基于CFD技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用于海南氣候條件的自然對(duì)流換熱型植物工廠

熊致遠(yuǎn) 蓋志武 張一凡 何暢

(海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院海南海口571158)

海南島地處北緯18°10′～20°10′，屬熱帶季風(fēng)氣候，可在不進(jìn)行人工供暖的情況下四季種植農(nóng)作物。1981—2010年，海南島平均氣溫24.5℃，總體來(lái)看適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)。但是，海南省也易遭受極端高溫以及熱帶氣旋強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、龍卷風(fēng)、大霧等自然災(zāi)害影響。2019年，高溫和自然災(zāi)害使農(nóng)作物受災(zāi)約0.19萬(wàn)hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失約0.58億元。海南島氣溫偏高，降水日數(shù)多、降水量較高，這又加大了瓜菜病害的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)［1］。因此，對(duì)于海南農(nóng)業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)，尋找一種既可以充分利用海南島氣候優(yōu)勢(shì)條件，又可以減小海南島氣候不利因素影響的方法是亟待解決的問(wèn)題。植物工廠受自然條件影響小，作物生產(chǎn)計(jì)劃性強(qiáng)，作物生長(zhǎng)速度快、周期短，自動(dòng)化程度高，無(wú)污染；因此，建立植物工廠是目前解決上述問(wèn)題的最優(yōu)方案［2］。沒(méi)有強(qiáng)制對(duì)流的植物工廠屬于微型溫室，是弱風(fēng)且高溫的。因此，研究低風(fēng)速通風(fēng)過(guò)程的植物工廠結(jié)構(gòu)特征的影響因素，可為設(shè)計(jì)更有效的熱驅(qū)動(dòng)通風(fēng)植物工廠提供參考。傳統(tǒng)的研究方法需要先制造實(shí)體模型再進(jìn)行測(cè)量，成本高、效率低。本文采用CFD仿真方法，可低成本且快速地比較更有效的熱驅(qū)動(dòng)通風(fēng)的植物工廠結(jié)構(gòu)特征。

1 研究背景

1.1 植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀

植物工廠的定義最早是20世紀(jì)70年代美籍日本學(xué)者穆拉希格提出的，是指通過(guò)對(duì)設(shè)施內(nèi)作物生長(zhǎng)條件高精度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)。即人為對(duì)植物生育的溫度、濕度、光照、濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等生長(zhǎng)條件進(jìn)行控制，使設(shè)施內(nèi)的植物生長(zhǎng)發(fā)育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)模式。按通風(fēng)方式可分為強(qiáng)制對(duì)流換熱植物工廠和自然對(duì)流換熱植物工廠［3］。

植物工廠雖然早期投資成本較高，但通過(guò)初期建設(shè)費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)用以及生產(chǎn)成本費(fèi)用的優(yōu)化，其單位面積產(chǎn)量的初期設(shè)備費(fèi)與溫室相同或低于溫室，冬季加溫費(fèi)用也可大幅度降低［2］。對(duì)于海南的獨(dú)特氣候，自然對(duì)流換熱型植物工廠可以節(jié)省供暖系統(tǒng)的能量消耗，使用成本更低。

植物工廠技術(shù)雖越來(lái)越完善，但仍存在很多局限，致使植物工廠的大規(guī)模普及推廣較為困難。其主要的原因是植物工廠的建設(shè)成本較高，運(yùn)行成本也高，系統(tǒng)耗電量較大，生產(chǎn)成本投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)產(chǎn)出價(jià)值。人工光型密閉式植物工廠中電能消耗成本通常約占總運(yùn)營(yíng)成本的50%～60%［4］。植物工廠的電能消耗主要用于提供光照、補(bǔ)充熱量、調(diào)節(jié)空氣流速等3個(gè)方面，而利用自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)空氣流通的自然對(duì)流換熱植物工廠，可節(jié)省用于調(diào)節(jié)空氣流速的通風(fēng)扇的電力消耗，更加節(jié)約成本。自然通風(fēng)是由風(fēng)或溫差在通風(fēng)口處產(chǎn)生的壓力差驅(qū)動(dòng)的［5］。因此對(duì)于自然對(duì)流換熱植物工廠來(lái)說(shuō)，植物工廠內(nèi)外溫差以及風(fēng)速差是影響其內(nèi)部空氣流速的主要因素。此外，植物工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)（隔板、支架、空氣流道）、植物的體積和形狀、植物的蒸騰作用也對(duì)植物工廠內(nèi)的空氣流速有影響。因此可以通過(guò)優(yōu)化植物工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)提高空氣流速，進(jìn)一步節(jié)約生產(chǎn)成本。

