食用菌培養(yǎng)室熱濕耦合場的數(shù)值模擬研究

張璐楊 周 勃 孫成才 邢韶纓 王肖宇

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 沈陽 110870；2.遼寧灃知稼農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司 沈陽 110870）

0 引言

21 世紀(jì)后，我國的食用菌產(chǎn)值比重在農(nóng)業(yè)中已高居第五位，食用菌產(chǎn)業(yè)正在由小型企業(yè)、分散農(nóng)戶的生產(chǎn)方式逐步轉(zhuǎn)向規(guī)?；墓S化生產(chǎn)[1,2]。食用菌工廠化生產(chǎn)是在封閉的培養(yǎng)室內(nèi)，人們自由控制建筑內(nèi)部溫濕度、通風(fēng)和光照等條件，通過機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化的栽培達(dá)到綠色、高效的生產(chǎn)[3]。雖然可以通過環(huán)境控制來克服外界不利環(huán)境帶來的影響，但目前為了滿足市場上對食用菌的巨大需求，培養(yǎng)室內(nèi)的培養(yǎng)瓶密度不斷增加，導(dǎo)致室內(nèi)溫度和濕度的分布不均勻，這既增加了工廠環(huán)境調(diào)控的成本和難度，也影響了出菇的質(zhì)量與產(chǎn)量[4,5]。因此，對食用菌培養(yǎng)室的熱濕耦合場進(jìn)行模擬分析，有助于提高食用菌成品率、降低工廠運(yùn)維成本，對建立合理的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及配置環(huán)境調(diào)控設(shè)備具有至關(guān)重要的實(shí)際工程意義。

CFD 數(shù)值模擬不僅可以有效地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)周期較長、成本較高的缺點(diǎn)，而且可以對農(nóng)業(yè)建筑的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行可靠的分析[6]。最早將CFD 運(yùn)用于農(nóng)業(yè)建筑的研究可追溯至上世紀(jì)八十年代，Okushima等人模擬了無作物影響時斜頂溫室的環(huán)境[7]。而隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，模型逐漸由二維至三維，由單一模擬至后期優(yōu)化設(shè)計(jì)。有學(xué)者建立了南方連棟溫室的三維CFD 模型，結(jié)合試驗(yàn)及仿真結(jié)果研究了不同機(jī)械通風(fēng)方案下的降溫效果，優(yōu)化后可為溫室節(jié)省約60%的能耗[8]。Boulard 等人重點(diǎn)考慮了作物的蒸騰、光合作用的耦合，采用CFD 方法模擬了玻璃溫室內(nèi)的流場分布情況[9]。這些研究說明，CFD 作為研究建筑內(nèi)部環(huán)境的有效工具，在模擬溫室內(nèi)流場分布情況方面具有較高的可信度。

事實(shí)上，在不同的生長階段食用菌與環(huán)境之間的顯熱、潛熱交換并不相同[10]。關(guān)于動植物對建筑內(nèi)部環(huán)境的影響，國內(nèi)外學(xué)者大多選擇采用CFD方法直接建模[11]、將其簡化為發(fā)熱板狀結(jié)構(gòu)[12]或者近似為多孔介質(zhì)[13]三種方法。直接建模的方法雖使得結(jié)果更加準(zhǔn)確，但對于生理結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的食用菌而言較為繁瑣。簡化為發(fā)熱板狀結(jié)構(gòu)的方法又無法準(zhǔn)確地展現(xiàn)動植物對室內(nèi)空氣流場的影響。因此，本文選擇將食用菌生長區(qū)域近似為多孔介質(zhì)的方法，這既能反映食用菌對空氣的阻力作用，又能增加模擬的準(zhǔn)確度。

