基于CFD 仿真的種植機風道優化設計

賴景歡 林楚宏 藍啟航 陳新明 謝從虎

（1.中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510860；2.廣州擎天實業有限公司 廣州 510860）

引言

隨著城市化發展，城市中用于種植栽培的土地越來越少。為了體驗蔬菜種植的樂趣和享用有機安全的蔬菜，人們通常會選用家用智能種植機在室內種植新鮮的蔬菜。家用智能種植機作為一種新興的家用產品，尚未有可遵循的國家標準和成熟設計。陳素娟等[1]介紹了一種室內使用的家用智能種植機，它是采用水培種植技術，多層立體種植，營養液智能化循環管理，同時溫光自動化控制的栽培裝置。為了實現溫度自動化控制，種植機通常采用封閉式箱體結構，在箱體內部設計有風道系統，在實現箱體溫控的同時，定期更換箱體內的空氣，滿足蔬菜的生長需求[2]。

目前，種植機的風道設計沒有成熟的方案，如果僅僅通過實驗測試的方式來調整產品性能，會增加較多的時間和人工成本。利用CFD（Computational Fluid Dynamics）計算流體力學仿真獲取產品性能，并優化原始設計方案，是目前主流的產品預研手段。

本文以應用水培種植技術的封閉式智能種植機為例，通過CFD 仿真對風道及箱體內部的流場進行數值模擬，根據得到的數據結果對出風口處風向導流結構的優化以及風道內風量分配結構的優化、改善了箱內多層立體空間的溫度均勻性，最后通過實驗測試驗證了本文方法的合理性和可行性。

1 風道結構簡化模型

本文研究的種植機箱體結構示意如圖1 所示，箱體內部分為四層立體種植空間，每層空間頂部設有定時開啟的種植燈，底部設有種植盤，營養液在四個種植盤中循環流動。種植機設有蒸發器和加熱器進行控溫，使各種植層的營養液和空氣控制在（15 ～25）℃的溫度范圍。其中，空氣蒸發器和加熱器位于壓縮機倉模塊，采用貫流風機驅動，實現風道從下往上送風，通過開啟和關閉風門進行新風換氣或者空氣循環。考慮到種植燈功率大、發熱量高，箱內主要進行空氣制冷降溫，因此風道設計優先滿足空氣制冷循環。

圖1 種植機箱體結構示意圖

基于上述空氣制冷循環的考慮，將種植機箱體結構簡化后，得到該種植機風道及箱體內部的仿真模型如圖2 所示。圖中包括種植機風道，箱內四層種植層，回風槽位以及蒸發器。貫流風機將位于下部的蒸發器冷氣抽送到種植機風道，經由風道從下往上輸送至每一層種植空間（種植層L1、L2、L3、L4）；每層種植空間分別有一個出風口（C1、C2、C3、C4），冷氣經出風口從右向左吹到種植空間，在此完成熱交換；然后經過每層種植盤前后間隙及通風口向下流動，回流到回風槽位，最后流向蒸發器位置完成一個空氣制冷循環。

圖2 種植機風道及箱體內部仿真模型圖

2 數學模型與計算

對于種植機風道及箱體內部的流場仿真研究，為了減少數值模擬的計算量，在建立數學模型時，可以將種植機風道及箱體內部的空氣近似為理想氣體、定常不可壓流動，并且在內壁面上滿足無滑移邊界條件。流動過程滿足以下控制方程：

1）連續性方程

2）動量方程

式中：

u—X 方向上的速度分量；

v—Y 方向上的速度分量；

w—Z 方向上的速度分量；

ρ—密度；

p—壓力；

η—動力粘度；

g—重力加速度；

β—熱膨脹系數；

T—溫度。

本仿真計算模型選用RNG k-ε 湍流模型，壁面附近選用可擴展壁面函數。對連續性方程、動量方程等的求解采用SIMPLE 算法。對蒸發器運用多孔介質模型。仿真計算模型網格采用多面體網格，對各個區域進行自適應網格劃分，整體網格數約為185 萬。基于測試數據，給定種植機風道進風面的平均速度5.05 m/s 為初始條件。

3 仿真結果分析

本文在原始方案基礎上進行優化并做仿真分析對比。基于結構尺寸限制和外觀設計要求，所有方案的蒸發器和風機位置保持不變、并且四層種植層的出風口C1、C2、C3、C4 大小形狀保持一致。風道仿真的結果用流線圖和出風口速度矢量圖來表示，流線圖體現了箱內氣體的流動狀況，出風口速度矢量圖直觀反映了各出風口的風速大小和方向。為了方便各層之間的風量比較，把圖表中的出風口流量換算為百分比形式。