1.2 植物生長(zhǎng)條件

植物和大氣之間二氧化碳和水蒸氣的交換由光合作用、蒸騰作用控制，植物工廠內(nèi)的空氣交換對(duì)植物是否能高質(zhì)量生長(zhǎng)起到關(guān)鍵作用。一般來(lái)說(shuō)，光合作用和蒸騰作用是由氣孔阻力和邊界層阻力共同控制的，葉片邊界層阻力主要受氣流速度控制。不充分的氣體流動(dòng)會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育。風(fēng)速為0～1.3 m/s，植物蒸騰速率和凈光合效率隨風(fēng)速增加而增強(qiáng)，水分利用效率隨風(fēng)速增加而降低；為了既能提高凈光合速率，又能減少灌溉用水，植物生長(zhǎng)區(qū)的風(fēng)速宜控制在0.3～1 m/s［6］。

凈光合速率Pn由Fujiwara建立的方程估算。

式中k為CO2體積與分子量的轉(zhuǎn)換系數(shù)；N為生長(zhǎng)室換氣次數(shù)；V為生長(zhǎng)腔的風(fēng)量；Cin和Cout分別為光周期內(nèi)穩(wěn)態(tài)條件下生長(zhǎng)腔內(nèi)外的CO2濃度；S為CO2供給量；A為葉片面積［7］。

可見(jiàn)，溫室內(nèi)的CO2濃度與凈光合速率成正相關(guān)，因此，植物工廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使CO2氣體供應(yīng)到通風(fēng)溫室中，并保持與室外相似的濃度。研究表明，常規(guī)的沒(méi)有強(qiáng)制對(duì)流換氣的植物生長(zhǎng)室內(nèi)的CO2濃度比外界的CO2濃度（460 μmol/mol）低160～220 μmol/mol，即使使CO2氣體從室外通過(guò)溫室通風(fēng)口流到溫室內(nèi)，使CO2濃度仍比室外低約50～60 μmol/mol［8］。

光照和溫度對(duì)植物生長(zhǎng)也有影響。光照條件下種子的發(fā)芽率要比黑暗條件下的種子發(fā)芽率高。種子發(fā)芽也會(huì)受到溫度的抑制作用，過(guò)高的溫度會(huì)抑制種子的發(fā)芽，在25℃以上，生菜的發(fā)芽率為零。葉類蔬菜生長(zhǎng)的最適溫度為20～25℃［9］。在植物工廠設(shè)計(jì)中，要盡可能通過(guò)自然對(duì)流的方式帶走因LED光源產(chǎn)生的積熱。

1.3 CFD方法介紹

CFD方法是借助計(jì)算流體力學(xué)軟件來(lái)仿真流體流動(dòng)的方法。計(jì)算流體力學(xué)軟件是以電子計(jì)算機(jī)為工具的軟件系統(tǒng)，它可以準(zhǔn)確地模擬密閉環(huán)境內(nèi)的溫度和氣流分布，目前廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、環(huán)境、建筑等多個(gè)領(lǐng)域［10］。FLUENT是CFD的一個(gè)軟件包，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，是最流行的商業(yè)軟件之一，可以模擬各種復(fù)雜條件下的流體流動(dòng)［11］。CFD技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中，利用CFD技術(shù)分析植物工廠內(nèi)溫度和氣流場(chǎng)，可以通過(guò)后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，以減少運(yùn)行能耗，保證植物產(chǎn)量［12-13］。

早期針對(duì)溫室內(nèi)氣流場(chǎng)和溫濕度分布，主要采用示蹤氣體法和能量平衡法，或者使用單純的試驗(yàn)分析或者理論手段，但這些方法不能反映濕室內(nèi)氣流和溫濕度的分布變化。隨后對(duì)于不同的條件，則需要多個(gè)試驗(yàn)，造成試驗(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用昂貴，不能從根本上優(yōu)化和合理化溫室結(jié)構(gòu)［14］。然而，使用CFD方法對(duì)溫室內(nèi)小氣候環(huán)境進(jìn)行模擬分析，可以清晰地展現(xiàn)出流體的流動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更加優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，以提高植物工廠內(nèi)的空氣流速。

