蔬菜氣霧栽培箱不同氣流循環(huán)方式的流場和溫度場CFD模擬

蔣 蘋，楊希文，羅亞輝，龍莉霞，石毅新，胡文武

蔬菜氣霧栽培箱不同氣流循環(huán)方式的流場和溫度場CFD模擬

蔣 蘋1,2，楊希文1，羅亞輝1,2，龍莉霞1，石毅新1,2，胡文武1,2

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128；2. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128）

蔬菜氣霧栽培箱內(nèi)的空氣流動和溫度對箱體內(nèi)的環(huán)境調(diào)節(jié)及農(nóng)作物生長具有重要作用，農(nóng)作物周圍空氣的均勻性流動能促進農(nóng)作物的生長速率。為探究蔬菜氣霧栽培箱內(nèi)流場及溫度場分布規(guī)律，基于計算機流體力學(xué)（CFD，computational fluid dynamics）方法，利用FLUENT軟件，結(jié)合標準湍流模型、有孔介質(zhì)模型、作物冠層質(zhì)熱交換模型等，建立了蔬菜氣霧栽培箱不同氣流循環(huán)方式下的CFD模型。并對氣霧栽培箱內(nèi)的環(huán)境進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計了3種氣流循環(huán)方案：頂面進側(cè)面出，側(cè)面進頂面出，側(cè)面進側(cè)面出。對送回風口的不同位置布局進行了研究，并對3種氣流循環(huán)方案進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果可知：氣流為頂面進側(cè)面出方案中，風速位于生菜生長適宜風速值區(qū)域占58.1%，適宜溫度值區(qū)域占93.6%，通風死角區(qū)域占比0.844%；氣流為側(cè)面進頂面出方案中，生菜生長適宜風速值區(qū)域占59.6%，適宜溫度值區(qū)域占99.98% ，通風死角區(qū)域占比0.069%；氣流為側(cè)面進側(cè)面出方案中，風速位于生菜生長適宜風速值區(qū)域占54.3%，適宜溫度值區(qū)域占92.4%，通風死角區(qū)域占比16.7%。分析對比后得到側(cè)面進頂面出為最佳氣流循環(huán)方案。并對此進行了試驗測試，結(jié)果表明：氣霧栽培箱內(nèi)溫度、風速模擬值和實測值進行對比，溫度平均相對誤差為3.9%，均方根誤差為0.86℃。風速平均相對誤差為3.5%，均方根誤差為0.26 m/s，模擬值和實測值誤差較小，模擬效果良好，驗證了CFD模型的準確性。該研究為蔬菜氣霧栽培箱內(nèi)的流場及溫度變化規(guī)律，內(nèi)部環(huán)境調(diào)節(jié)，裝置優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

風速；溫度；計算機流體力學(xué)；優(yōu)化設(shè)計；蔬菜氣霧栽培箱

0 引 言

農(nóng)作物氣霧栽培是無土栽培領(lǐng)域一種新型栽培方式，它不僅能提高作物水肥利用率，還能改善作物根系缺氧，提高土地利用率，減輕環(huán)境污染等。氣霧栽培模式主要有立柱式、金字塔式、梯形式[1]。目前部分學(xué)者對氣霧栽培設(shè)施也有相關(guān)研究，如高建民等[2]、劉義飛[3]、劉巖[4]通過設(shè)計新型的氣霧栽培設(shè)施進行農(nóng)作物的氣霧栽培生產(chǎn)，以此提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。本課題組設(shè)計了一種蔬菜氣霧栽培箱裝置，蔬菜氣霧栽培箱是一種密閉性農(nóng)作物栽培生產(chǎn)系統(tǒng)，適宜在溫室大棚、植物工廠、家庭陽臺等場所對農(nóng)作物進行栽培生產(chǎn)。影響蔬菜氣霧栽培箱內(nèi)農(nóng)作物生長的主要因素有氣流速度、溫度、濕度、光照等。而氣流速度和溫度是影響蔬菜氣霧栽培箱內(nèi)農(nóng)作物冠層生長的重要因素，氣流速度和溫度對農(nóng)作物的蒸騰作用及光合作用有著重要作用，影響農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。研究氣流速度和溫度的變化規(guī)律對推廣氣霧栽培技術(shù)有重要意義。目前CFD（CFD，computational fluid dynamics）主要在溫室、塑料大棚、植物工廠等相關(guān)領(lǐng)域有研究。在氣霧栽培領(lǐng)域采用CFD方法進行流場和溫度場的數(shù)值模擬缺乏理論研究。采用CFD數(shù)值模擬方法對提高氣霧栽培箱內(nèi)部農(nóng)作物栽培的生長效率有著重要作用。目前相關(guān)研究有：王新忠等[5]利用CFD模型對全開型玻璃溫室自然通風進行了流場分析，結(jié)果表明側(cè)窗為45°，天窗調(diào)整至60°時，溫室整體溫度從38.4 ℃降至36.9 ℃，能達到較好的降溫效果。翁衛(wèi)兵等[6]采用CFD方法對冷藏車廂內(nèi)流場的流動特性進行了模擬，結(jié)果表明根據(jù)特定夾角開啟隔熱氣簾風機同時調(diào)節(jié)風向，能有效改善溫度場均勻性分布程度。林加勇等[7]對公豬舍內(nèi)風速場和溫度場環(huán)境分布規(guī)律進行模擬研究，結(jié)果表明風速場模擬值與實測值誤差較小，模擬裝豬時的豬舍，溫度分布結(jié)構(gòu)與裝豬前相似。高云等[8]對多環(huán)境參數(shù)控制的豬養(yǎng)殖箱內(nèi)氣流場進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明養(yǎng)殖箱內(nèi)部的氣流場形成循環(huán)，適宜通風且無死角，養(yǎng)殖箱能夠在較長時間穩(wěn)定運行。大量文獻研究都證明了流場和溫度場對農(nóng)作物的生長有著極大影響。目前研究中尚未使用CFD方法用于氣霧栽培種植技術(shù)中，本文在前人研究基礎(chǔ)上使用CFD方法確定農(nóng)作物在氣霧栽培中的適宜風速大小及溫度范圍。建立的CFD模型能為氣霧栽培技術(shù)的環(huán)境建模和控制提供理論參考，彌補物理試驗的不足。