由于大多數(shù)學(xué)者并未將食用菌散濕量考慮進(jìn)去[14,15]，但食用菌培養(yǎng)室內(nèi)的通風(fēng)過程往往涉及到溫度、相對濕度、CO2濃度和光照等條件的相互作用，是一個由多因素、多物理場之間相互影響、相互耦合的復(fù)雜空氣流動過程。因此，本文通過CFD三維數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)測的方法，結(jié)合食用菌特定時期的發(fā)熱量與散濕量，分析食用菌培養(yǎng)室熱濕耦合場的分布規(guī)律，并提出兩種培養(yǎng)室內(nèi)氣流組織的改造方案，為食用菌提供最佳的生長環(huán)境。

1 CFD 模型的建立

1.1 食用菌培養(yǎng)室概況

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，于2020年12月3日至12月6日在食用菌培養(yǎng)室進(jìn)行測試，測試地點(diǎn)位于北京市昌平區(qū)小湯山農(nóng)業(yè)科技園（40.1°N，116.2°E）。園內(nèi)分布4 個大型食用菌廠房，文中以其中生育室內(nèi)的金針菇培養(yǎng)室為原型進(jìn)行研究，培養(yǎng)室長10m，寬10.5m，高6m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用150mm 厚聚氨酯板。由于金針菇在生長過程中會散發(fā)大量的熱量和濕量，因此需要制冷系統(tǒng)來保持良好的循環(huán)通風(fēng)，進(jìn)而維持室內(nèi)的溫濕度。室內(nèi)每臺空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的額定制冷量為14.8kW，距離屋頂0.2m，進(jìn)風(fēng)口直徑0.42m，共4 臺。圖1為食用菌廠房和金針菇培養(yǎng)室實(shí)物圖。

圖1 食用菌培養(yǎng)室實(shí)物圖Fig.1 Physical map of edible fungus culture room

在培養(yǎng)室內(nèi)部，設(shè)置有7 排6 列6 層放置金針菇培養(yǎng)瓶的菇架，共有培養(yǎng)瓶24192 瓶。每排菇架長9m，寬1m，高3.3m。測試期間該生育室內(nèi)的金針菇處于采收前期，最佳生長溫度為5.5℃。培養(yǎng)室內(nèi)需保持5.5℃左右，相對濕度90%左右。

1.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)金針菇培養(yǎng)室的室內(nèi)布置與幾何尺寸，本文未考慮測試期間處于關(guān)閉狀態(tài)的加濕設(shè)備，僅考慮每層菇架中的金針菇培養(yǎng)瓶區(qū)域，且培養(yǎng)瓶之間的細(xì)小縫隙忽略不計(jì)。培養(yǎng)室密封性良好，僅通過風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，因此將整個金針菇培養(yǎng)室內(nèi)的空氣作為計(jì)算域，在ANSYS ICEM 中建立三維模型。圖2為培養(yǎng)室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)圖，圖3為室內(nèi)空氣流動過程的示意圖。

圖2 培養(yǎng)室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Geometry of the incubation chamber

圖3 室內(nèi)空氣流動過程Fig.3 Indoor air flow process

在利用數(shù)值計(jì)算解決室內(nèi)流動與傳熱問題時，網(wǎng)格的劃分將直接影響數(shù)值模擬計(jì)算的速度與準(zhǔn)確度。本研究選用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對所選的食用菌培養(yǎng)室進(jìn)行劃分，根據(jù)食用菌培養(yǎng)室對環(huán)境精度的要求，對風(fēng)口處以及近壁面區(qū)域等流場變化梯度較大的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

為得到網(wǎng)格獨(dú)立性分析結(jié)果，對該培養(yǎng)室?guī)缀文Ｐ蛣澐至? 種網(wǎng)格模型并進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。本文的主要目的是為了解決食用菌培養(yǎng)室的熱濕耦合場分布的問題，因此選擇將整個培養(yǎng)室以及食用菌生長區(qū)域的平均溫度、平均相對濕度的計(jì)算結(jié)果作為網(wǎng)格獨(dú)立性的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。通過計(jì)算達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，得到的最終結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Grid independence test results