2 CFD仿真技術(shù)的技術(shù)路線和理論基礎(chǔ)

2.1 技術(shù)路線

通過(guò)Solidworks軟件建立多組具有不同結(jié)構(gòu)特征的植物工廠的三維模型，之后將不同的三維模型導(dǎo)入Ansys軟件中，通過(guò)Ansys的workbench選擇Fluid Flow模塊進(jìn)行仿真工作。首先利用Fluent模塊中的DesignModeler子模塊進(jìn)行流體域構(gòu)建，之后將植物工廠模型和流體域結(jié)合成同一個(gè)part，將新構(gòu)建的Part導(dǎo)入Mesh子模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分；把劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行仿真，計(jì)算完成后，把結(jié)果導(dǎo)入后處理子模塊CFD-Post中；在CFD-Post里觀察不同模型的空氣流速云圖和溫度分布云圖，比較不同模型的空氣流線圖，分析不同結(jié)構(gòu)特征對(duì)植物工廠內(nèi)溫度分布和氣體流速的影響；總結(jié)有利于改善植物生長(zhǎng)條件的結(jié)構(gòu)特征，將這些結(jié)構(gòu)特征組合起來(lái)構(gòu)建新結(jié)構(gòu)的植物工廠；通過(guò)不斷迭代，研發(fā)設(shè)計(jì)出相對(duì)高效的植物工廠模型。

選擇出有代表性的植物工廠模型，制成實(shí)物，用儀器測(cè)量實(shí)物模型內(nèi)的空氣流速和風(fēng)速，并與仿真結(jié)果對(duì)比，以驗(yàn)證仿真的有效性。

2.2 理論基礎(chǔ)

CFD模型以流體質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒方程為基本控制方程［12］。

任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守恒定律，按照這一定律可以得出質(zhì)量守恒方程：

該方程可表達(dá)為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元的凈質(zhì)量。式中?表示散度，ρ是密度，t是時(shí)間，u是速度矢量。

任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足動(dòng)量守恒定律，若微元體上的體力只有重力，且z軸方向豎直向上，則Fx=0，F(xiàn)y=0，F(xiàn)z=-ρg，可 以 得 出 動(dòng) 量 守 恒方程：

該方程可表達(dá)為：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。在式中，ρ是密度，t是時(shí)間，u是速度矢量，w是速度矢量u在z方向上的分量，p是流體微元體上的壓力，τxz等是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面的粘性應(yīng)力τ的分量，F(xiàn)z是微元體上z方向的體力。

包含熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足能量守恒定律，按照這一定律可以得出能量守恒方程：

該方程可表達(dá)為：微元體中能量的改變量等于進(jìn)入該微元體的凈熱量加上作用于微元體的力對(duì)微元體所做的功。在式中，ρ是密度，t是時(shí)間，u是速度矢量，T是溫度，cp是比熱容，k為流體的傳熱系數(shù)，ST為粘性耗散項(xiàng)。

CFD方法的實(shí)質(zhì)就是用離散化的思想求解上述三大基本方程。CFD模型數(shù)值求解方法的基本思想是：把原來(lái)在空間與時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)（速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等），用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的值的集合來(lái)代替（離散化），通過(guò)一定的原則建立起這些離散點(diǎn)上變量值之間的代數(shù)方程，求解所建立起來(lái)的代數(shù)方程，以獲得求解變量的近似解。離散化的實(shí)質(zhì)是用一組有限個(gè)離散的點(diǎn)來(lái)代替原來(lái)的連續(xù)空間。

3 微型植物工廠的CFD仿真

3.1 植物工廠的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

植物工廠的三維模型通過(guò)solidworks建立，建立模型時(shí)要充分考慮如何通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提高自然對(duì)流的強(qiáng)度。自然通風(fēng)是由風(fēng)或溫差在通風(fēng)口處產(chǎn)生的壓力差驅(qū)動(dòng)的。風(fēng)速大于2 m/s的通風(fēng)過(guò)程中可以忽略溫差對(duì)通風(fēng)過(guò)程的影響；相反，在弱風(fēng)（u＜0.5 m/s）的情況下，熱驅(qū)動(dòng)通風(fēng)非常重要。由空氣層的溫度差產(chǎn)生的氣流用術(shù)語(yǔ)“浮力效應(yīng)”或“堆疊效應(yīng)”描述［15］。在不進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流的初始條件下，植物工廠內(nèi)部的空氣流動(dòng)滿足弱風(fēng)條件。為了盡可能地提高植物工廠內(nèi)的自然對(duì)流強(qiáng)度，以提高空氣流速，應(yīng)當(dāng)考慮“浮力效應(yīng)”，而將“浮力效應(yīng)”應(yīng)用于管道型流道即可通過(guò)“煙囪效應(yīng)”提高自然對(duì)流強(qiáng)度［16］。