為了調(diào)節(jié)蔬菜氣霧栽培箱體氣流及溫度分布的均勻性，合理布置氣霧栽培箱進風口和出風口，避免氣流在氣霧栽培箱內(nèi)部及農(nóng)作物葉片周圍產(chǎn)生繞流，影響農(nóng)作物正常的光合作用和蒸騰作用，該文采用計算機流體力學(xué)方法對氣霧栽培箱內(nèi)部流場和溫度場進行數(shù)值模擬，并通過試驗驗證氣霧栽培箱內(nèi)部流場及溫度場分布規(guī)律。同時通過合理設(shè)置進風口速度大小及進出風口位置，使氣霧栽培箱內(nèi)的氣流速度與溫度兩者達到適宜及均勻的狀態(tài)，讓生菜在氣霧栽培箱內(nèi)的生長環(huán)境處于最優(yōu)狀態(tài)，達到高質(zhì)高產(chǎn)的目的，以期為氣霧栽培箱的設(shè)計及優(yōu)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本課題組設(shè)計的蔬菜氣霧栽培箱裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。外部形狀為一個正六棱，尺寸邊長0.35 m，高度1.6 m。氣霧栽培箱框架由不銹鋼方鋼焊接而成，頂面、底面及四周用透明亞克力板（PMMA，polymeric methyl methacrylate）進行封裝。內(nèi)部栽培架則由6塊擠塑板組成，每一塊擠塑板的尺寸長1.6 m，寬0.35 m。農(nóng)作物種植在擠塑板（XPS，extruded polystyrene）的定植孔內(nèi)。氣霧栽培箱底部營養(yǎng)液槽里面的營養(yǎng)液通過增壓泵增壓，把營養(yǎng)液通過頂部的高壓霧化噴頭噴射到農(nóng)作物根系，以此提供給農(nóng)作物生長所需的養(yǎng)分和水分。氣霧栽培箱內(nèi)的送風系統(tǒng)采用頂面送回風或側(cè)面送回風的方式，頂面送回風口呈120°角均勻布置3個，尺寸長為6 cm，寬為6 cm，對應(yīng)為圖1中頂板上3個正方形開口；側(cè)面送回風口呈120°角均勻布置在3塊亞克力板上，每塊亞克力板上均勻布置3個送回風口，尺寸長6 cm，寬6 cm，對應(yīng)為圖1中亞克力板上9個正方形開口。

1. 亞克力底板 2.過濾網(wǎng) 3.XPS定植板 4.定植孔 5.防水遮陽膜 6.不銹鋼支撐架 7.亞克力板 8.頂板 9.排風扇 10.不銹鋼環(huán)形噴霧圓環(huán) 11.霧化噴頭 12.進回風口 13.PVC管 14.增壓泵 15.營養(yǎng)液槽

