基于CFD的植物工廠冠層微環境管道通風效果模擬

方 慧，伍 綱，程瑞鋒，仝宇欣

基于CFD的植物工廠冠層微環境管道通風效果模擬

方 慧，伍 綱，程瑞鋒，仝宇欣※

（1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2. 農業農村部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

為增加植物工廠多層栽培模式中作物冠層內部氣流擾動，該研究設計了一種冠層微環境管道通風裝置，利用計算流體力學軟件（Computational Fluid Dynamics，CFD）構建三維栽培模型。在模型中，將植物冠層區域考慮為多孔介質，多孔介質的黏滯阻力系數為25，慣性阻力系數為1.3；LED燈管設置為熱源模型，熱源模型散熱量為297 525 kW/m3。利用模型模擬并實測入口速度為8 m/s時植物冠層表面和上部空間氣流速度，發現空氣流域的平均誤差為16%，模擬值與實測值吻合較好。利用驗證的模型模擬不同入口速度下植物冠層的氣流分布，結果表明：進氣速度設置為8 m/s，該速度下植物冠層內部適宜速度區域體積占比為67.58%，冠層表面適宜速度區域面積占比為55.23%，冠層內部氣流平均速度為0.14 m/s。研究表明植物工廠冠層微環境管道通風模式能有效增加冠層氣流擾動。

通風；植物工廠；氣流速度；多孔介質；CFD

0 引 言

植物工廠是一種通過設施內環境高精度控制實現作物周年連續生產的高效農業生產方式，單位面積蔬菜產能可達露地40倍以上，被認為是保障食物安全的重要途徑之一，受到世界各國的廣泛重視[1-4]。規模化、集約化和智能化的植物工廠生產方式已成為未來農業的發展趨勢。現階段，植物工廠環境調控主要通過氣流循環解決，送風的方式對植物工廠微環境有著決定性作用，直接影響系統內部的溫度、氣流速度、區域溫差以及通風調溫系統能耗等方面。

在植物工廠生產中為節省室內空間，植物工廠以多層式栽培方式為主。一般栽培床層間距為30～40 cm，去除作物的生長高度，作物冠層以上空間非常有限，盡管植物工廠設計的氣流較大，但由于作物和栽培床的阻擋，導致氣流在作物周圍形成繞流，在栽培架的中間位置，氣流速度幾乎為零，使得植物生長環境中氣流不均勻，影響作物蒸騰速率和光合作用，容易誘導植物生理性病害發生，尤其以葉燒現象最為普遍[5-8]。Hesham等[9]研究認為植物工廠葉燒的主要原因是內部氣流分布不合理引起。由于植物工廠內部氣流分布不均勻，過道風速較大，植物冠層風速較低，從而導致植物運輸鈣離子的能力降低，加之植物工廠內部作物生長速率較快，使得作物新葉片鈣的濃度降低，從而使植物葉片缺鈣形成葉燒，該缺鈣現象并非是由于植物根部吸收鈣不足導致的，而是由于植物對鈣離子的轉運能力不足，導致沒有足夠的鈣來供給植物生長從而發生葉燒現象[9]。為減少葉燒現象，最有效的辦法是增加作物冠層氣流速度。在作物氣流速度研究方面，Kitaya等[10-12]通過試驗表明氣流速度在0.02～1.30 m/s范圍內，隨著氣流速度的提升，黃瓜葉片凈光合速率和蒸騰速率作用分別增加了1.2和2.8倍，該研究結果表明作物冠層氣流速度的增加，對作物光合和蒸騰速率有積極的影響。作物冠層的低速區域會影響作物蒸騰速率及其與環境間的對流換熱，進而影響作物微環境溫度[13-14]。

為優化植物冠層區域氣流速度分布，設計合理的植物工廠通風模式，本文從通風管道氣流分流原理出發，理論上分析氣孔分布對氣流均勻性的影響，以確定氣孔數量及分布；以植物工廠種植生菜為例（L...）通過CFD模擬試驗，探明在植物和LED燈管影響下，最優的進氣速度，以期為植物工廠通風設計提供參考。