植物工廠熱源主要為L(zhǎng)ED光源，LED雖為冷光源，但輸入功率中80%～85%的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式散發(fā)出去［17］。植物工廠中的LED燈產(chǎn)生的熱量傳遞到空氣中，周圍空氣因吸收熱量而溫度升高、密度減小，與煙囪通道上方空氣形成密度差，產(chǎn)生由下至上的浮力，從而沿著煙囪通道上升，并從上面的通風(fēng)口排出，產(chǎn)生的負(fù)壓將新的冷空氣由植物工廠下方的通風(fēng)口繼續(xù)吸入植物工廠中，形成煙囪效應(yīng)，使煙囪通道中的對(duì)流換熱系數(shù)提高，增強(qiáng)了自然對(duì)流效果，從而使植物工廠的空氣流速得以提升。

植物工廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為主體部分形狀、排氣口數(shù)量及尺寸、煙囪管道的尺寸、空氣導(dǎo)流隔板的位置及開口半徑、植物生長(zhǎng)區(qū)域規(guī)劃、LED燈的尺寸和功率選擇、LED燈的放置方式、花盆的尺寸及擺放位置等等。綜合考慮以上設(shè)計(jì)因素，構(gòu)建出以下3種植物工廠，3D模型和參數(shù)見(jiàn)表1（植物工廠僅通過(guò)上下通風(fēng)口與外界進(jìn)行空氣交換，主箱體一側(cè)的透明化處理以便展現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)）。

表1 模型參數(shù)

植物工廠的設(shè)計(jì)是三維世界中的復(fù)雜問(wèn)題，上述主體部分形狀、排氣口數(shù)量及尺寸等任何一個(gè)因素的微小改變都能導(dǎo)致植物工廠內(nèi)空氣流速的變化。加之各個(gè)因素之間的耦合作用，使得植物工廠空氣流動(dòng)最優(yōu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題更加復(fù)雜。本文提出的3個(gè)模型并不是最優(yōu)化設(shè)計(jì)，而是通過(guò)不同模型之間的CFD仿真結(jié)果比較，不斷探尋對(duì)比，從而篩選較高效的設(shè)計(jì)方案。

3.2 CFD仿真假設(shè)條件

仿真不能完全模擬現(xiàn)實(shí)模型的所有條件，為節(jié)省運(yùn)算成本，提高實(shí)驗(yàn)效率，本次仿真作出以下假設(shè)：

（1）箱體內(nèi)表面是無(wú)滑移壁面；

（2）空氣是不可壓縮定常流體；

（3）忽略箱體內(nèi)部微小的連接件結(jié)構(gòu)；

（4）不考慮外界空氣擾動(dòng)；

（5）設(shè)定外界溫度為15℃；

（6）不考慮植物對(duì)空氣流動(dòng)的影響。

3.3 CFD仿真過(guò)程

各組的仿真過(guò)程基本相同。本研究以1號(hào)模型為例演示仿真過(guò)程。將模型導(dǎo)入Ansys軟件中，通過(guò)Ansys的workbench選擇Fluid Flow模塊，將Fluid Flow模塊拖入右側(cè)工作臺(tái)中，打開Fluid Flow模塊中的Geometry子模塊，由Geometry子模塊打開DM（Design Modeler）軟件；將幾何模型導(dǎo)入DM軟件后，通過(guò)Fill功能構(gòu)建流體區(qū)域，如圖1所示；之后將植物工廠模型和流體域結(jié)合成同一個(gè)part。至此，完成了模型的幾何處理。

