計算流體力學在農業工程中的應用現狀與發展趨勢

肖瑤， 吳明亮，2*

（1.湖南農業大學機電工程學院，長沙 410128；2.湖南省現代農業裝備工程技術研究中心，長沙 420128）

現階段，我國現代化建設加速，農業裝備也向規模化、集成化方向發展，在新的發展時期，要提高農業裝備的性能和質量，必需要有先進有效的設計方法。農業裝備的作用對象和環境具有復雜性和隨機性，物料性質差異較大，因此，在設計農業裝備時采用的理論研究有其特殊性，不能照搬其他理論。試驗研究往往受農時影響，設計周期長、成本高、效率低，且僅理論分析和試驗研究無法滿足高質高效的設計要求。計算機數值模擬仿真技術的不斷突破打破了傳統產品設計的局限性，可作為田間試驗的預試驗，對工作過程進行動態演示和計算分析，從而提高設計效率、降低設計成本[1]。計算流體力學（computations fluid dynamics，CFD）在涉及以氣固或氣液兩相流作為其工作對象或其承載介質的農業裝備設計時被廣泛應用。

CFD是基于數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象進行系統分析的計算機數值模擬仿真方法[2]。CFD仿真分析方法的準確性在很大程度上依賴于用戶的經驗，如選取合理的計算模型和有效的網格系統，因此，總結CFD建模方法的最新進展及在農業工程中的應用情況，可為合理應用模型進行模擬仿真提供有益的建議。

本文首先對CFD數值仿真的基本原理及方法進行概述；然后對目前農業工程中常用的物理模型進行分析，并對CFD方法在種植機械、田間管理機械、收獲機械、干燥及儲藏設施等方面的應用現狀及動態進行歸納和總結；最后對CFD方法在農業工程領域的應用前景和發展趨勢加以展望，旨為CFD在農業工程領域的應用奠定基礎，以促進農業裝備數字設計技術，加快農業裝備現代化進程。

1 CFD數值仿真基本原理及方法

CFD 是一種復雜的設計和分析工具，它利用計算機來模擬流體運動、傳質傳熱、化學反應以及兩相流之間的相互作用[3]。

1.1 CFD基本原理

任何流體運動均可基于質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律建立數學方程組。CFD則通過求解這三大定律建立的方程組，獲得流體運動的相關參數。它采用有限的、離散的變量值合集代替空間或時間域上連續的速度場、壓力場等，建立關于各離散點上場變量之間的代數方程組，然后通過求解代數方程組獲得場變量的近似值，以此得知流場位置上速度、壓力等基本物理量的分布，以及物理量隨時間的變化規律等[4]。

控制方程是相應守恒定律的數學描述，CFD的基本控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。質量守恒方程又稱為連續性方程，如式（1）所示。

式中，ρ為密度，t為時間，u、v、w分別為直角坐標系x、y、z方向上的速度分量。

動量守恒方程也稱為Navier-Stokes 方程，微元體中流體的動量對時間的變化率等外界作用在該微元體上的各種力之和。x、y、z方向的動量方程如式（2）、（3）、（4）所示。式中，div為速度散場度；grad為梯度向量。

能量守恒方程主要是針對牛頓流體得出的，包含熱交換的流體系統必需滿足的基本定律，如式（5）所示。

1.2 CFD仿真過程

CFD 仿真求解的基本環節包括前處理、求解和后處理3個部分，如圖1所示。

圖1 CFD軟件求解流程Fig. 1 CFD software solution flow

1.2.1前處理 CFD軟件前處理的目的是將真實的物理現象抽象化為便于計算機識別、計算的數據模型，主要包括物理現象抽象簡化、計算域幾何模型構建、計算網格劃分、設定計算區域屬性、設定計算模型邊界條件、設定求解參數、設定輸出參數等。常見的網格生成軟件有ICEM CFD、GAMBIT、NNWGridstar、Hypermesh、Fluent Meshing等。

