食用菌種植過程培養料通風發酵模擬研究

鄭子喬，羅 星

（中國農業大學 煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

食用菌種植過程培養料發酵質量與人們健康之間的關系十分密切，食用菌種植過程培養料發酵方式，或多或少存在著高溫氣體[1]，對食用菌的種植造成一定的影響。培養料發酵的目的主要是增加原料的腐熟程度，殺滅料內細菌，雜菌，和蟲害。通過發酵后的培養料發酵對食用菌種植的吸收效果更加明顯，所以對培養料進行發酵處理，是十分有必要的。由于培養料發酵中會釋放高溫氣體，導致食用菌種植過程培養料發酵氧氣含量得不到保障。這些高溫氣體中還存在致癌物質，因此食用菌種植過程培養料發酵通風設計變得尤為重要[2]。隨著人們對食用菌種植過程中氧氣含量的關注度越來越高，該領域相關學者提出了很多有關食用菌種植過程培養料發酵通風設計的可行方案。

通風可有效降低食用菌種植過程培養料發酵過程高溫氣體的含量，對食用菌種植過程種植人員的工作和生活十分重要[3]。針對上述食用菌種植過程培養料發酵通風相關設計方法存在的問題，提出利用數值模擬方式將軸流風機應用在食用菌種植過程培養料發酵通風設計中。

1 基于軸流風機的食用菌種植過程培養料通風發酵模擬

1.1 軸流風機控制數學模型和邊界條件

根據經驗可知，在食用菌種植過程培養料發酵通風設計中，食用菌種植過程培養料發酵固體壁面充分發展下的湍流流動能夠分成湍流核心區域與近壁區域兩部分，由此湍流流動控制方程組會隨流動所處位置不同而不同[4]。

經研究發現，RNGκ-ε模型能夠很好地處理高應變率和流線彎曲程度比較大的流動情況。因此，在湍流中心位置使用RNGκ-ε模型。由單一介質、不可壓縮和風機運行中無熱量交換假設可知，控制方程組無需考慮組分方程與能量方程，僅包含連續性方程和動量方程、κ方程以及ε方程即可。

綜合以上軸流風機控制數學模型分析，設置軸流風機食用菌種植過程培養料發酵通風數值模擬邊界條件和初始參數。

針對軸流風機在食用菌種植過程培養料發酵通風設計中的應用，構建由集流器進口至擴散器出口的全場流幾何模型，再選擇適合的湍流模型。以上述內容為基礎，對軸流風機全場流中三維湍流流動通過CFD軟件實現數值計算。

選擇一個食用菌種植大棚，食用菌種植過程培養料發酵的空氣流速比較低，可當作不可壓縮流體；食用菌種植過程培養料發酵過程含有的高溫氣體依照恒定速率揮發；空氣的物理性質是定值，并且不會產生化學反應；根據該前提假設，可有效提升研究結果與實際情況的擬合度。

三維流場模型邊界條件為：流體是常溫下的空氣。把軸流風機入口設定為質量流量入口，在集流器和流線罩構建的流體區域和第一級葉輪流道區域間、一級葉輪流道區域和二級葉輪流道間、二級葉輪流道和擴散器構成的流體區域間設定為混合面。軸流風機前后兩級葉片和輪轂都為靜墻。

1.2 模型構建

軸流風機的內部構造與流道形狀十分復雜，以更加合理地反應風機內部流場特征為目的，要對風機內部關鍵位置進行網格加密[5]。結合食用菌種植過程培養料發酵通風特性和通風機內部各個部件結構特性，在構建通風機內部全流場幾何模型過程中，采用分區分塊方式，將整個幾何模型劃分成集流器、前后級動葉輪、前后級導葉輪與擴散器幾個區域。等幾個子區域流場模型生成之后，依據各子區域流場的幾何模型端面交界種類將各子區域沿著軸向進行連接，以此生成全流場幾何模型。

