CFD 技術在人工光植物工廠的應用前景

福建農林大學 李家奧

1 農業發展遇到的問題

隨著現代工業的發展，大量工業廢物和農用化學物進入農田、空氣和水體中，導致農業生產環境質量嚴重下降[1]。傳統農業生產依賴于外界環境，農業環境的污染極大限制了傳統農業的可持續發展力[2]。農業環境污染不僅影響植物的生長發育，同時可以使污染物在植物體內堆積，威脅人類的身體健康[3]。在傳統農業受阻的情況下，需要開發新型農業來滿足人們對食品的需求。

2 植物工廠發展存在的問題

目前植物工廠內多采用栽培層架的方式，來增加生產面積，提高生產效率，但是栽培層架會對室內氣流產生阻力，且層數越多阻力越大，從而影響植物的品質。

要實際得到植物工廠內各個位置的溫度和風速，需要多次測量，且還需要不斷調整進出風口的位置反復試驗，這樣不僅耗費大量資金，也消耗大量時間。另外，植物工廠的結構大多不相同，因此得到的實驗結果也不能普遍應用。

計算流體力學軟件（Computational Fluid Dynamics，CFD）是以電子計算機為工具的軟件系統。CFD 軟件可以準確模擬出植物工廠室內的溫度和風速的分布，從而可以在植物工廠建設前模擬出室內環境，通過改變空調循環系統的進風口和出風口的位置，來得到最佳設計方案，在確保室內環境最佳的同時節約大量的時間和資金。

3 CFD 技術在農業領域的應用

3.1 CFD 技術在畜禽舍中的應用

在對畜禽舍的風速場研究中，對北京養豬育種中心公豬豬舍進行了模擬研究，用多孔介質替換漏縫地板，基于k-ε 湍流模型對空載的裝豬豬舍內的溫度場和風速場進行了模擬，并將模擬的結果與實際測量值進行比對驗證，得出風速場的模擬值與真實值的相對誤差在0.25%～30.8%，可以得出模擬值具有合理性。

3.2 CFD 技術在溫室大棚中的應用

在溫室大棚的研究中，李永欣[4]等對夏季Venlo 型溫室的自然通風進行模擬，將溫室內外遮陽、屋頂噴淋、室內植物和土壤等因素做了邊界條件處理，模擬了在外遮陽和屋頂噴淋工作下的溫室內空氣溫度的變化，得出溫室內平均溫度與試驗模擬結果的平均值差為1.7℃，平均偏差為試驗測試結果的5%,可以得出實驗結果基本與實際測量值一致。

4 CFD 技術在植物工廠中的應用和展望

4.1 CFD 在植物工廠的應用

在植物工廠的應用中，劉煥[5]等利用CFD 軟件建立人工光植物工廠的三維模型，并設計了側進側出式、側進側上出式、側進上出式和上進側出式四種氣流循環方式，經過模擬分析得出側進側出式為最佳氣流循環模式，相比于上進側出式，側進側出式的風速增加0.51m/s、均勻性指標變異系數降低17%、平均溫度降低0.5℃。

4.2 展望

由于我國植物工廠發展較晚且投資成本較高，目前CFD 技術并沒有廣泛應用于植物工廠中，但根據目前對植物工廠的研究可以得出，CFD 技術通過對空調循環系統的進出風口的布置，來模擬植物工廠內的溫度場和風速場，這樣就可以在建造植物工廠前通過利用CFD 技術的模擬結果，選擇空調循環系統的最佳方案。同時，利用CFD 技術對室內溫度場和風速場的分析，還可以得到各個傳感器的最佳布置方案，更方便測量。