從圖4中可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)量以不同的程度逐漸增加，各組結(jié)果的變化趨勢基本趨于穩(wěn)定。其中，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量小于150 萬時，計(jì)算結(jié)果仍存在微小變化，而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到150 萬以上時，各組的計(jì)算結(jié)果已基本保持不變。因此可以認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在150 萬以上時，模型的計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)。為提高計(jì)算效率，本文選擇網(wǎng)格數(shù)相對較少的網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬計(jì)算，共生成266688 個節(jié)點(diǎn)、1667615 個網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格的劃分Fig.5 Grid partition and encryption

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 基本控制方程

食用菌培養(yǎng)室內(nèi)的空氣流動是以三大方程（質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程以及動量守恒方程）來描述的，若流動中包含其余組分，則還要滿足組分守恒定律。本文將室內(nèi)氣體看作水蒸氣與空氣的混合，并視為定常不可壓縮流體，三大方程與組分方程可表述為式（1）形式[16,17]：

式中：ρ為密度，kg/m ；Iφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；u為速度矢量，m/s；φ為通用變量，即速度、溫度等；Sφ為廣義源項(xiàng)。

1.3.2 湍流模型

在自然環(huán)境以及許多工程設(shè)備中流體的流動常為湍流流動，食用菌培養(yǎng)室內(nèi)氣流將不可避免的發(fā)生湍流現(xiàn)象，因此將室內(nèi)空氣流動看作湍流流動。本文選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來求解培養(yǎng)室內(nèi)的氣流流動，與之對應(yīng)的輸運(yùn)方程為[18-19]：

式中：Gb為由浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；Sk、Sε為源項(xiàng)；Gk為由平均速度引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；σε、σk、G1ε、G2ε、G3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常σε= 1.3、σk=1.0、G1ε=1.44、G2ε=1.92、G3ε=0.09。

1.3.3 多孔介質(zhì)模型

為了描述食用菌對培養(yǎng)室內(nèi)熱濕耦合場的影響，應(yīng)盡可能使模型與實(shí)際情況相符合，但若根據(jù)食用菌本身的實(shí)際大小來建立模型，不僅會增大網(wǎng)格數(shù)量、影響收斂速度，而且會影響模擬的準(zhǔn)確度。因此目前在模擬障礙物對室內(nèi)環(huán)境的影響時，大多采用將其簡化為多孔介質(zhì)的方法，通過設(shè)定阻力系數(shù)來表示對空氣流動的阻力作用[20]。多孔介質(zhì)模型是在動量方程中添加了一個與速度有關(guān)的源項(xiàng)[21]：

式中：Si為動量方程源項(xiàng)；v為速度值；μ為動力黏度；D、C 為指定的矩陣；等號右邊第一項(xiàng)為黏性損失，第二項(xiàng)為慣性損失。

對于簡單均勻的多孔介質(zhì)，上式可改寫為：

式中：1/α為黏性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)。

1.4 培養(yǎng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測定與方法

培養(yǎng)室內(nèi)部測點(diǎn)的位置如圖6所示。為反映食用菌生長區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)，按菇架的擺放位置共布置18 個測點(diǎn)，沿著培養(yǎng)室的走廊方向，距地面1.1m布置9 個測點(diǎn)，距地面2.2m 布置9 個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)均選擇在培養(yǎng)室走廊的中間位置。室內(nèi)溫濕度的測量選用泰仕TES1361 記憶式溫濕度表，溫度測量精度為±0.8℃、測量范圍為-20～60℃，相對濕度測量精度為±3%、測量范圍為10%～95%。室內(nèi)的風(fēng)速由天躍TY9900 數(shù)字微風(fēng)儀測得，測量范圍為0～10m/s，精度為±0.2 m/s。壁面表面溫度采用福祿克FLUKE 63 紅外溫度計(jì)，測量范圍為-32～535℃、精度為±1℃。測量期間每隔1 小時記錄一次數(shù)據(jù)，各參數(shù)每次均測量三次，取平均值作為最終值進(jìn)行計(jì)算。各測點(diǎn)的空間位置如表1所示。