1.2.2計算求解 通過CFD 求解器可完成讀取前處理數據、運算求解、輸出物理量等一系列工作。為滿足客戶需求，求解器需要設置一部分前處理內容，如導入網格、設置邊界條件和求解控制參數、選擇計算模型等。常見的CFD 求解器包括Fluent、CFX、Ployflow、Fidap、Mixsim 等，其中Fluent 和CFX 均屬于ANSYS CFD 軟件族，且Fluent 因包含豐富的物理模型、網格支持能力強大，擁有廣大的用戶群體。

1.2.3后處理 計算后處理即對求解器得出的物理量進行圖表化、數據化，以更直觀的方式呈現給用戶。后處理常見的圖形類別包括云圖、矢量圖、流線圖、XY 曲線圖、數據輸出等。常見的CFD 后處理軟件有ANSYS CFD-Post、TECPLOT、Starccmview、Paraview等。

2 CFD仿真模型種類

選擇合理的計算模型是確保CFD 仿真準確性的重要前提。網格劃分及求解器格式選擇需要考慮模型（層流還是湍流）、是否傳熱、流體有無黏性、是否為多相流、是否存在化學反應和組分變化等。農業工程領域中常用的模型為湍流模型、傳熱模型和多孔介質模型。

2.1 湍流模型

在實際生產中，絕大部分流動都是湍流流動，其特性十分復雜。CFD中常用來預測湍流流動的方法有雷諾平均方程（Reynold-averaged Naviers-Stokes equations，RANS）、大渦模擬（large eddy simulation，LES）和直接數值模擬（direct numerical simulation，DNS），這些模型在模擬農業機械的通風流動等方面各有優點。

2.1.1RANS 模擬 RANS 分為渦粘模型和雷諾應力模型2 種。渦粘模型又根據所使用的運輸方程個數進行細分，其中，Zero-Equation Eddy-Viscosity Models 多用于預測簡單紊流情況，或在校準情況下計算一些復雜流的平均流量，如預測隧道中的粉塵運動和模型周圍的舒適條件；Two-Equation Eddy-Viscosity Models 在數值模擬中的應用更為廣泛，且擁有更豐富的模型族，如Launder 等[5-6]提出的標準k-ε 模型，常用于室內通風模擬，帶壁面函數的標準k-ε 模型測可較好地預測封閉環境中的湍流；Yakhot 等[7]開發的RNGk-ω 模型可與傳熱模型耦合來模擬流體瞬態湍流流動和傳熱情況；Multiple-Equation Eddy-Viscosity Models 適用于封閉環境中的低速近壁流[8]。

王立軍等[9]在模擬玉米收獲機清選裝置內氣固兩相流特性時，選用Fluent 中的標準k-ε 模型。張亞輝[10]采用RNGk-ε 模型研究植保無人機在懸停狀態下氣流場對農藥霧滴分布的影響。李文煜[11]選用Realizablek-ε 湍流模型分析日光溫室結構對溫度、能量的影響。

雷諾應力模型在20 世紀90 年代開始被應用于三維流動模擬。Murakami等[12]采用雷諾應力模型仿真分析室內氣流分布，結果表明，在考慮湍流各向異性情況下，雷諾應力模型優于k-ε 標準模型。

2.1.2LES 模擬 LES 是介于DNS 和RANS 之間的中間建模技術，用以求解大尺度渦流的濾波Navier-Stokes 方程和對小尺度渦流進行建模[13]。相較與RANS 模型，LES 模型對網格尺寸要求更高，這意味著需要更多的計算時間，但LES模型的優勢在于計算瞬態值，在瞬態條件下，LES 可計算得到氣流在某處的波動情況，因此農業工程中常用來模擬溫室大棚的通風情況。