1 計算模型與驗證試驗

1.1 模型構建與網格劃分

植物工廠單層栽培架如圖1所示。栽培空間高度為400 mm，栽培板長1 500 mm，寬700 mm，共32個定植孔（4行8列），孔橫向間距為130 mm，縱向間距為170 mm；LED燈管長1 200 mm，7根燈管均勻布置于頂部，燈管間距為80 mm。通氣管道主管布置于栽培槽一側，支管布置于栽培孔行間，共3行，氣流通過支管上的通氣孔進入植物冠層。根據Colin等[15]研究表明多孔通氣管的管徑比（氣孔總面積/管橫截面積）為1.0～1.5時，每個通氣孔的氣流分配較均勻。通氣裝置主管道選用內徑為36 mm的PVC軟管，根據孔徑比要求，支管選用內徑為20 mm的PVC管。為保證氣流能均勻流入到植物冠層，根據支管孔徑比要求和常規鉆頭尺寸，每根支管上設置個38個通氣孔（2行19列），孔徑為4 mm，孔間距為70 mm，計算得到通氣孔的管徑比為1.5。

利用CFD模型中的Design Modeler模塊構建單層栽培空間模型，將構建的模型輸入到ANSYS Meshing模塊中，利用Proximity and Curvature方法對幾何體進行網格劃分，并對支管出氣孔和LED燈管進行網格進行加密處理，共生成4 126 129個網格，820 592個節點，利用skewness計算出網格最大偏斜度為0.7，最小偏斜度為6.0×10-6，平均值為0.23，網格質量優，可用于案例模擬分析[16]。

1.2 模擬方程

1.3 材料屬性與邊界條件

根據前期測試，通風管道布置于栽培層一側，管徑為50 mm時，管道入口處的最優氣流速度應為3 m/s[19]，即最優氣體流量為6.0×10-3m3/s。本研究為增加植物內部氣流擾動，將通風管道設置于植物冠層內部，入口處通風管內徑為36 mm，以氣體總流量為定值，則入口風速需達到5.9 m/s。本設計將通風管道直接布置于植物冠層內部，勢必會增加氣流阻力，因此需增加氣流速度。為優化植物冠層內氣流速度分布，本模擬研究設置4個氣流入口速度，分別為6、7、8和9 m/s，入口氣流溫度設定為24 ℃。栽培裝置模型上端和下端設置為壁面（Wall）；四周設置為壓力出口（Pressure outlet），出口回流溫度為操作環境溫度24 ℃。模擬計算中涉及的材料包括空氣、植物、鋁和玻璃，各材料熱物理屬性參數如表1所示。

表1 材料熱物理參數

模型中為考慮植物阻擋和燈管散熱對氣流的影響，將植物考慮為多孔介質，燈管設置為熱源邊界。

1.3.1 植物多孔介質參數

植物對氣流有一定的阻力，會導致氣流動量損失，進而對植物工廠內部通風環境產生負面影響。在CFD模型中將生菜假設為多孔介質，根據Darcy-Forchheimer定律，生菜對氣流的阻擋壓降梯度為

1.3.2 LED燈管熱源參數

LED燈管電光轉化效率與芯片材料和制作過程有關。Nelson等[21]測試不同類型LED燈珠發現，紅色燈珠和藍色燈珠的電光轉化效率分別為32%和49%。本試驗以植物工廠中常用紅藍組合LED燈管為例計算燈管熱功率。LED燈管由220顆紅燈珠和20顆藍組成（型號：IGL-T8-36B1R11，廣州市智卉光田農業科技有限責任公司），紅燈珠電功率為0.15 W，藍燈珠電功率為0.21 W。燈管散熱功率計算式為

LED燈管由燈罩、燈珠芯片和散熱鋁板組成。在CFD模型中可將LED燈管簡化為玻璃燈罩和鋁基板散熱器[20]，LED燈管模型如圖2所示，燈管直徑為20 mm，鋁基板截面寬度為17 mm，高度為4 mm，散熱器熱流密度計算式為