表1 各測點(diǎn)的空間坐標(biāo)（單位：m）Table 1 Spatial coordinates of each measuring points

圖6 測點(diǎn)的布置Fig.6 Layout of measuring points

1.5 計(jì)算方法與邊界條件

采用基于有限體積法的CFD 軟件ANSYS FLUENT 進(jìn)行計(jì)算。為簡化域內(nèi)流場結(jié)構(gòu)，將食用菌的生長區(qū)域設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域，并通過速度與壓降的擬合關(guān)系確定瓶體阻力系數(shù)[22]。在模擬過程中由于金針菇呼吸、蒸騰作用所釋放的熱量與濕量以多孔介質(zhì)區(qū)域的能量源項(xiàng)的形式輸入，將培養(yǎng)瓶區(qū)域設(shè)為熱源，根據(jù)工廠每瓶金針菇散熱量0.15W 的條件，得到多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)熱源為32W/m 。金針菇的散濕量通過下式計(jì)算[23]。

式中：m為排風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s；Δd為培養(yǎng)室進(jìn)、出口空氣含濕量之差，g/kg。

將圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)為“wall”壁面邊界條件，多孔介質(zhì)區(qū)域與室內(nèi)其余空氣流域間的邊界設(shè)為“interior”內(nèi)部邊界條件，空調(diào)設(shè)備的進(jìn)風(fēng)口設(shè)為“velocity-inlet”速度進(jìn)口邊界條件，回風(fēng)口選擇設(shè)置為“pressure-outlet”壓力出口邊界條件，其余壁面均認(rèn)為絕熱。其中的參數(shù)條件均按現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，邊界條件的設(shè)置如表2所示。

表2 邊界條件與參數(shù)設(shè)置Table 2 Boundary conditions and parameter settings

計(jì)算時采用三維穩(wěn)態(tài)方法求解，同時打開能量方程和組分運(yùn)輸方程來展現(xiàn)室內(nèi)熱濕的相互耦合。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，選擇“Full Buoyancy Effects”選項(xiàng)，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。離散格式選擇二階迎風(fēng)格式，壓力-速度耦合項(xiàng)選用SIMPLEC 半隱式算法求解。收斂殘差設(shè)置為0.001，其中的能量項(xiàng)為10-6，最終經(jīng)過約1800次迭代達(dá)到收斂。

2 結(jié)果分析與模型驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)置進(jìn)行計(jì)算，為反映室內(nèi)空氣流場的分布情況，選擇各測點(diǎn)所在的垂直切面Y=2.6m、Y=5.6m、Y=8.6m 來對結(jié)果進(jìn)行分析，各切面的溫度場、濕度場及速度場云圖如圖7所示。由圖7（a）中可以看出，菇架上方溫度分布較為均勻，約5.8℃，食用菌生長區(qū)域溫度較高，最低處約5.51℃，最高處約6.17℃，溫差約0.66℃，培養(yǎng)室內(nèi)最高溫度約為6.2℃。三個切面的平均溫度約為5.86℃，最高約6.17℃。沿氣流流動方向，培養(yǎng)室中心區(qū)域的溫度高于四周。

室內(nèi)相對濕度場云圖如圖7（b）所示，室內(nèi)相對濕度場的分布與溫度場分布基本一致，溫度高處區(qū)域相對濕度較高，培養(yǎng)室內(nèi)部食用菌生長區(qū)域最低相對濕度約為90.42%。并且結(jié)合速度場云圖7（c）來看，由于金針菇培養(yǎng)瓶的擺放比較密集，當(dāng)?shù)蜏貧怏w經(jīng)進(jìn)風(fēng)口流入房間后，無法均勻地穿過整個金針菇生長區(qū)域，每層培養(yǎng)瓶間所產(chǎn)生的熱量和濕量難以帶出，導(dǎo)致在培養(yǎng)室中部的培養(yǎng)瓶附近溫度與相對濕度較高，生長區(qū)域溫差較大。因此，有必要對食用菌培養(yǎng)室的通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行改造優(yōu)化。