Rack-woo 等[14]利用LES 模型計算單排溫室在不同屋面坡度、曲率半徑下的平均壓力系數和壓力系數峰值。Chu等[15]選用LES模型，并結合多孔介質模型分析了溫室內作物對氣流的影響。馬猛[16]采用LES 模擬分析了橢圓屋蓋的風載荷特性，以對其結構進行優化。

2.1.3DNS 模擬 DNS 用瞬時的Navier-Stokes 方程求解湍流，無需對湍流流動動作進行簡化或近似就可以得到理論上相對準確的計算結果。DNS模擬因需要采用數量巨大的計算網格和高精度流體力學計算方法，對計算機內存容量和機時耗費巨大，在農業工程領域應用較少。

2.2 傳熱模型

在ANSYS Fluent 中的DO（discrete ordinates）（離散坐標）輻射模型，該模型對光學深度的適用性廣，在半透明介質輻射傳熱計算精準度高，廣泛應用于溫室大棚輻射傳熱傳質。王慶榮等[17]采用DO 輻射模型對日光溫室的對流循壞蓄熱墻體進行分析，模擬溫室圍護結構、地面等與室內氣流進行對流換熱情況；為分析在太陽輻射下，不同作物時期日光溫室內溫度場和濕度場的分布特征，焦巍[18]將湍流模型、DO 輻射模型和多孔介質模型結合，對雙層膜日光溫室土壤-作物-環境水熱系統進行數值模擬。

2.3 多孔介質模型

多孔介質模型是由多項物質所占據的共同空間，也是多相物質共存的一種組合體，土壤、谷堆等物料堆是典型的多孔介質。ANSYS Fluent軟件中的多孔介質模型采用經驗公式定義多孔介質上的流動阻力，在仿真時不需要單獨構建，在求解過程中劃分一塊區域設定為多孔介質即可。農業工程中常用多孔介質模型來模擬流體對作物的影響。

吳沿友等[19]為研究紅樹林對水流阻力的影響，建立了紅樹林多孔介質水流阻力數學模型，利用CFD 軟件Fluent 分析了林帶疏透度、寬度和水深等對紅樹林水流的阻力效果；吳飛青等[20]將作物用多孔介質代替，對冬季夜間加熱溫室熱環境進行模擬仿真，與Venlo 型溫室中采集到的關鍵位置溫度和速度數據進行對比，證明了用多孔介質代替作物進行CFD模擬的可行性；Endalew等[21]利用梨樹冠層簡化等效多孔介質模型，分析噴霧作業中氣流場分布和霧滴沉積情況，表明采用噴霧作業進行精準施藥時，作物冠層中氣流場分布對霧滴沉積影響較大。

3 CFD在農業工程研究領域應用現狀

播種機械、田間管理機械、收獲機械等田間或場上作業機械及溫室、農產品干燥和儲藏設施等均為現代農業生產環節中的典型農業裝備，其主要工作部件、工作原理及作業對象各不相同，因此采用CFD 技術對不同農業裝備進行設計及性能優化的方式也不盡相同。