1.2 試驗條件

試驗在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院智能氣候室內(nèi)進行，氣霧栽培箱位于智能氣候室內(nèi)。以智能氣候室為環(huán)境背景倉，對農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)進行設(shè)置，模擬出外界環(huán)境真實值。本文以蔬菜氣霧栽培箱為研究對象，以生菜為試材。對于生菜生長所需溫度，根據(jù)張成波等[9]研究表明生菜發(fā)芽期適宜空氣溫度為18～20 ℃，幼苗期光期空氣溫度為15～20 ℃，采收期光期空氣溫度18～20 ℃。根據(jù)Kitaya，Thongbai等[10-12]研究可知，氣流速度在0.3～1.3 m/s范圍內(nèi)適宜植物生長，植物蒸騰作用及光合作用隨著氣流速度的增大而增強，植物周圍空氣流動能促進植物生長。以智能氣候室為環(huán)境背景倉，設(shè)置適合生菜生長所需的溫濕度，氣霧栽培箱外部環(huán)境溫度設(shè)置為18 ℃，相對濕度控制在85%，光照時間間隔設(shè)置為12 h。

1.3 試驗方法

本文以蔬菜氣霧栽培箱為研究對象，以生菜為試材。對蔬菜氣霧栽培箱送回風口的不同位置布局設(shè)計出了3種氣流循環(huán)方案，利用FLUENT軟件，對蔬菜氣霧栽培箱內(nèi)的流場和溫度場進行數(shù)值模擬，得到最優(yōu)方案。然后通過試驗對最優(yōu)的方案進行驗證。試材生菜種植在在氣霧栽培箱內(nèi)部擠塑板上的定植孔內(nèi)，在擠塑板上的生菜冠層布置風速及溫度監(jiān)測點，每個監(jiān)測點距離擠塑板水平距離約5 cm，每塊擠塑板上均勻布置3個監(jiān)測點，從上往下間隔依次為40 cm，左右等距，6個面總共布置18個測量風速值及溫度值監(jiān)測點，如圖2所示。使用長為8 cm，寬為8 cm的軸流風機調(diào)控風速，可布置在12個進回風口處，如圖2所示，風速可控范圍在0～3.8 m/s。溫度采用溫度傳感器測量（深圳燦輝電子有限公司生產(chǎn)），布置在溫度監(jiān)測點處，溫度測量范圍為-50～110℃，測試精度：±0.5 ℃，采樣周期2 s。風速值測量采用手持數(shù)字風速儀進行測量，在風速監(jiān)測點處測量，分辨率為0.001 m/s，風速測量誤差±3%。

注：l表示18個風速和溫度值監(jiān)測點?！瓯硎据S流風機安裝位置。

2 CFD模型

2.1 數(shù)值模型

2.2 生菜作物冠層質(zhì)熱交換模型

氣霧栽培箱內(nèi)部生長的生菜把截獲的光照輻射以顯熱和潛熱的方式與周圍空氣進行質(zhì)熱交換，根據(jù)作物冠層的能量平衡原理建立數(shù)學(xué)模型[14]：

2.3 生菜作物多孔介質(zhì)模型

2.4 定義材料和邊界條件

對氣霧栽培箱模型進行簡化，該型氣霧栽培箱為封閉式，因在智能氣候室內(nèi)對真實環(huán)境進行模擬設(shè)置，所以不存在太陽光直射，光照來源于智能氣候室內(nèi)的植物生長燈，所以忽略太陽輻射，將氣霧栽培箱6個亞克力板壁面簡化為溫度面（wall-temperature）；將氣霧栽培箱XPS栽培板設(shè)置為絕熱壁面（wall）；進風口設(shè)置為速度入口（velocity-inlet）；出風口設(shè)置為壓力出口，壓力設(shè)置為0；進出風溫度設(shè)置為實測值18 ℃[18-20]。模擬的主要參數(shù)和取值如表1所示。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置和取值

2.5 計算域和網(wǎng)格劃分

對氣霧栽培箱模型進行簡化，建模比例為1∶1，選取氣霧栽培箱葉片生長區(qū)作為計算域。在Ansys Workben-ch的ICEM模塊中進行網(wǎng)格劃分，由于六面體網(wǎng)格節(jié)點易于計算，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成的網(wǎng)格質(zhì)量高，采用結(jié)構(gòu)化六面體方式對氣霧栽培箱進行網(wǎng)格劃分，利用Fluent軟件對網(wǎng)格文件進行后處理。最后計算出網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為531 628，網(wǎng)格數(shù)量為3 070 692，網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好。圖3為蔬菜氣霧栽培箱網(wǎng)格劃分圖。