圖7 原始模型模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of the original model

2.2 模型的驗(yàn)證

本文引入絕對誤差（absolute error,AE）、平均相對誤差（average relative error,ARE）、最大相對誤差（maximum relative error,MRE）、均方根誤差（root mean square error,RMSE）[24]，來分別對圖6中各測點(diǎn)溫度、相對濕度、速度的模擬值與實(shí)測值進(jìn)行比較，來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。圖8顯示該工況下各測點(diǎn)溫度的模擬值與實(shí)測值的吻合良好，絕對誤差在0.04～0.38℃之間，RMSE 約為0.25℃，MRE為6.1%，ARE 為3.6%，整個培養(yǎng)室內(nèi)的平均溫度為5.81℃，各測點(diǎn)的平均溫度約為5.85℃，符合該工況下培養(yǎng)室內(nèi)部環(huán)境的控制要求。并且可以看出各測點(diǎn)相對濕度的模擬值與實(shí)測值的絕對誤差在0.25%～3.36%之間，RMSE 約為1.65%，MRE 為3.8%，ARE 為1.5%，整個培養(yǎng)室內(nèi)的平均相對濕度約為90.83%，各測點(diǎn)的平均相對濕度約為91.04%。

圖8 溫度場、相對濕度場模擬結(jié)果對比Fig.8 Comparison of simulation results of temperature field and relative humidity field

各測點(diǎn)的速度模擬值與實(shí)測值的對比如圖9所示，模擬結(jié)果顯示各測點(diǎn)的平均風(fēng)速約為0.32m/s，絕對誤差在之間0～0.19m/s。結(jié)果表明，溫度場、相對濕度場與速度場的分布較為一致，結(jié)果雖存在一定的誤差，但整體的精確度較高，可以證明模型有效，能夠比較準(zhǔn)確地模擬食用菌培養(yǎng)室的熱濕耦合場的分布情況。

圖9 速度場模擬結(jié)果對比Fig.9 Comparison of speed field simulation results

2.3 食用菌散濕量分析

為準(zhǔn)確地反映散濕量對培養(yǎng)室環(huán)境的影響，分別計(jì)算考慮食用菌散濕和非散濕工況下室內(nèi)相對濕度場的變化，其余條件均與原始模型相同，將兩工況下室內(nèi)相對濕度場的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，考慮食用菌散濕量的工況下室內(nèi)的相對濕度接近90%，相對濕度差僅2.11%，與實(shí)測結(jié)果較為吻合，證明該工況能夠達(dá)到食用菌的生長條件。若不考慮由于食用菌的蒸騰作用所造成的散濕現(xiàn)象，將促使室內(nèi)相對濕度梯度增大，室內(nèi)相對濕度差高達(dá)16.22%，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果出現(xiàn)了較大偏差，表明該工況下的培養(yǎng)室相對濕度環(huán)境不利于食用菌的發(fā)育。

表3 食用菌散濕對室內(nèi)相對濕度的影響Table 3 Effect of edible fungus on indoor relative humidity

由于食用菌培養(yǎng)室為密閉的高濕空間，相對濕度過低或變化梯度過大均不利于食用菌的生長，因此在數(shù)值模擬時理應(yīng)將食用菌的散濕量考慮進(jìn)去，避免在對其培養(yǎng)室熱濕耦合場進(jìn)行分析時產(chǎn)生較大偏差。

3 改造方案數(shù)值模擬

3.1 改造方案的提出

由以上模擬結(jié)果可知，食用菌培養(yǎng)室內(nèi)的熱濕耦合場的分布并不均勻，尤其在室內(nèi)的中下部分，空氣流動較差，在部分區(qū)域熱量和濕量出現(xiàn)大量的堆積，無法達(dá)到食用菌最佳的生長環(huán)境要求，而溫差過大易產(chǎn)生培養(yǎng)室出菇不同步等問題。