3.1 CFD在播種機械中的應用現狀

播種是農業生產過程中的重要環節。在借助氣流作為載體介質的播種和利用氣流完成排種的作業中，氣流場中種子的均勻性是影響播種性能的關鍵點之一，氣固兩相流的復雜性使得傳統實驗無法對其進行更詳細的描述[22]。CFD 可以預測排種過程中影響排種裝置設計和播種性能的種子速度、壓力分布、種子軌跡等因素，應用CFD 技術可對播種裝置的結構和工作參數進行設計及優化。李衍軍等[23]基于CFD 方法和CFD 與DEM 氣固耦合法對氣送式播種機輸種管進行了仿真分析（圖2），首先通過二次回歸通用旋轉組合仿真試驗，建立了輸種管內氣流流速、排種量與輸種管長度間的關系曲線，求解得到最佳輸種管長度范圍；然后采用標準k-ε 模型非穩態的Lagrangian 耦合算法對輸種管內種子的力學行為進行模擬分析。仿真結果不僅能預測種子位置和運動軌跡，也為揭示輸種管內在的動力學機理提供參考。任永飛等[24]基于CFD技術對氣吸式播種器的排種盤進行仿真優化，采用Fluent 軟件模擬排種器的負壓充種過程，選取重播率和漏播率作為評價指標，對氣吸式排種盤的吸種孔壁與軸心夾角、吸種孔數、真空度3 個因素進行優化設計。夏紅梅等[25]利用ANSYS 軟件中的FLOTRAN 模塊對氣力板式蔬菜排種器的氣室結構參數進行優化，將氣室流體域簡化為定常不可壓湍流模型，通過求解質量守恒方程、動量方程和能量方程得出氣室中的壓強和速度，以此分析不同結構參數下氣室真空流場分布和強度。

圖2 氣送式排種系統［23］Fig. 2 Pneumatic seeding system［23］

3.2 CFD在田間管理機械中的應用現狀

田間管理機械主要包括地膜覆蓋機、中耕機、開溝機及噴霧機、彌霧機等植保機械。噴霧機、彌霧機和噴粉機等植保機械多用于噴施防治病蟲害的藥劑，因此力求最少的藥劑達到最佳防治效果，這對藥劑的附著率、飄移損失等要求較高，從而涉及物料的沉降、黏附特性等。采用CFD 技術相較傳統試驗方法更能從宏觀和微觀角度闡述及預測物料的運動規律。宋淑然等[26]基于Fluent 軟件，采用RNGk-ε 湍流模型為計算模型，仿真研究了導流片數目、形狀和長度對風送式噴霧機內流場的影響，并從出風速度、壓力損失的角度分析，以噴霧效率為優化目標對導流器進行結構參數優化（圖3）。

圖3 氣送式噴霧機導流器［26］Fig. 3 Air-driven sprayer deflector［26］

李建平等[27]利用CFD 軟件對噴霧機T35 型軸流風機進行了模擬仿真，通過分析風機壓力、速度、流體密度和風力等流場特性，確定了噴霧機環形噴管的尺寸參數和噴頭的安裝位置。祁力鈞等[28]針對溫室內環境密閉、溫度高、濕度大、霧滴沉積性較差的特點，將彌霧機實際噴霧流場區域簡化為圓柱體區域，在圓柱體上開設圓孔代替彌霧機噴頭，選用標準k-ε 湍流模型對溫室軌道式彌霧機氣流場進行求解。許晶等[29]利用CFDDEM 耦合方法對文丘里粉體噴射器內部流場中的顆粒運動特性進行了仿真試驗分析，可得文丘里管內顆粒運動軌跡與顆粒速度分布，并得出了氣固流場輸送過程中顆粒尺寸與顆粒-壁面碰撞次數的關系。

3.3 CFD在收獲機械中的應用現狀

收獲作業是農業生產過程中花費勞動力最多的，收獲質量直接影響作物的產量和品質，因此對收獲機械的要求也在不斷提高。收獲機械的一般作業過程包括收割、輸送、脫粒、分離清選。其中輸送和分離清選環節常采用氣流作為介質載體，應用CFD 方法可對收獲機械輸送和分離清選裝置的結構和工作參數進行仿真優化，尤其是氣力式分離清選裝置。在不同氣流場中，清選對象混合物之間引起的力學特性差異往往會直接影響清選效果，因此，對氣力式清選分離裝置內部流場的研究一直是學者們關注的重點。童水光等[30]采用CFD 方法對聯合收獲機的縱軸流清選裝置（圖4）進行了模擬仿真，選取k-ε 湍流模型并采用標準壁面模型和穩態求解器進行求解，對比分析了風道改進前后的氣流場分布，以此改進雙風道結構。李青林等[31]采用CFD-DEM 耦合法對稻麥聯合收獲機清選裝置的結構參數進行了仿真優化，選用含雜率和損失率為評價指標，對清選裝置的入口風速、上導風板傾角、下導風板傾角和振動篩頻率進行了優化。李洪昌等[32]為更直觀地分析風篩式清選裝置的氣流場分布，利用CFD-DEM耦合法模擬風篩式清選裝置的物料運動，根據實際測得的水稻籽粒、短莖稈分布情況，將顆粒相簡化為2種不同形狀尺寸的組合顆粒模型。