圖3 氣霧栽培箱網(wǎng)格劃分

3 CFD模擬和氣流循環(huán)優(yōu)化設(shè)計

3.1 模擬優(yōu)化方案設(shè)計

為探究氣霧栽培箱內(nèi)部生菜葉片生長區(qū)域的風速及溫度分布，選取氣霧栽培箱內(nèi)部生菜冠層平面進行分析，通過相關(guān)文獻[10-12]可知生菜作物冠層平面適宜風速處于0.3～1.30 m/s。

為了使氣霧栽培箱氣流和溫度滿足生菜作物生長需要，根據(jù)鄧書輝等[21]、姚家君等[22]、胥芳等[23]、呂曉蘭等[24]學(xué)者對不同通風循環(huán)模式下流場和溫度場的研究，本文設(shè)計了3種氣流循環(huán)方式，即方案1，頂面進側(cè)面出；方案2，側(cè)面進頂面出；方案3，側(cè)面進側(cè)面出。如圖4所示。利用CFD模擬并比較3種方案中生菜生長冠層平面風速及溫度分布規(guī)律，得出最優(yōu)氣流循環(huán)方案。

注：紅色平面表示截面A、B和C。

方案1、方案2、方案3三維模型建立都相同，網(wǎng)格劃分也都一致。將回風口設(shè)置為壓力出口邊界條件，將進風口設(shè)置為速度入口邊界條件。為保證生菜生長區(qū)域在所需的適宜風速范圍內(nèi)，對不同方案的通風量，入口風速依據(jù)下列公式進行計算[25]：

3.2 方案模擬仿真分析

3.2.1 頂面進側(cè)面出

方案1是頂面3個送風口進風，3個側(cè)面9個回風口出風。對溫度分布圖5a和5b分析可知，從送風口處向下呈兩邊回流的趨勢分布?；亓鳒囟鹊姆植寂c氣流的分布存在一定耦合關(guān)系，風速值較大區(qū)域溫度值較小，風速值較小區(qū)域溫度值較大。高溫區(qū)域主要集中在進口截面的兩側(cè)，這是因為空氣從進口進去后會在兩側(cè)形成兩個渦，與主流區(qū)域的能量交換較少，所以溫度相對較高。作物冠層平面最大溫度為24.55 ℃；溫度平均值為19.05 ℃；適宜溫度所占百分比為93.6%。

對進口截面氣流速度分布圖5c和5d分析可知，氣流經(jīng)由氣霧栽培箱頂面3個送風口進入箱體后，主流區(qū)域直接沖向底部，沖擊底部后再向上流動。送風口下方氣流變化梯度較大，氣流方向垂直向下，并且主要集中在送風口的下部，然后沿著豎直方向向下移動，在氣霧栽培箱內(nèi)形成漩渦流。部分氣流從氣霧栽培箱側(cè)面回風口流出，導(dǎo)致氣霧栽培箱內(nèi)部風速減小。對速度分布流線圖5e分析可知，速度從進口進入后，主流區(qū)域會在觸底后向上流動，并從兩側(cè)的出口流出，整體呈現(xiàn)出對稱流動，3個出口中靠近底部區(qū)域的出口流量比較大，而靠近上側(cè)的出口流量比較小。作物冠層平面最大風速為1.43 m/s；內(nèi)部風速平均值為0.19 m/s；適宜風速所占百分比為58.1%。

3.2.2 側(cè)面進頂面出

方案2是3個側(cè)面9個送風口進風，頂面3個回風口出風。對溫度分布圖6a和6b分析可知，送風口處溫度較低，回風口處溫度稍高，底部區(qū)域的溫度略高于中間區(qū)域，這是因為從3個側(cè)面進風以后，空氣主要向上流動，造成了底部區(qū)域的溫度略高于中間區(qū)域，風速小的地方溫度較高，風速大的地方溫度較低，但整體內(nèi)部溫度分布較為均勻，溫度與氣流的分布存在一定的耦合關(guān)系。作物冠層平面最大溫度為21.68 ℃；最小溫度為17.85 ℃；溫度平均值為18.38 ℃；適宜溫度所占百分比為99.98%。

圖5 方案1溫度和速度分布云圖及速度分布流線圖

對氣流速度分布圖6c和6d分析可知，氣流經(jīng)由氣霧栽培箱3個側(cè)面9個送風口進入箱體后，進口速度較高，沖擊內(nèi)壁面后向兩側(cè)流動，速度分布相對比較均勻。從進口截面上的溫度分布云圖可以看出，溫度分布比較均勻，沒有明顯的高溫與低溫區(qū)域。兩個進口面中間的區(qū)域溫度略高于進口面進風口上下方向。氣流方向朝遠離送風口的方向速度逐漸變小。氣流從氣霧栽培箱頂面回風口流出時氣流速度有變大的趨勢。對速度分布流線圖6e分析可知，流動整體分布比較均勻，沒有明顯的高速與低速。底部區(qū)域的流動比較小，這是因為出口在上側(cè)，流體進去后，主要向上流動。作物冠層平面最大風速為1.62 m/s；內(nèi)部風速平均值為0.19 m/s；適宜風速所占百分比為59.6%。