全流場幾何模型選用專用模型制作軟件構成。對構建的全流場幾何模型進行網格生成處理，進而實現軸流風機食用菌種植過程培養料發酵通風設計的有限元模型構建。

網格不僅是計算流體力學模型，即CFD的幾何表征形式，還是模擬和分析的載體。網格質量對于流體力學模型的精準計算十分重要。鑒于基于軸流風機的食用菌種植過程培養料通風發酵模擬中的幾何模型是十分復雜的3D幾何模型，因此，選用非結構化網格，網格劃分中的網格單元選擇的是四面體單元。通過精細化的網格劃分，判斷軸流風機疏散食用菌種植過程培養料發酵高溫氣體最佳參數，進而最大程度降低食用菌種植過程培養料發酵高溫氣體。

網格是計算區域離散的基礎，也是食用菌種植過程培養料發酵通風設計精細化的依據。合理的網格分布可以提升數值計算效率，節省計算時長，還能夠充分考慮流場中關鍵結構對于流場參數大體分布的影響。

上述已經將食用菌種植過程培養料發酵通風整個流場幾何模型依據軸流風機部件分為集流器等若干子區域。在網格生成過程中，也需要將軸流風機全流場依照這些子區域分別生成，同時進行不同程度的加密。

當前針對復雜區域流場計算相關問題大多是經專用網格生成軟件生成的。在此，也使用專用網格生成軟件生成軸流風機有限元模型，如圖1所示。

圖1 軸流風機網格劃分Fig.1 Axial fan meshing

2 實驗結果與分析

為驗證基于軸流風機的食用菌種植過程培養料通風發酵模擬有效性，在以下幾方面驗證所提方法。

1）軸流風機數值模擬下的風速分析

針對食用菌種植過程培養料發酵通風具有的特殊性質，軸流風機的風速不可太高，不然會影響食用菌種植過程種植人員舒適程度和正常活動，軸流風機運行工作頻率為50 Hz時的食用菌種植過程培養料發酵風速矢量如圖2所示。

由圖2 a中可知，軸流風機附近氣流速度比較大，高速氣流和扇葉以及風機內部壁面之間摩擦會生成部分噪聲。由圖2 b可知，當軸流風機運行工作頻率為50 Hz時，食用菌種植過程培養料發酵氣流總體可以保持一個較為平穩與低速的狀態，但風機出口位置風速相對比較大，這符合了風機實際抽風排風特性。

圖2 風機工作頻率為50 Hz時食用菌種植過程培養料發酵風速矢量分布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）為了進一步驗證所提方法可行性，分別在食用菌種植過程培養料發酵高溫氣體濃度去除率、模擬情況與實際值擬合度兩方面驗證基于軸流風機的食用菌種植過程培養料通風發酵模擬運行效果。實驗結果如下。

圖3 不同方法食用菌種植過程培養料發酵高溫氣體濃度去除率對比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[4]方法和參考文獻[5]方法在不同實驗次數下，食用菌種植過程培養料發酵高溫氣體濃度去除率曲線波動比較大，且整體較低，可靠性較差。所提方法利用數值模擬的方式使用軸流風機進行食用菌種植過程培養料發酵通風設計時，通過精細化的網格劃分，判斷軸流風機疏散食用菌種植過程培養料發酵高溫氣體最佳參數，進而最大程度降低了食用菌種植過程培養料發酵高溫氣體。

模擬情況與實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。由圖4可知，在進行數值模擬前，所提方法設置了邊界條件，并且采用分區分塊方式，將整個幾何模型劃分成集流器、前后級動葉輪、前后級導葉輪與擴散器幾個區域，考慮軸流風機實際運行狀況與食用菌種植過程培養料發酵環境，有效提升了模擬情況與實際值擬合度。

圖4 不同方法模擬情況與實際值擬合度對比Fig.4 Comparison of simulation results and actual values of different methods

3 結語

針對當前食用菌種植過程培養料發酵通風設計方法存在的問題，提出基于軸流風機的食用菌種植過程培養料通風發酵模擬方法。利用構建軸流風機控制數學模型和設置邊界條件為數值模擬奠定基礎，通過網格精細化劃分構建軸流風機有限元模型，完成軸流風機食用菌種植過程培養料發酵通風數值模擬。經驗證，軸流風機可有效去除食用菌種植過程培養料發酵高溫氣體，含氧量得到有效的補償，各方面性能良好。