因此，需要對該培養(yǎng)室的氣流組織進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文提出如圖10 所示的兩種改造方案，來尋求解決上述問題的方法。

圖10 各方案示意圖Fig.10 Schematic diagram of each program

方案一：在送風(fēng)口處安裝水平向下30°的百葉，通過改變送風(fēng)角度，使氣流向培養(yǎng)室下方傳送，其余條件不變。

方案二：改變送風(fēng)口和回風(fēng)口位置，并設(shè)置導(dǎo)流板，盡可能使氣流均勻地到達(dá)培養(yǎng)室底部，其余條件不變。

3.2 方案模擬結(jié)果

3.2.1 溫度場、相對濕度場的改造對比

采用和原始模型相同的計(jì)算方法，對上述兩種改進(jìn)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖11、圖12 所示。原始模型中空氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)口噴出，絕大多數(shù)熱量被墻體吸收，與外界環(huán)境進(jìn)行換熱。因此方案一選擇利用角度向下的百葉來改變送風(fēng)角度，目的是為了減少熱量損耗，使大量的冷空氣直接進(jìn)入菇架，來達(dá)到為食用菌生長區(qū)域降溫的目的。在培養(yǎng)室內(nèi)部，平均溫度約為5.87℃，食用菌生長區(qū)域平均溫度約為5.97℃，最低約5.64℃，最高約6.25℃，溫差約為0.61℃。其中Y=2.6m、Y=5.6m、Y=8.6m 切面的平均溫度約為5.91℃，最高約6.25℃。室內(nèi)平均相對濕度為91%，生長區(qū)域最低相對濕度約為90.17%，相對濕度云圖與溫度云圖分布一致，但由于改變了送風(fēng)角度，導(dǎo)致房間兩側(cè)菇架的上部區(qū)域表面風(fēng)速升高，廠家需調(diào)整菇架的擺放位置來避免頂部食用菌過于干燥的現(xiàn)象。此外，從Y=5.6m 處的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，方案一仍難以解決培養(yǎng)室中部熱量與濕量大量堆積的現(xiàn)象。

圖11 方案一模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of scheme 1

圖12 方案二模擬結(jié)果Fig.12 Simulation results of scheme 2

方案二中改變風(fēng)機(jī)的位置并在屋頂放置導(dǎo)流板，其目的是為了提高冷空氣到達(dá)培養(yǎng)室地面時的速度，便于促進(jìn)室內(nèi)底部空氣的流動，盡可能地解決培養(yǎng)室中下部區(qū)域熱量、濕量堆積的現(xiàn)象。培養(yǎng)室中平均溫度約為5.81℃，食用菌生長區(qū)域平均溫度約為5.89℃，最低約5.59℃，最高6.1℃，溫差為0.51℃。其中Y=2.6m、Y=5.6m、Y=8.6m 切面的平均溫度約為5.83℃，最高約6.12℃。室內(nèi)平均相對濕度約為90.85%，生長區(qū)域最低相對濕度約為89.92%。

模擬結(jié)果表明，兩種方案都可在一定程度上緩解原始模型中培養(yǎng)室底部流速過低、熱量與濕量大量堆積的問題。其中方案一中食用菌生長區(qū)域溫差為0.61℃，最低相對濕度為90.17%，與原始模型相比變化較小。方案二中食用菌生長區(qū)域的溫差約為0.51℃，最低相對濕度約為90.3%，溫度場的優(yōu)化效果更佳。方案一雖無法有效保障培養(yǎng)室中部的溫濕度分布滿足金針菇的最佳生長需求，但其優(yōu)點(diǎn)在于布置更加簡便，相比方案二而言大大節(jié)省了工廠的改造成本。兩種方案的設(shè)計(jì)改造均有效降低了食用菌生長區(qū)域的溫差可為食用菌提供更加適宜的生長環(huán)境。