圖6 方案2溫度和速度分布云圖及速度分布流線圖

3.2.3 側(cè)面進側(cè)面出

方案3是1個側(cè)面3個送風口進風，2個側(cè)面6個回風口出風。對溫度分布圖7a和7b分析可知，送風口處溫度向前逐漸變高，兩邊逐漸降低?；仫L口處溫度稍高，靠近進口端面的溫度比較低，出口端面的溫度比較高?？拷隹诮孛嫔系臏囟缺容^高。溫度整體呈現(xiàn)出明顯的左右不均勻性。作物冠層平面最大溫度為25.95 ℃；最小溫度為17.65 ℃；溫度平均值為19.2 ℃；適宜溫度所占百分比為92.4%。

對氣流速度分布圖7c和7d分析可知，進風口上下方向氣流變化梯度較大，進口面上的速度比較高，其余5個面域的速度比較低，速度分布的均勻性比較差。送風口出氣流速度較大，氣流方向朝遠離送風口的方向速度向四周逐漸變小，3個送風口的氣流分布上下不均勻，存在回風口的2個側(cè)面氣流分布梯度較小，氣流從回風口流出時氣流速度有變大的趨勢，靠近出口的截面上整體速度比較低。對速度分布流線圖7e分析可知，進口段流線分布比較密集，該段的流速較高，進去后從兩側(cè)出口流出，進口端正對面的區(qū)域中，流動情況比較差。作物冠層平面最大風速為1.41 m/s；內(nèi)部風速平均值為0.08 m/s；適宜風速所占百分比為54.3%。

圖7 方案3溫度和速度分布云圖及速度分布流線圖

3.2.4 方案優(yōu)化討論

對3個方案溫度和風速分布云圖分析及表2、3可知。風速送風口處風速一般比較大，溫度較低，所以溫度的分布與氣流的分布存在一定耦合關(guān)系，風速較大區(qū)域溫度較小。3個方案風速最小值都為0，方案1風速最大值為1.43 m/s，風速平均值為0.19 m/s。風速位于生菜生長適宜風速值0.3～1.3 m/s的區(qū)域占58.1%，溫度平均值為19.05 ℃，溫度位于生菜生長適宜溫度值15～20 ℃的區(qū)域占93.6%。方案2風速最大值為1.62 m/s，風速平均值為0.19 m/s。風速位于生菜生長適宜風速值0.3～1.3 m/s的區(qū)域占59.6%，溫度平均值為18.38 ℃，溫度位于生菜生長適宜溫度值15～20 ℃的區(qū)域占99.98%。方案3風速最大值為1.41 m/s，風速平均值為0.08 m/s。風速位于生菜生長適宜風速值0.3~1.3 m/s的區(qū)域占54.3%，溫度平均值為19.2℃，溫度位于生菜生長適宜溫度值15~20℃的區(qū)域占92.4%。綜合比較3種方案，方案2為最優(yōu)方案。

表2 不同氣流循環(huán)方案作物冠層平面風速

表3 不同氣流循環(huán)方案作物冠層平面溫度

3.2.5 方案通風死角討論

氣霧栽培箱內(nèi)部進行農(nóng)作物栽培時，由于部分區(qū)域通風不均勻會產(chǎn)生死角，導(dǎo)致沒有氣流速度分布，影響溫度的分布均勻性，會影響農(nóng)作物的正常生長。所以對進出風口的設(shè)計布局顯得尤為重要，包括進出風口大小、數(shù)量、布局等都會影響氣流的均勻流動。設(shè)計合理的進出風口可避免農(nóng)作物生長過程中引起的一系列生產(chǎn)問題。對文中3種方案的死角問題進行討論，通過數(shù)值模型截面分析可知（如表4和圖8所示）。

注：紅框表示通風死角區(qū)域

方案1中，通風死角區(qū)域占比0.844%，主要分布在通風進口面和通風出口面之間的交界處靠近上側(cè)的部分，這是因為風從上側(cè)進入后，到達底部區(qū)域后方向旋轉(zhuǎn)，向上流動，從出口面的3個出口流出，越向上風流量越小，所以在上側(cè)區(qū)域會出現(xiàn)部分死角。方案2中，通風死角區(qū)域占比僅0.069%，沒有明顯的通風死角，主要原因是進出風口布局較為合理。方案3中，通風死角區(qū)域較大，占16.7%，主要分布在2個出口所在面的中間區(qū)域，這是因為風從進口進去后，直接從兩側(cè)流向出口，只有極少空氣流向兩個出口的中間區(qū)域。通過對3中方案進行對比可知，方案2的通風性較好，通風死角區(qū)域占比最小。