3.1 原始風道結構方案

原始方案的仿真結果如圖3 所示。從出風口速度矢量圖可以看出，出風口C4 的風速最大，出風口從下往上風速越來越小；每個出風口風向傾斜角度較大，斜向上的氣體很快與種植盤底部干涉。這樣的出風角度造成氣體流動受阻，很難直接吹到種植層的另一邊空間，最后造成流線圖中的種植空間流線紊亂，局部形成渦流轉動的現象。因此，需要繼續優化出風口的風向導流結構，讓進入種植層空間的氣體流動更加順暢，使其形成良好的風路循環。

圖3 原始風道仿真結果

由表1 原始風道各出風口風量仿真結果可知，出風口C1 和出風口C2 流量占比共46 %，出風口C3 和出風口C4 流量占比共54 %。考慮到冷氣自然下沉形成對流現象，冷氣在種植層L3 和種植層L4 會堆積更多，種植層L1 和種植層L2 的實際制冷效果會更差。最優的方案應該是上部分流量占比要偏大，這樣才能形成四層種植空間較均勻的溫度分布。因此，需要對風道內部風量分配結構進行優化，增加出風口C1 和出風口C2 的風量比例。

表1 原始風道各出風口風量仿真結果

3.2 優化風道結構方案

以上通過對原始風道的仿真分析，發現以下問題：

圖4 風道結構優化前后對比圖

1）出風口氣體流動受阻，與種植盤干涉后形成紊亂氣流，風路循環效果差。

2）種植層L1 和種植層L2 流量占比小，箱內上下部分的風量分配不合理。

針對以上問題點，對原始方案的風道結構進行優化調整，旨在改善種植機的風路循環效果和整體溫度均勻性。因此，優化方案對出風口導流結構（圖示標記A 處）由原始的斜角更改為過渡圓角，使出風角度更平緩；出風口導流格柵（圖示標記B 處）由原始的豎向改為橫向，增強風道中的氣流導向；風道中的風量擋板（圖示標記C 處）由原始的薄片改為圓弧臺階，減少流動風阻、改變風量分配。

優化后的風道結構在相同的基準下進行仿真分析，得到的結果如圖5 所示。從出風口速度矢量圖可以看到，優化方案的出風口風向傾斜角度較小，順著出風口出來的氣體能吹得更遠，同時減少了氣體紊亂現象。整個風路循環效果相對原始方案更加順暢。

圖5 優化風道仿真結果

由表2 優化風道各出風口風量仿真結果可知，通過結構優化后，出風口C1 和出風口C2 流量占比得到提高，兩者之和共51.5 %；出風口C3 基本不變，出風口C4 減少至23.0 %，兩者之和共48.5 %。理論上，冷氣會在種植層L4 堆積，出風口C4 的流量占比偏小可以使整體溫度均勻。

表2 優化風道各出風口風量仿真結果

4 優化方案實驗驗證

本文根據優化后的風道結構制作了手板樣機，并以此進行了實驗測試。其中，測試條件為環境溫度38 ℃，環境濕度75 %，空氣測溫點布置在各種植層空間中心點，各層種植盤加入營養液，在關燈狀態下進行拉溫測試。得到的測試結果如表3 所示。

表3 優化風道測試結果

實驗結果顯示，在關燈狀態下，種植機箱內平均溫度為23.45 ℃；種植層L1 的溫度最高，為24.00 ℃；種植層L4 的溫度最低，為22.70 ℃。各種植層之間的溫差在±1 ℃的范圍，此溫差對于種植機的產品設計而言可以滿足要求。

通過與優化風道的仿真結果對比，發現仿真結果與實驗測試結果趨勢相符，表明針對種植機風道的結構優化設計思路符合預期。

5 結論

本文通過CFD 仿真結果進行了種植機風道結構的優化，僅僅對優化后的風道進行手板制作和實驗測試，減少了反復制作手板測試的成本和時間；而且CFD 仿真結果與實驗測試結果趨勢相符，是一種有效的指導產品設計和預研的方式。

通過仿真結果和實驗測試結果對比，表明了：出風口處導流結構的優化，改善了箱內各種植層的風向流動，使箱內風路循環更加順暢；風道中風量分配結構的優化，使得種植機內部空氣溫度更加均勻，箱內整體的溫差偏差在±1 ℃。