圖4 縱軸流清選裝置［30］Fig. 4 Longitudinal axial flow cleaning device［30］

3.4 CFD在溫室大棚中的應用現狀

溫室大棚是現代設施農業的重要組成之一，因其具有防寒保溫、抗旱抗澇、可反季節種植等優點被廣泛應用于農業生產。溫室大棚的優勢主要在于適宜的小氣候環境，對其小氣候環境的調控是實溫室大棚的關鍵技術之一。使用CFD 方法模擬溫室內溫度、適度空間分布狀況、風速流場分布等小氣候環境成為研究重點。任守綱等[33]基于CFD方法構建了夏季溫室氣候時空變化預測模型（圖5），該預測模型結合了k-ε 湍流模型和輻射模型，并引入了爬蟲獲取的大氣氣象預報，以預測大型連棟塑料溫室在不同通風條件下的氣溫變化規律，結果表明，實測結果與模型預測值的平均相對誤差為4%，說明預測模型具有可靠性。該研究借助軟件綜合分析了氣象預報、風機濕簾、太陽輻射等外部因素對溫室內溫度場的影響，再基于預測模型可對不同時間段、不同氣象條件下的溫室采用通風、升降溫等調控措施。吳昆等[34]基于CFD方法對拱形塑料大棚（群棚）的風載體型系數進行優化，并探究了單個拱形塑料大棚和群棚模型中風向角、棚間距對表面風壓特性的影響。佟國紅等[35]采用CFD 軟件Fluent 對日光溫室內的溫度進行了一系列研究，通過建立日光溫室內溫度變化模型來模擬溫度隨外部氣象條件的動態變化，對溫室小氣候的環境調控具有理論指導意義。景亮等[36]采用CFD方法模擬仿真了出菇房在散熱器工作條件下的氣流場和溫度場分布，其仿真結果與實測值的相對誤差小于7.8%。

圖5 連棟溫室［33］Fig. 5 Multiple greenhouse［33］

3.5 CFD干燥設備中的應用現狀

農產品干燥是農業生產中的重要環節之一，也是農產品加工的預處理工序，其發展也從傳統的自然晾曬發展到機械化烘干，因此，農產品干燥設備在農產品加工產業的快速發展過程中發揮了重要作用。干燥設備的熱質傳遞研究成為熱點，劉立意等[37]基于CFD方法對機械通風鋼網式小麥干燥儲藏倉內部的氣流場（圖6）進行了分析，將堆積的糧食等效為均勻且各向同性的多孔介質，以模擬氣流穿過糧堆空間到達倉壁的過程，仿真得到儲藏倉內動壓、靜壓及流量的分布情況，分析了儲藏倉結構參數等對通風性能及氣流場均勻性的影響。王振文等[38]將烘房劃分為上部通風道、熱風干燥、干燥熱風回流3 個區域，對烘房進行了簡化處理及網格劃分，借助CFD 仿真技術研究了熱泵烘房均分板位置、導流板傾斜角、排風速度對氣流分布均勻性的影響規律。張鵬飛等[39]為探究循環風機頻率參數對帶式烘干機氣流分布的影響，對不同循環風機機型進行CFD 模擬仿真與試驗驗證，得出最優風機頻率參數。師建芳等[40]采用CFD 方法對隧道烘干窯的內部流場建模，分析了隧道烘干窯入口進風流場和窯內熱風流場的均勻性。肖瑤等[41]借助Fluent 軟件對旋風式烘干機干燥筒內部的氣流場進行仿真，探究了影響干燥筒烘干效率和分離性能的主要因素，為干燥筒的優化提供了理論依據。