表4 不同方案通風死角所占百分比及溫度平均值

3.3 試驗結(jié)果分析與CFD模型驗證

為驗證仿真模型的可靠性和正確性，在蔬菜氣霧栽培箱內(nèi)種植生菜的情況下，對最優(yōu)方案2各點溫度和風速的實測值與模擬值進行試驗驗證，如圖9所示。對圖9a的18個溫度監(jiān)測點的模擬值與實測值進行對比分析可知，測點11的誤差值最大，最大誤差為1.35 ℃，相對誤差最大6.9%，平均相對誤差為3.9%，均方根誤差為0.86 ℃。對圖9b的18個風速監(jiān)測點的模擬值與實測值進行對比分析可知，測點6的絕對誤差最大，最大誤差為0.54 m/s，相對誤差最大9.5%，平均相對誤差為3.5%，均方根誤差為0.26 m/s。

從圖中對數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，實測值與模擬值存在偏差，但整體的溫度和風速分布較為均勻，所建立的CFD模型是準確的，可用此模型對其他方案進行驗證分析。

4 結(jié) 論

1）本文中設(shè)計了3種氣流循環(huán)方式：方案1為頂面進側(cè)面、方案2為側(cè)面進頂面出、方案3為側(cè)面進側(cè)面出。對3個方案溫度和風速分布云圖分析后得到風速送風口處風速一般比較大，溫度較低，風速較大區(qū)域溫度較小，溫度的分布和氣流的分布存在一定耦合關(guān)系。方案1風速位于生菜生長適宜風速值區(qū)域占58.1%，適宜溫度值區(qū)域占93.6%，通風死角區(qū)域占比0.844%。方案2風速位于生菜生長適宜風速值區(qū)域占59.6%，適宜溫度值區(qū)域占99.98%，通風死角區(qū)域占比0.069%。方案3風速位于生菜生長適宜風速值區(qū)域占54.3%,，適宜溫度值區(qū)域占92.4%，通風死角區(qū)域占比16.7%。綜合比較3種方案并結(jié)合生菜生長的溫度和風速，方案2為最優(yōu)方案。

2）將18個點的模擬值與實測值進行對比，溫度平均相對誤差為3.9%，均方根誤差為0.86 ℃。風速平均相對誤差為3.5%，均方根誤差為0.26 m/s。模擬值和實測值誤差較小，模擬效果良好。建立的CFD模型可準確的描述蔬菜氣霧栽培箱內(nèi)部的流場和溫度場變化規(guī)律和空間分布特性。

圖9 氣霧栽培箱溫度及風速監(jiān)測點模擬值與實測值比較

3）本文中模擬了3種氣流循環(huán)方案，得到側(cè)面進頂面為最佳氣流循環(huán)模式，并對送回風口的不同位置布局進行了研究。如果繼續(xù)進行優(yōu)化研究，可結(jié)合正交試驗方法，將送回風口大小、風速、數(shù)量及位置等設(shè)置為不同因素，對該類蔬菜氣霧栽培箱的送回風口的通風進行優(yōu)化設(shè)計，避免通風死角區(qū)域，模擬并設(shè)計出最佳通風模式。

4）所建立的CFD模型，模擬預(yù)測了不同氣流循環(huán)方式下蔬菜氣霧栽培箱內(nèi)部溫度及風速的變化規(guī)律。本文對單個的蔬菜氣霧栽培箱流場和溫度場進行了模擬，可對大規(guī)模商業(yè)化種植，包括在溫室大棚內(nèi)氣霧栽培設(shè)備布局、大型霧化工廠種植、家庭陽臺霧化裝置等，氣霧栽培技術(shù)的環(huán)境建模和控制提供更多理論依據(jù)和信息，彌補物理試驗的不足。

[1] 張建國，何春梅，凌敏，等. 氣霧栽培的應(yīng)用與研究綜述[J]. 林業(yè)與環(huán)境科學(xué)，2017，33(4)：130－134.

