CFD 技術(shù)在人工光植物工廠的應(yīng)用前景

福建農(nóng)林大學(xué) 李家?jiàn)W

1 農(nóng)業(yè)發(fā)展遇到的問(wèn)題

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大量工業(yè)廢物和農(nóng)用化學(xué)物進(jìn)入農(nóng)田、空氣和水體中，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重下降[1]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴(lài)于外界環(huán)境，農(nóng)業(yè)環(huán)境的污染極大限制了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展力[2]。農(nóng)業(yè)環(huán)境污染不僅影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)可以使污染物在植物體內(nèi)堆積，威脅人類(lèi)的身體健康[3]。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受阻的情況下，需要開(kāi)發(fā)新型農(nóng)業(yè)來(lái)滿(mǎn)足人們對(duì)食品的需求。

2 植物工廠發(fā)展存在的問(wèn)題

目前植物工廠內(nèi)多采用栽培層架的方式，來(lái)增加生產(chǎn)面積，提高生產(chǎn)效率，但是栽培層架會(huì)對(duì)室內(nèi)氣流產(chǎn)生阻力，且層數(shù)越多阻力越大，從而影響植物的品質(zhì)。

要實(shí)際得到植物工廠內(nèi)各個(gè)位置的溫度和風(fēng)速，需要多次測(cè)量，且還需要不斷調(diào)整進(jìn)出風(fēng)口的位置反復(fù)試驗(yàn)，這樣不僅耗費(fèi)大量資金，也消耗大量時(shí)間。另外，植物工廠的結(jié)構(gòu)大多不相同，因此得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不能普遍應(yīng)用。

計(jì)算流體力學(xué)軟件（Computational Fluid Dynamics，CFD）是以電子計(jì)算機(jī)為工具的軟件系統(tǒng)。CFD 軟件可以準(zhǔn)確模擬出植物工廠室內(nèi)的溫度和風(fēng)速的分布，從而可以在植物工廠建設(shè)前模擬出室內(nèi)環(huán)境，通過(guò)改變空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的位置，來(lái)得到最佳設(shè)計(jì)方案，在確保室內(nèi)環(huán)境最佳的同時(shí)節(jié)約大量的時(shí)間和資金。

3 CFD 技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 CFD 技術(shù)在畜禽舍中的應(yīng)用

在對(duì)畜禽舍的風(fēng)速場(chǎng)研究中，對(duì)北京養(yǎng)豬育種中心公豬豬舍進(jìn)行了模擬研究，用多孔介質(zhì)替換漏縫地板，基于k-ε 湍流模型對(duì)空載的裝豬豬舍內(nèi)的溫度場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并將模擬的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，得出風(fēng)速場(chǎng)的模擬值與真實(shí)值的相對(duì)誤差在0.25%～30.8%，可以得出模擬值具有合理性。

3.2 CFD 技術(shù)在溫室大棚中的應(yīng)用

在溫室大棚的研究中，李永欣[4]等對(duì)夏季Venlo 型溫室的自然通風(fēng)進(jìn)行模擬，將溫室內(nèi)外遮陽(yáng)、屋頂噴淋、室內(nèi)植物和土壤等因素做了邊界條件處理，模擬了在外遮陽(yáng)和屋頂噴淋工作下的溫室內(nèi)空氣溫度的變化，得出溫室內(nèi)平均溫度與試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的平均值差為1.7℃，平均偏差為試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的5%,可以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本與實(shí)際測(cè)量值一致。

4 CFD 技術(shù)在植物工廠中的應(yīng)用和展望

4.1 CFD 在植物工廠的應(yīng)用

在植物工廠的應(yīng)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(shè)計(jì)了側(cè)進(jìn)側(cè)出式、側(cè)進(jìn)側(cè)上出式、側(cè)進(jìn)上出式和上進(jìn)側(cè)出式四種氣流循環(huán)方式，經(jīng)過(guò)模擬分析得出側(cè)進(jìn)側(cè)出式為最佳氣流循環(huán)模式，相比于上進(jìn)側(cè)出式，側(cè)進(jìn)側(cè)出式的風(fēng)速增加0.51m/s、均勻性指標(biāo)變異系數(shù)降低17%、平均溫度降低0.5℃。

4.2 展望

由于我國(guó)植物工廠發(fā)展較晚且投資成本較高，目前CFD 技術(shù)并沒(méi)有廣泛應(yīng)用于植物工廠中，但根據(jù)目前對(duì)植物工廠的研究可以得出，CFD 技術(shù)通過(guò)對(duì)空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)出風(fēng)口的布置，來(lái)模擬植物工廠內(nèi)的溫度場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)，這樣就可以在建造植物工廠前通過(guò)利用CFD 技術(shù)的模擬結(jié)果，選擇空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)的最佳方案。同時(shí)，利用CFD 技術(shù)對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)的分析，還可以得到各個(gè)傳感器的最佳布置方案，更方便測(cè)量。