1.4 驗證試驗

為驗證模型，于2021年6月20日在試驗型植物工廠栽培架中布置通風管道進行通風試驗。植物工廠位于中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所內，植物工廠規格（長×寬×高）為4.1 m×2.3 m×2.6 m。管道風機轉速通過調壓器調節（TDGC2-0.5KVA，德碩智能電器有限公司）。通風管入口處氣流速度為8 m/s，氣流溫度為24 ℃，植物工廠環境溫度為24 ℃。對植物工廠單層栽培裝置中成熟期生菜冠層內部和上部空氣流域的氣流速度進行測試，測點布置如圖3所示。在中間位置的LED燈管正下方布置30個測點，分布于栽培層上部、中部和生菜冠層表面，用于記錄氣流速度。氣流速度測量選用紅外熱線風速儀（Climomaster6501-BG，日本加野麥克斯公司），測量范圍為0.01～5.00 m/s，測量精度為標準值的±2%。

上部空氣流域測點Measured points in the up air interior；中部空氣流域測點Measured points in the middle air interior；冠層表面測點Measured points on canopy Surface

2 結果與分析

2.1 模型驗證

為驗證模型結果的準確性，在試驗型植物工廠中進行管道通風試驗，試驗期生菜種植密度為22棵/m2。風管進氣口氣流速度為8 m/s，試驗裝置運行穩定后取溫度值和氣流速度值。

氣流速度模擬結果與實測結果對比如圖4所示。從圖4可以看出冠層上部空氣流域的氣流速度模擬值與實測值較接近。空氣流域20個氣流速度測點的平均誤差為16%；植物冠層10個氣流速度測點的平均誤差較大為23%。空氣流域的模擬值與實測值比較接近，但在植物冠層表面模擬值與實測值誤差較大，其主要原因是在模型中將植物設置為均勻的多孔介質，而在實際生產中植物并非均勻物質，植株內部孔隙度較小，而植株與植株間的孔隙度較大，且由于氣流的干擾，植物呈現波動狀態，進而影響氣流速度。

2.2 進氣速度對冠層表面氣流分布影響

植物工廠常規通風模式中，由于作物冠層外部葉片對氣流的阻擋，導致冠層內部風速小，甚至出現停滯區，通風效率較低[22]。為了突破冠層邊界層阻力及葉片封閉效應，本試驗將通風管道置于栽培板上。氣流通過通風管道氣孔進入作物冠層，由于葉片的阻擋，氣流在作物冠層內部發生繞流，從葉片空隙流入到周圍環境中。圖5為不同進氣速度下生菜冠層表面氣流分布云圖。從圖5可以看出延氣流流向，冠層表面氣流速度較大。隨著入口氣流速度的增加，高速區域面積逐漸向外延展擴大。通過計算冠層表面面積加權的平均速度得到，當進氣速度為6、7、8和9 m/s時，冠層表面的平均速度分別為0.11、0.13、0.15和0.17 m/s。

Kitaya等[23]的研究表明植物冠層內部氣流速度從0.01增加到0.2 m/s時，能有效增加植物蒸騰速率和凈光合速率，氣流速度從0.2增加到1.0 m/s，蒸騰速率持續增加，但當氣流速度從0.5增加到1.0 m/s時，凈光合速度穩定不變。Goto等[24]的研究表明植物冠層表面氣流速度在0.3～1.0 m/s時，能有效降低葉燒病發生率。為比較不同入口速度下植物冠層氣流分布特征，將冠層氣流速度分為停滯區（<0.1 m/s）、適宜區（0.1 m/s≤≤1.0 m/s）和高速區（>1.0 m/s），利用CFD軟件計算植物冠層氣流速度分別在停滯區、適宜區和高速區的面積占冠層總面積的比例，如表2所示。當進氣流速為6 m/s時，冠層表面停滯區域的面積較大，占總表面積的66.67%。為減少停滯區域面積，將進氣速度逐步提高到7、8和9 m/s，并利用CFD進行模擬，發現隨著進氣速度的增加，停滯區面積所占比例由66.67%降低到31.43%，適宜區面積所占比例由33.33%增加到68.57%，且冠層表面未出現高速區域。