Zhang Jianguo, He Chunmei, Ling Min, et al. Review on the application and research progress of aeroponic cultivation[J]. Forestry and Environmental Science, 2017, 33(4): 130－134. (in Chinese with English abstract)

[2] 高建民，黃桂珍，尹文楚，等. 桁架式超聲霧化栽培器的霧滴沉降和根際溫濕度變化規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(6): 185－192. Gao Jianmin, Huang Guizhen, Yin Wenchu, et al. Variation of root-zone droplet deposition, temperatureand humidity of truss ultrasonic atomization cultivator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(6): 185－192. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉義飛. 基于LabVIEW的溫室番茄霧培控制系統(tǒng)研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2014. Liu Yifei. Aeroponics Control System for Tomato Cultivation in Greenhouse Based on LabVIEW[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014. (in Chinese with English abstract)

[4] 劉巖. 植物工廠中霧培成套裝置的設(shè)計與應(yīng)用[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2014. Liu Yan. Design and Application of Aeroponics Package Unit in Plant Factory[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[5] 王新忠，張偉建，張良，等. 基于CFD的夏季屋頂全開型玻璃溫室自然通風流場分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(10): 332－337. Wang Xinzhong, Zhang Weijian, Zhang Liang, et al. Analysis of flow field for full open-roof glass greenhouse with nature ventilation in summer based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(10): 332－337. (in Chinese with English abstract)

[6] 翁衛(wèi)兵，房殿軍，李強，等. 冷藏運輸廂內(nèi)流場和溫度場協(xié)同控制[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014, 45(6): 260－265. Weng Weibing, Fang Dianjun, Li Qiang, et al. Cooperative control of flow field and temperature field in refrigerated transport carriage[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(6): 260－265. (in Chinese with English abstract)

[7] 林加勇，劉繼軍，孟慶利，等. 公豬舍夏季溫度和流場數(shù)值CFD模擬及驗證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(23): 207－212. Lin Jiayong, Liu Jijun, Meng Qingli, et al. Numerical CFD simulation and verification of summer indoor temperature and airflow field in boar building[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(23): 207－212. (in Chinese with English abstract)

[8] 高云，陳震撼，王瑜，等. 多環(huán)境參數(shù)控制的豬養(yǎng)殖箱設(shè)計及箱內(nèi)氣流場分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(2)：203－212. Gao Yun, Chen Zhenhan, Wang Yu, et al. Design for pig breeding chamber under multiple environment variable control and analysis of internal flow field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 203－212. (in Chinese with English abstract)

[9] 張成波，楊其長. 植物工廠概論[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2005：56－156.

[10] Kitaya Y, Tsuruyama J, Shibuya T, et al. Effects of air current speed on gas exchange in plant leaves and plant canopies[J]. Advances in Space Research the Official Journal of the Committee on Space Research, 2003, 31(1): 177－182.

[11] Thongbai P, Kozai T, Ohyama K. CO2and air circulation effects on photosynthesis and transpiration of tomato seedlings[J].Scientia Horticulturae, 2010, 126(3): 338－344.

[12] Kitaya Y. Effects of air velocity on photosynthesis of plant canopies under elevated CO2levels in a plant culture system[J]. Advances in Space Research the Official Journal of the Committee on Space Research, 2004, 34(7): 1466－1469.

[13] Versteeg H K, Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics[M]. London: Longman Group Ltd. , 1995.

[14] Boulard T, Wang S. Experimental and numerical studies on the heterogeneity of crop transpiration in a plastic tunnel[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2002, 34(1/2/3): 173－190.

[15] Bruse M. Development of a Numerical Model for the Simulation of Exchange Processes Between Small Scale Environmental Design and Microclimate in Urban Areas[D]. Bochum: University of Bochum, 1998.

[16] Bruse M．Development of a Micro-scale Model for the Calculation of Surface Temperature in Structured Terrain[D]. Bochum: University of Bochum，1995．

[17] Kichah A, Bournet P E, Migeon C, et al. Measurement and CFD simulation of microclimate characteristics and transpiration of an impatiens pot plant crop in a greenhouse[J]. Biosystems Engineering, 2012, 112(3): 252 －252.

[18] Wilson J D. Numerical studies of flow through a windbreak[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 1985, 21(2): 119－154.

[19] 王福軍. 計算流體動力學(xué)分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004: 1－57.

[20] 張師帥. 計算流體動力學(xué)及其應(yīng)用[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011：1－110.