圖1 模型的幾何前處理

將新構(gòu)建的幾何體Part導(dǎo)入Mesh子模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因?yàn)閹缀文Ｐ褪且?guī)則且對(duì)稱的，所以選用尺寸控制方法劃分可保證網(wǎng)格質(zhì)量。首先選中植物工廠箱體、流體域以及燈管，設(shè)定每個(gè)網(wǎng)格的尺寸為1 mm，其他劃分條件保持默認(rèn)設(shè)置即可。在大體劃分結(jié)束后，如果需要進(jìn)一步提高仿真精確性，可通過(guò)單獨(dú)選定燈管部分、花盆上部植物生長(zhǎng)區(qū)進(jìn)行局部網(wǎng)格加密化處理。但本實(shí)驗(yàn)主要目的是比較不同的幾何特征對(duì)植物工廠內(nèi)空氣流動(dòng)及熱交換的影響，注重的是趨勢(shì)上的比較。此外，過(guò)高的網(wǎng)格質(zhì)量會(huì)占用更多的運(yùn)算資源、預(yù)算時(shí)間，而且本研究的仿真對(duì)象包含活體植物，因活體植物個(gè)體之間具有差異，每一株植物的蒸騰作用和光合作用都會(huì)影響植物工廠內(nèi)的環(huán)境，所以無(wú)法精確仿真的方法。因此，無(wú)需刻意追求網(wǎng)格質(zhì)量。

網(wǎng)格劃分好之后使用quality網(wǎng)格質(zhì)量檢查功能對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，可以看到網(wǎng)格的平均質(zhì)量為0.837，大部分網(wǎng)格質(zhì)量為0.88，網(wǎng)格總數(shù)1 490 525個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)259 983個(gè)。在網(wǎng)格劃分工作中，網(wǎng)格平均質(zhì)量在0.8以上為優(yōu)秀［18］。因此，網(wǎng)格質(zhì)量良好，且數(shù)量合適，不會(huì)造成運(yùn)算負(fù)擔(dān)。結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果分析

劃分好網(wǎng)格后，通過(guò)named selections方法定義各個(gè)壁面，將LED燈表面與空氣、植物工廠箱體構(gòu)建耦合關(guān)系，以便后續(xù)的Fluent計(jì)算工作。

返回工作臺(tái)后點(diǎn)擊setup啟動(dòng)Fluent軟件，勾選雙精度運(yùn)算選項(xiàng)以提高運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；勾選并行運(yùn)算選項(xiàng)，選擇與計(jì)算機(jī)匹配的多核運(yùn)算方式以提高運(yùn)算速度；接著進(jìn)入Fluent軟件進(jìn)行運(yùn)算。本仿真解決的是自然對(duì)流問(wèn)題，所以要考慮重力的影響，激活重力和能量選項(xiàng)。

雷諾數(shù)是判別流動(dòng)特性的依據(jù)。在管流中，雷諾數(shù)大于3 000是湍流狀態(tài)［19］。通過(guò)雷諾數(shù)計(jì)算方程計(jì)算雷諾數(shù)（Re）。

式中，ρ、μ為流體密度和動(dòng)力粘性系數(shù)，v、L為流場(chǎng)的特征速度和特征長(zhǎng)度。

在溫度T＜1 727℃時(shí)，氣體粘度可用薩特蘭公式計(jì)算［20］：

計(jì)算得常溫下，空氣密度為1.29 kg/m，動(dòng)力粘性系數(shù)μ＝17.9×10-6Pa·s。

先假設(shè)流場(chǎng)特征速度為0.2 m/s，可計(jì)算出雷諾數(shù)為7 927，大于3 000；因此本實(shí)驗(yàn)中的空氣流體在植物工廠中的流動(dòng)特征是湍流。CFD方法是通過(guò)數(shù)值求解相應(yīng)的輸運(yùn)方程來(lái)計(jì)算流體的平均速度矢量場(chǎng)。然而，納維-斯托克斯方程卻不能用來(lái)描述湍流的流體特征，因?yàn)橥牧鞯膭?dòng)力學(xué)特征尺度比網(wǎng)格尺度小，所以需要引入湍流模型，以避免湍流動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性［21］。

在湍流問(wèn)題中應(yīng)用較多的模型是渦粘性封閉模型。渦粘性封閉模型中常用的兩方程模型有：標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型、低Reynolds數(shù)k-ε模型、RNG k-ε湍流模型、Realizable k-ε模型等。k-ε兩方程模型通過(guò)兩個(gè)額外的控制方程，即湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程（k）及湍流耗散方程（ε）來(lái)計(jì)算湍流對(duì)平均流量的貢獻(xiàn)率［22-23］。標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型已被應(yīng)用于許多室內(nèi)空氣流動(dòng)問(wèn)題，具有良好的預(yù)測(cè)精度，而且在模擬溫室通風(fēng)流動(dòng)方面較為成功［24］。標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型收斂最快，對(duì)于簡(jiǎn)單的充分發(fā)展的湍流運(yùn)動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型更適用［25］。因此本次仿真選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型。