表2 不同進氣速度下冠層表面氣流速度分布比較

2.3 進氣速度對冠層內部氣流分布影響

氣流經管道小孔進入作物冠層內部，增加冠層內部氣流擾動，在一定程度上能改善植物內部環境。在冠層內部軸方向選取=224 、715和1 274 mm截面如圖6所示，截面通過延氣流方向的第3排、10排和第18排通氣孔。速度分布云圖如圖7所示，由圖7可以看出，不同進氣速度下植物冠層內部氣流分布輪廓一致。氣流在管孔附近速度較大，進入植物冠層區域后逐漸衰減，在氣孔夾角間存在停滯區域。通過計算冠層內部體積加權平均值發現，進口處氣流速度為6、7、8和9 m/s時，植物冠層內部的平均速度分別為0.10、0.12、0.14和0.16 m/s。

隨著入口速度的增加，停滯區域體積所占比例減少，但高速區域體積所占比例增加。進口處氣流速度分別為6、7、8和9 m/s時，速度適宜區域體積占比分別為42.84%、52.36%、67.58%和77.08%（表3），高速區域體積比分別為0.01%、0.02%、0.04%和0.06%。雖然高速區域體積比較小，但通過測量發現，當氣流速度由6增加到9 m/s時，氣孔高速區域與管道外壁最大垂直距離由40增加到60 mm，通風管道半徑為10 mm，即高速區域距離管中心的距離由50增加到了70 mm。在實際生產中，栽培孔間距為130 mm，通風管道布置于植物株間，管孔附近的高速區域距離管中心距離大于65 mm時對植物生長有影響。為避免植物冠層內部氣流速度過大，同時滿足冠層內部適宜的氣流速度，選擇進氣口最佳氣流速度為8 m/s。

表3 冠層內部氣流速度分布比較

3 討 論

本研究的目的是探討植物工廠采用冠層微環境管道通風裝置后不同進氣速度對生菜冠層氣流分布及均勻性的影響。對于單個栽培層，植物和補光燈對氣流的影響密不可分。本文提出將生菜簡化為多孔介質，將補光燈設置為熱源，模擬植物冠層內部及上部空間的氣流速度。通過模擬和實測的數據對比發現，在植物冠層內部和上部空間模擬值與實測值吻合較好，但在植物冠層上表面，兩者差異較大，主要原因是模擬中將植物考慮為均勻的多孔介質，而實際生產中作物冠層之間空隙分布并不均勻，且氣流流動過程中作物也會隨之擺動，勢必會影響氣流走向。

目前在畜禽舍通風研究方面，為更能真實反映畜禽對氣流的影響，探索性的將畜禽考慮為實體模型，如程瓊儀[25]在測試雞群對氣流阻力時，將雞身簡化為橢球型、輕微簡化型和雞身型，該方法更能精確模擬畜禽舍中氣流分布。植物不同于雞群，不僅植株與植株間存在空隙，植株內部亦存在空隙，且植物葉片厚度小，在網格劃分中若將植物考慮為實體模型，勢必會增加網格數量，降低計算速度。因此，需對植物外形進行輕微簡化，以期在不增加網格數量下實現對冠層氣流分布精確模擬。

4 結 論

本研究針對現有植物工廠中氣流主要集中在過道，栽培區域出現停滯區的問題，設計了一種局部管道通風裝置，并利用CFD軟件模擬了不同進氣速度下植物冠層內部和冠層表面氣流分布，為植物工廠通風設計提供參考。研究主要結論如下：

1）利用CFD軟件構建了植物工廠冠層微環境管道通風模型，在模型中將植物冠層考慮為多孔介質，多孔介質的黏滯阻力系數設置為25，慣性阻力系數設置為1.3，將LED燈管考慮為熱源，熱流密度設置為297 525 W/m3。通過模擬和實測進氣速度為8 m/s，進氣溫度為24 ℃條件下植物冠層表面氣流速度和冠層上部空間氣流速度，得到空間流域模擬值與試驗值的平均誤差為16%，構建的植物工廠冠層微環境管道通風模型能準確描述進氣速度對植物冠層上部空氣間氣流速度的影響。