3.2.2 氣流組織均勻性分析

為準(zhǔn)確地反映出食用菌培養(yǎng)室內(nèi)氣流組織的均勻性，引入不均勻系數(shù)對氣流組織的均勻性進(jìn)行量化分析[25,26]。選取18 個測點(diǎn)來對培養(yǎng)室的溫度、速度的均勻性進(jìn)行衡量，如式（7）、（8）所示：

式中：n為測點(diǎn)的個數(shù)；kt、ku分別為溫度不均勻系數(shù)和速度不均勻系數(shù)；、分別為n個測點(diǎn)的平均溫度和平均速度。

顯然，不均勻系數(shù)越小，說明氣流組織分布的均勻性越好[27]，各方案的不均勻系數(shù)如表4所示。可以看出，改變送風(fēng)角度（方案一）使溫度不均勻系數(shù)降低了22.7%，培養(yǎng)室內(nèi)的溫度場分布更加均勻，但由于氣流到達(dá)食用菌生長區(qū)域時速度較大，相比原始模型而言，方案一中速度場的均勻性較差。而改變送風(fēng)角度并設(shè)置導(dǎo)流板（方案二）使室內(nèi)速度不均勻系數(shù)降低了11.7%，雖可以使氣流更加均勻地到達(dá)培養(yǎng)室底部，解決了原始模型中室內(nèi)底部流速過低、溫度過高的現(xiàn)象，但培養(yǎng)室內(nèi)部墻體側(cè)的溫度有所升高，與原始模型相比，溫度場分布較不均勻?？傮w而言，兩方案均在不同程度上改善培養(yǎng)室內(nèi)氣流組織分布不均的現(xiàn)象。

表4 各方案氣流不均勻性對比Table 4 Comparison of air flow unevenness of each schemes

4 結(jié)論

（1）選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，并結(jié)合特定時間食用菌的發(fā)熱量與散濕量，將食用菌生長區(qū)域簡化為多孔介質(zhì)。利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為邊界條件，對食用菌培養(yǎng)室內(nèi)部熱濕耦合場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，溫度場的平均相對誤差為3.6%，相對濕度場的平均相對誤差為1.5%，驗(yàn)證了該模型的可行性，證明食用菌培養(yǎng)室熱濕耦合場的模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

（2）分別對考慮食用菌散濕和未考慮散濕工況下培養(yǎng)室內(nèi)部的相對濕度進(jìn)行計(jì)算，未考慮散濕時室內(nèi)相對濕度差為16.22%，相對濕度變化梯度較大，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相比出現(xiàn)較大偏差?？紤]散濕時相對濕度差為2.11%，與實(shí)測結(jié)果較為吻合。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確度，模擬分析食用菌培養(yǎng)室熱濕耦合場時理應(yīng)將食用菌散濕量考慮在內(nèi)。

（3）對食用菌培養(yǎng)室提出兩種改造方案，通過CFD 數(shù)值模擬得出改造后的溫度場、相對濕度場以及速度場的分布規(guī)律。根據(jù)模擬結(jié)果，方案一選擇布置百葉來改變送風(fēng)角度，降低食用菌生長區(qū)域的溫差的效果雖有不足，但室內(nèi)溫度不均勻系數(shù)降低了22.7%，改善培養(yǎng)室內(nèi)的溫度場分布均勻性的效果更佳，但培養(yǎng)室中部的熱量與濕量仍難以散去。方案二選擇改變送風(fēng)角度并設(shè)置導(dǎo)流板，速度不均勻系數(shù)降低了11.7%，食用菌生長區(qū)域的溫差降至0.51℃，降低食用菌生長區(qū)域溫差的效果更加明顯，更有利于解決出菇不同步的問題，但相比方案一而言，其維護(hù)與改造的成本較大。