本次仿真的植物工廠中的熱源有太陽(yáng)輻射與LED燈。太陽(yáng)輻射的仿真通過(guò)開啟太陽(yáng)輻射模型實(shí)現(xiàn)，模型表面是光滑平整的平面，因此輻射模型選用surface to surface模型，太陽(yáng)負(fù)載選擇太陽(yáng)光線追蹤模型；之后通過(guò)輸入實(shí)驗(yàn)所在地的經(jīng)緯度設(shè)定太陽(yáng)方向矢量，通過(guò)輸入時(shí)間日期設(shè)定輻射強(qiáng)度（本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在?？谑?，時(shí)間為3月21日中午12時(shí)整），設(shè)置界面如圖3所示。

圖3 輻射模型設(shè)置

定義各個(gè)part的材料。定義流體部分是空氣，固體部分是木材和鋁，箱體是木材，LED燈近似成鋁。使用軟件內(nèi)材料庫(kù)中空氣、木材、鋁的默認(rèn)數(shù)值。目前LED的光效率一般為80%，熱效率為20%［26］。計(jì)算出LED燈的能量密度，將LED設(shè)為熱源項(xiàng)。之后定義環(huán)境溫度，檢查邊界條件是否合理。選擇耦合計(jì)算方法，初始化后設(shè)置計(jì)算步長(zhǎng)為100，之后進(jìn)行運(yùn)算。

3.4 仿真結(jié)果及分析

運(yùn)算結(jié)束后通過(guò)CFD-post對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理操作。首先比較1號(hào)模型與2號(hào)模型的仿真結(jié)果。以底面中心為原點(diǎn)建立xzy坐標(biāo)軸，以zy平面為觀測(cè)平面，zy平面上的空氣流速云圖如圖4、5所示。

圖4 1號(hào)模型zy平面流速分布云圖

通過(guò)云圖可以觀察到，外界空氣從入口流入植物工廠箱體后，因?yàn)楦舭搴突ㄅ璧膶?dǎo)流作用，在植物生長(zhǎng)區(qū)的植物葉冠層區(qū)域流速較快。葉冠層附近流速較快的空氣對(duì)植物生長(zhǎng)有以下好處：（1）可以帶走LED燈在此區(qū)域的積溫，避免植物因空氣不流通而被LED燈的熱量灼傷；（2）將外界的CO2帶入植物工廠內(nèi)，從而增強(qiáng)植物的光合作用。

圖5 2號(hào)zy模型流速分布云圖

為了更加準(zhǔn)確地比較1號(hào)模型與2號(hào)模型內(nèi)部空氣流速的快慢，需要在植物工廠內(nèi)取點(diǎn)測(cè)量再進(jìn)行比較。在花盆上方每隔2 cm創(chuàng)建一個(gè)平面，共創(chuàng)建十個(gè)平面；在z軸10、5、0、-5、-10 cm處創(chuàng)建xy平面，這些平面的交點(diǎn)即測(cè)速點(diǎn)。取點(diǎn)方式見(jiàn)圖6、7。

圖6 1號(hào)模型取點(diǎn)圖

通過(guò)計(jì)算表2、3的數(shù)據(jù)可得，1號(hào)模型的平均速度為0.199 m/s，2號(hào)模型的平均速度為0.134 m/s，1號(hào)模型的平均速度比2號(hào)模型高48.5%。

表2 1號(hào)模型各測(cè)速點(diǎn)速度

圖7 2號(hào)模型取點(diǎn)圖

為了分析1號(hào)、2號(hào)模型之間存在顯著速度差的原因，在1號(hào)、2號(hào)模型zy平面上作空氣流線圖。通過(guò)圖8、9的流線圖可以觀察到，1號(hào)模型中上方形成的渦流比2號(hào)模型中的小。流體中的渦流會(huì)對(duì)流體的層流產(chǎn)生擾動(dòng)，從而降低層流的流速。結(jié)合2個(gè)模型的幾何結(jié)構(gòu)差異，可以推測(cè)1號(hào)模型中平均空氣流速大于2號(hào)模型，原因是2號(hào)模型的圓柱體主體結(jié)構(gòu)有利于大型湍流的形成，而1號(hào)模型的方體結(jié)構(gòu)能防止大型的渦流產(chǎn)生。