2）利用驗證的模型模擬不同入口氣流下植物冠層的氣流分布，結果表明：植物工廠冠層微環境管道通風裝置能有效增加作物冠層內部氣流擾動，當入口氣流速度從6增加到9 m/s時，植物冠層表面的平均速度由0.11 m/s增加到0.17 m/s，冠層表面適宜速度區域面積占比由33.33%增加到68.57%，植物冠層內部的平均速度由0.11增加到0.17 m/s，冠層內部適宜速度區域體積占比由42.84%增加到77.08%。為避免冠層內部高速氣流對植物的影響，可將進氣速度設置為8 m/s。

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Numerical simulation of ventilation efficiency with perforated air tubes for controlling canopy environment in a plant factory based on CFD

Fang Hui, Wu Gang, Cheng Ruifeng, Tong Yuxin※

(1.,,100081,; 2.,,100081,)

Much more cultivation layers and high canopy density have posed great challenges to the even distribution of airflow in plant factories. It is highly required for the optimal design of airflow distribution systems, thereby improving the physiological orders and post-harvest quality for a high commercial value of the products. In this study, a ventilation system was designed with the three parallel lines of perforated air tubes, further to generate a constant airflow inside the plant canopy. The air tube was fabricated in a diameter of 20 mm with a length of 1 500 mm using the layout and size of a cultivation shelf. Each air tube was equipped with two rows of jets. A three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was developed to analyze the distribution of airflow in the plant’s canopy under different inlet velocities. Furthermore, the lettuce leaves were assumed as the porous medium with the drag coefficient of 0.02, resulting in a viscous resistance factor and the inertial resistance factor of 25 and 1.3, respectively. A LED lamp (?20 mm) was assumed as an aluminum substrate and a glass part. An energy term with a constant heat generation of 297 525 W/m3was also defined as the heat source lost by the volumetric convection from the LED lamp aluminum substrate part for the heat dissipation. The average error of simulated air velocity was 16%, compared with the measured. Three groups of air velocity (lower than 0.1 m/s, between 0.1 and 1.0 m/s, and higher than 1.0 m/s) were selected to calculate the proportion of the areas of the plant’s canopy surface and the volume proportion inside the plant’s canopy. The results showed that the percentage of air velocity at the lettuce canopy surface between 0.1 and 1 m/s increased from 33.33% to 68.57%, while, the percentage of volumes inside the plant’s canopy increased from 42.84% to 77.08%, respectively, when the air velocity increased from 6 to 9 m/s. By contrast, the percentage of volumes inside the plant’s canopy increased from 0.01% to 0.06%, with the air velocity higher than 1.0 m/s. The maximum distance between the ventilation pipe and high airflow increased from 50 to 70 mm. Therefore, the air velocity was recommended as 8 m/s, further to avoid the air velocity higher than 1 m/s plants canopy. At the inlet air flow velocity, the percentage of volumes inside the plant’s canopy with the air velocity between 0.1 and 1 m/s was 67.58%, the percentage of areas on the plant’s canopy surface with the air velocity between 0.1 and 1.0 m/s was 55.23%, and the volume-weighted air velocity in the canopy was 0.14 m/s. This finding can provide a new solution to improve the canopy environment in a plant factory.

ventilation; plant factory; airflow velocity; porous media; CFD

方慧，伍綱，程瑞鋒，等. 基于CFD的植物工廠冠層微環境管道通風效果模擬[J]. 農業工程學報，2021，37(22)：188-193.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.021 http://www.tcsae.org

Fang Hui, Wu Gang, Cheng Ruifeng, et al. Numerical simulation of ventilation efficiency with perforated air tubes for controlling canopy environment in a plant factory based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 188-193. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.021 http://www.tcsae.org

2021-06-30

2021-11-06

國家重點研發計劃戰略性科技創新合作專項（2020YFE0203600）

方慧，副研究員，研究方向為設施環境模擬方面。Email：fanghui@caas.cn

仝宇欣，博士，副研究員，研究方向為設施園藝方面。Email：tongyuxin@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.021

S625.4

A

1002-6819(2021)-22-0188-06