圖6 儲糧干燥倉［37］Fig. 6 Grain storage dry warehouse［37］

4 存在問題與發展建議

CFD在農業工程領域的應用極大地提高了農業裝備的設計水平、降低了設計成本、縮短了研發周期，對提高農業裝備設計水平具有重要意義。但CFD 仍存在一定的局限性，阻礙了其在農業工程領域全方面的推廣。

4.1 農業裝備作業環境復雜性

農業裝備作業環境復雜，在實際生產過程中涉及更為復雜的幾何體運動和流動問題、如大型農業機械中與大量散粒物料相接觸的復雜兩相流現象等。CFD 不僅涉及的幾何模型復雜，其涉及的網格規模也十分巨大，運用高性能計算平臺對CFD問題進行并進計算是必然趨勢。高效利用高性能計算機的多和處理器優化CFD 程序性能，以此提高程序對計算機存儲層次的利用，是CFD 后續發展的趨勢之一。

4.2 農業裝備作業對象復雜性

農業裝備作業對象復雜，作業過程中存在大量動能交換，且流體自身變化、物料自身特性變化、物料之間的碰撞、流體與物料之前相互耦合等使得整個流場環境極其復雜，尤其是對于生物體或土壤等農業物料，其在不同時期或同一時期不同時間的特性均存在差異。

如何進行高保真仿真模擬和實時預測成為CFD 發展的重要方向。近年來，數字孿生建模被應用于仿真技術，精細化建模作為數字孿生的關鍵技術之一，需連接不同時間尺度的物理過程進行模型構建，以此精準地表達物理實體的形狀、行為和性能，達到物理實體的高保真模擬和實時預測的目的。目前，精細化幾何建模、邏輯建模、多物理場建模、多學科耦合建模和在線仿真數字孿生建模等技術亟待突破；且CFD 與數字孿生技術的融合存在計算周期長、在商業軟件中難以落地等問題，但隨著這些技術的不斷發展，有望解決更加復雜的農業工程應用問題。

4.3 計算機軟硬件局限性

CFD技術的飛速發展得益于計算機硬件工業的技術突破，但同時CFD 仿真效率及精準度也受到計算機軟硬件的限制，尤其是在農業裝備作業環境和作業對象復雜的情況下，對計算機軟硬件的要求也相應提高。如大型旋風烘干裝置中氣流和千萬量級作物顆粒的相互作用，普通計算機的計算和存儲能力無法滿足其作業需要；同時基于CFD的通用軟件仍存在因兼容性導致的針對性不強、與其他軟件耦合成本較高等問題。

5 結語

隨著農業裝備的自動化和智能化發展，CFD法在農業裝備設計和試驗過程中發揮著極為重要的作用，目前已經成為解決與流體相關問題的主要研究方法之一，凡涉及氣流流動和氣固、氣液混合流動等現象的研究都可以采用CFD 法得到較好的仿真結果。CFD作為一種基于計算機數值計算和圖像顯示的數值模擬方法，可以廣泛應用于農業工程。但需注意兩方面問題：一方面，CFD法依賴于使用者的研究經驗和編程技能等，因此要合理簡化物理模型以確保模擬的準確性；另一方面，CFD的解析也依賴于離散方法和數學模型，計算中考慮的物理過程越復雜，引起的不確定性也越大。因此，CFD 作為理論研究和物理試驗的補充研究手段，仍需對其離散方法和數學模型不斷改進、開發新的數學模型和數值算法，以適應復雜的流場現象。隨著CFD 理論研究的不斷深入與計算機技術工業的快速發展，CFD 在農業工程中的應用將更加深入和廣泛。