圖8 1號(hào)模型空氣流線圖

表3 2號(hào)模型各測(cè)速點(diǎn)速度

圖9 2號(hào)模型空氣流線圖

為了比較對(duì)側(cè)進(jìn)氣口與四面進(jìn)氣口對(duì)空氣流速的影響，導(dǎo)入3號(hào)模型的結(jié)果，數(shù)據(jù)處理方式同上。通過(guò)圖10、11可以觀察到，3號(hào)模型內(nèi)部的空氣流速云圖與1號(hào)、2號(hào)模型相比，大體形態(tài)一致，都能加快植物生長(zhǎng)區(qū)空氣流速。為了更加準(zhǔn)確地比較2號(hào)模型與3號(hào)模型內(nèi)部空氣流速的快慢，使用上述相同方法在植物工廠內(nèi)進(jìn)行取點(diǎn)測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖10 2號(hào)zy模型速度分布云圖

通過(guò)計(jì)算表4的數(shù)據(jù)可得，3號(hào)模型的總體平均速度為0.109 m/s，2號(hào)模型的總體平均速度為0.134 m/s，2號(hào)模型的總體平均速度比3號(hào)模型高22.9%。

表4 3號(hào)模型各測(cè)速點(diǎn)速度

通過(guò)對(duì)比圖12、13發(fā)現(xiàn)，配有對(duì)側(cè)進(jìn)氣口的植物工廠因進(jìn)氣量總體上不均勻，在進(jìn)氣口兩側(cè)中心位置形成了局部高速區(qū)域，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)區(qū)域空氣流量和流速不足。因此，2號(hào)模型內(nèi)的平均空氣流速要高于3號(hào)模型。

圖12 2號(hào)模型距花盆表面10 cm處平面空氣流速云圖

圖11 3號(hào)zy模型速度分布云圖

3.5 實(shí)物模型測(cè)量

仿真結(jié)束后，為了驗(yàn)證仿真的可信度，按照1∶1的比例制作實(shí)物模型，并進(jìn)行風(fēng)速和溫度的觀測(cè)。

實(shí)測(cè)當(dāng)天環(huán)境溫度為28℃，測(cè)得箱內(nèi)最低風(fēng)速值為0.01 m/s，最高風(fēng)速為0.24 m/s。因本植物工廠不是全封閉的，所以外界空氣流動(dòng)會(huì)對(duì)植物工廠內(nèi)的空氣流速造成影響，并且對(duì)于低風(fēng)速流動(dòng)情況，箱體內(nèi)表面與空氣的阻力效應(yīng)會(huì)使空氣流速降低，導(dǎo)致空氣流速的具體數(shù)值與仿真結(jié)果吻合度不好。但植物工廠的“煙囪效應(yīng)”使得內(nèi)部空氣流速得到提升，并且可以達(dá)到植物生長(zhǎng)的所需適宜風(fēng)速，說(shuō)明通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠提升植物工廠內(nèi)部的自然對(duì)流強(qiáng)度。

圖13 3號(hào)模型距花盆表面10 cm處平面空氣流速云圖

4 總結(jié)與展望

通過(guò)仿真和實(shí)物測(cè)量，說(shuō)明利用“煙囪效應(yīng)”來(lái)設(shè)計(jì)植物工廠的結(jié)構(gòu)，可以提升其內(nèi)部空氣流速，能夠制造出適宜植物生長(zhǎng)的環(huán)境。

觀察仿真云圖可以發(fā)現(xiàn)，四面進(jìn)氣口的方體結(jié)構(gòu)植物工廠相比圓柱體結(jié)構(gòu)的植物工廠、對(duì)側(cè)進(jìn)氣口植物工廠，其內(nèi)部自然對(duì)流強(qiáng)度最大。四面進(jìn)氣口的方體結(jié)構(gòu)植物工廠可應(yīng)用于不需要在植物生長(zhǎng)過(guò)程中額外補(bǔ)充熱量的氣候條件。

但植物工廠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以改變的設(shè)計(jì)因素很多。今后可以繼續(xù)對(duì)煙囪長(zhǎng)度和LED燈數(shù)量、放置位置、功率及隔板位置等因素進(jìn)行更多的嘗試，以找出更優(yōu)化的組合方式。