[21] 鄧書輝，施正香，李保明，等. 擋風板對低屋面橫向通風牛舍內(nèi)空氣流場影響的PIV測試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(1)：188－194. Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, et al. Influence of baffle on air flow field in low profile cross ventilated cattle barn analysis based on PIV test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 188－194. (in Chinese with English abstract)

[22] 姚家君，郭彬彬，丁為民，等. 基于鵝舍氣流場CFD模擬的通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(3)：214－220. Yao Jiajun, Guo Binbin, Ding Weimin, et al. Structure optimization and validation of goose house ventilation system based on airflow field simulation by CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 214－ 220. (in Chinese with English abstract)

[23] 胥芳，蔡彥文，陳教料，等. 濕簾-風機降溫下的溫室熱/流場模擬及降溫系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(9)：201－208. Xu Fang, Cai Yanwen, Chen Jiaoliao, et al. Temperature/ flow field simulation and parameter optimal design for greenhouses with fan-pad evaporative cooling system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(9): 201－208. (in Chinese with English abstract)

[24] 呂曉蘭，張美娜，常有宏，等. 果園風送噴霧機導(dǎo)流板角度對氣流場三維分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(15)：81－87. Lü Xiaolan, Zhang Meina, Chang Youhong, et al. Influence of deflector angles for orchard air-assisted sprayer on 3D airflow distribution[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 81－87. (in Chinese with English abstract)

[25] 蔡增基，龍?zhí)煊? 流體力學(xué)泵與風機[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：156－179.

CFD simulation of flow field and temperature field of different air flow circulation modes in vegetable aeroponics cultivation box

Jiang Pin1,2, Yang Xiwen1, Luo Yahui1,2, Long Lixia1, Shi Yixin1,2, Hu Wenwu1,2

(1.410128,; 2.410128,)

The air flow and temperature in the vegetable aeroponics cultivation box play an important role in the internal environment regulation and crop growth. The uniform air flow around crops can promote the growth rate of the crop. In order to study the distribution of flow field and temperature field in vegetable aeroponics cultivation box, CFD models of vegetable aeroponics cultivation box under different air flow circulation modes were established based on computational fluid dynamic (CFD) method, FLUENT software, standard turbulence model, porous medium model, crop canopy heat exchange model. The environment in the aeroponics cultivation box was optimized, and three air flow circulation schemes were designed(air flows from top to side, side to top and side to side). The layout of the different positions of the return air outlets was studied, and the numerical simulations of the three airflow circulation schemes were carried out. The simulation results showed that in the scheme of air flow entering from the top and exiting from the side, the suitable wind speed value area of lettuce accounts for 58.1%, the suitable temperature value area accounts for 93.6%, and the ventilation dead zone area accounts for 0.844%.In the scheme of air flow side entering and exiting the top surface, the suitable wind speed value area of lettuce accounts for 59.6%, the suitable temperature value area accounts for 99.98%, and the ventilation dead zone area accounts for 0.069%. In the scheme of air flow side entering side exit, the suitable wind speed value area for lettuce growth accounts for 54.3%, the suitable temperature value area accounts for 92.4%, and the ventilation dead zone area accounts for 16.7%. After comparison, the side entering the top surface was obtained as the optimal air circulation scheme. The temperature and wind speed simulation values and measured values in the aeroponics cultivation box were compared. The results showed that the average temperature relative error was 3.9% and the root mean square error was 0.86 ℃. The average relative error of wind speed was 3.5%, and the root mean square error was 0.26 m/s. The error between simulated and measured values was small, and the simulation effect was good. The accuracy of the CFD model was verified. In crop cultivation, aeroponics was a new cultivation method in the field of soilless cultivation, which could be applied to greenhouses, plant factories, family balconies and other places through microclimate control technology. In this paper, by regulating the wind speed in the aeroponics box, the climate growth environment and temperature uniformity of the crops can be ensured, and the problems of the roots and canopies of the crops can be effectively solved, and the crop yield and quality can be improved. Airflow velocity and temperature are important factors for crop growth in aeroponics boxes, which affect the transpiration and photosynthesis of crops. Therefore, it is of great significance to study the changes of air velocity and temperature to promote air aeroponics technology. This study provides a reference for the flow field and temperature change law in vegetable aeroponics cultivation box, internal environment adjustment and device optimization design.

wind speed; temperature; computational fluid dynamics; optimization design; vegetable aeroponics cultivation box

2019-02-20

2019-07-16

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0700903-2）；湖南省重點研發(fā)計劃項目（2018NK2063）

蔣 蘋，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機械智能控制研究。Email：teacher_jp@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.026

S317

A

1002-6819(2019)-16-0233-09

蔣 蘋，楊希文，羅亞輝，龍莉霞，石毅新，胡文武.蔬菜氣霧栽培箱不同氣流循環(huán)方式的流場和溫度場CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(16)：233－241. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.026 http://www.tcsae.org

Jiang Pin, Yang Xiwen, Luo Yahui, Long Lixia, Shi Yixin, Hu Wenwu. CFD simulation of flow field and temperature field of different air flow circulation modes in vegetable aeroponics cultivation box[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 233－241. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.026 http://www.tcsae.org