扇葉以及風(fēng)機(jī)內(nèi)部壁面之間摩擦?xí)刹糠衷肼?。由圖2 b可知，當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行工作頻率為50 Hz時(shí)，食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵氣流總體可以保持一個(gè)較為平穩(wěn)與低速的狀態(tài)，但風(fēng)機(jī)出口位置風(fēng)速相對(duì)比較大，這符合了風(fēng)機(jī)實(shí)際抽風(fēng)排風(fēng)特性。

圖2 風(fēng)機(jī)工作頻率為50 Hz時(shí)食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵風(fēng)速矢量分布Fig.2 Vector distribution of fermenting wind speed of culture material in edible fungus culture process when the power frequency of the fan is 50 Hz

2）為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法可行性，分別在食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵高溫氣體濃度去除率、模擬情況與實(shí)際值擬合度兩方面驗(yàn)證基于軸流風(fēng)機(jī)的食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料通風(fēng)發(fā)酵模擬運(yùn)行效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖3 不同方法食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵高溫氣體濃度去除率對(duì)比Fig.3 Comparison of removal rates of high temperature gas in fermentation medium of different culture methods

分析圖3可知，參考文獻(xiàn)[4]方法和參考文獻(xiàn)[5]方法在不同實(shí)驗(yàn)次數(shù)下，食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵高溫氣體濃度去除率曲線波動(dòng)比較大，且整體較低，可靠性較差。所提方法利用數(shù)值模擬的方式使用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)精細(xì)化的網(wǎng)格劃分，判斷軸流風(fēng)機(jī)疏散食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵高溫氣體最佳參數(shù)，進(jìn)而最大程度降低了食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵高溫氣體。

模擬情況與實(shí)際值擬合度表示研究方法考慮周全與否，該值越高，則表示提出方法魯棒性越強(qiáng)。由圖4可知，在進(jìn)行數(shù)值模擬前，所提方法設(shè)置了邊界條件，并且采用分區(qū)分塊方式，將整個(gè)幾何模型劃分成集流器、前后級(jí)動(dòng)葉輪、前后級(jí)導(dǎo)葉輪與擴(kuò)散器幾個(gè)區(qū)域，考慮軸流風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況與食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵環(huán)境，有效提升了模擬情況與實(shí)際值擬合度。

圖4 不同方法模擬情況與實(shí)際值擬合度對(duì)比Fig.4 Comparison of simulation results and actual values of different methods

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)設(shè)計(jì)方法存在的問題，提出基于軸流風(fēng)機(jī)的食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料通風(fēng)發(fā)酵模擬方法。利用構(gòu)建軸流風(fēng)機(jī)控制數(shù)學(xué)模型和設(shè)置邊界條件為數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)，通過(guò)網(wǎng)格精細(xì)化劃分構(gòu)建軸流風(fēng)機(jī)有限元模型，完成軸流風(fēng)機(jī)食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵通風(fēng)數(shù)值模擬。經(jīng)驗(yàn)證，軸流風(fēng)機(jī)可有效去除食用菌種植過(guò)程培養(yǎng)料發(fā)酵高溫氣體，含氧量得到有效的補(bǔ)償，各方面性能良好。