基于CFD方法的食用菌方艙內部生長環境數值模擬

摘要：針對食用菌方艙內部生長環境直接觀測難度較大的問題，以自主設計的榆黃菇培養方艙為研究對象，基于多孔介質、組分傳輸等模型，應用計算流體力學方法研究方艙的內部流場與速度、溫度、濕度分布。結果表明：菌包組間的阻力系數與菌包的排布關系不大，徑向和軸向上的內部阻力系數、粘性阻力系數分別為37.66、5.68×105和6.64、5.32×105。方艙內的最高溫度在新風出風口和加濕管道出口附近，約為24 ℃；最低溫度在空調出風口附近，約為16 ℃；隨著遠離新風出風口和空調出風口，方艙內的溫差逐漸減小；菌菇生長區域的濕度、溫度較均勻，平均溫度約為18 ℃，適合榆黃菇生長。

關鍵詞：食用菌方艙；計算流體力學；多孔介質；內部流動；溫濕度場

中圖分類號：S24" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0094?08

Numerical simulation on internal growth environment of edible mushroom cabin

based on CFD method

Gao Juling Zhang Zhiyang Wang Yilei

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry， Jurong， 212400， China; 2. Jiangsu Modern Agricultural Equipment Engineering Center， Jurong， 212400， China）

Abstract： The objective of this study was to address the difficulty of directly observing the internal growth environment of edible mushroom shelters. The self?designed Yuhuang mushroom cabin was selected as the subject of investigation. The internal flow field， velocity， temperature， and humidity distribution in the cabin were studied using computational fluid dynamics methods and models such as porous media and component transport. The results indicated that the resistance coefficient between the mushroom packages was not significantly correlated with the arrangement of mushroom packages. The internal resistance coefficient and viscous resistance coefficient at radial and axial were 37.66， 5.68×105， 6.64 and 5.32×105， respectively. The highest temperature recorded within the cabin was 24 ℃， situated in close proximity to both the fresh air outlet and the outlet of the humidification pipeline. In contrast， the lowest temperature was observed in the vicinity of the air conditioning outlet， at 16 ℃. As one moved away from the fresh air outlet and air conditioning outlet， the temperature difference within the cabin gradually decreased. The humidity and temperature in the growth area of the mushroom were found to be relatively uniform， with an average temperature of 18 ℃， which was conducive to the growth of the Yuhuang mushroom.

Keywords： edible mushroom cabin; computational fluid dynamics; porous medium; internal flow; temperature and humidity field

0 引言

大型培養房種植菌菇是我國菌菇生產的主要來源。食用菌工業化生產是在封閉的培養室內，人工干預培養房內部溫濕度、通風和光照等條件，通過機械化、標準化的栽培達到綠色、高效的生產[1， 2]。但其投入成本過高、回本周期偏長、環境因子的控制能力不足、土地利用率不高等問題[3， 4]，導致農民個體難以采用這種模式種植菌菇，從而獲得可觀的經濟效益。方艙栽培是近年來涌現的一種食用菌栽培的創新模式，本質上可視為“微型版”工廠化菌菇生產車間。其不僅具備菌菇生產周年化、工廠化所需的全部功能，還在制作和安裝工藝上更為簡單、便捷[5， 6]。此外，其體型小、投資成本不高、經濟效益可觀，還能發展菌菇采摘服務業，菌菇方艙有望成為農民致富的新途徑。

研究方艙內部空氣流動、溫度分布、濕度分布，對合理地排布各類設備的位置，降低整體能耗，提高菌菇產量和出品一致性有重要的指導作用。溫度場、濕度場可由手持式測量設備測得，但要采樣多個點，當方艙的大小、設備排布改變后則需再次測量，工作量巨大。隨著計算機技術的發展，使得利用計算流體力學（CFD）方法研究培養房內的生長環境成為可能。Khaoua等[7]對溫室進行簡化的二維建模，通過CFD方法模擬研究了風速和通風口配置對溫室中氣流和溫度模式的影響。Boulard等[8]以半封閉的Venlo型玻璃溫室作為研究對象，重點考慮作物蒸騰、光合作用的耦合，基于離散坐標模型與光合作用模型模擬了玻璃溫室內的流場分布情況。然而這些研究沒有考慮培養房內的作物對空氣流通的阻礙作用。

學者們提出可以將作物生長區域簡化成發熱的多孔介質結構[9， 10]，既反映作物生長區域對空氣的阻礙作用，又考慮了作物生長過程中產生的熱量，從而增加模擬準確度，并將其用到食用菌培養房的研究中。張璐楊等[11]將食用菌生長區域簡化成多孔介質，結合食用菌特定時期的發熱量與散濕量，通過CFD三維數值模擬分析食用菌培養室熱濕耦合場的分布規律，并對比兩種方案下的菌菇生長環境。沈敏[12]基于CFD方法建立菌菇房的穩態三維模型，研究了菇房內的溫度場、濕度場和CO2氣體濃度場分布。李力等[13]以某食用菌廠房為研究對象，運用CFD軟件進行建模、仿真，研究食用菌廠房內環境分布總體狀況。

現有食用菌培養房生長環境的研究主要集中在大型食用菌廠房中，對于新興的食用菌方艙內部生長環境的研究較少。本文以自主設計的榆黃菇方艙為研究對象，運用CFD軟件，將菌菇生長區域近似為發熱的多孔介質，對菌菇方艙的內部流動與溫度、濕度分布規律進行研究，為菌菇方艙內部生長環境的研究提供可行方法。

1 材料與方法

1.1 食用菌方艙暖通設計

食用菌方艙通常由種植區和設備間組成，種植區包括種植網架、補光燈、加濕管道、新風機、排風扇等設備，設備間包括空調主機、控制柜等設備。參考市場上食用菌方艙產品，本文設計的食用菌方艙結構如圖1所示。方艙總長8 500 mm、寬2 500 mm、高2 500 mm，種植區長7 300 mm，壁面厚度為75 mm，采用外瓦楞板、內平板、中間泡沫保溫層的結構。空調、新風出風口、補光燈、加濕管道貼合方艙頂部安裝。加濕管道直徑為100 mm，下方開小孔，貼合種植區兩側壁面安裝。方艙內有3排種植網架，高均為1 900 mm，網架上的網格孔尺寸為150 mm×150 mm。為充分利用種植區的空間，3排網架自外向內分別長6 000 mm、6 500 mm和7 200 mm；內側網架分別距種植區兩側50 mm；中間網架分別距種植區兩側40 mm；外側網架距靠設備間的壁面500 mm，距靠門的壁面1 250 mm。方艙中種植榆黃菇，采用菌包進行培養，菌包放置在網架的網格孔中，菌包近似為直徑130 mm、高度300 mm的圓柱體。新風機平均輸出風量為400～500 m3/h；空調經過改裝，可一直出風，出風量為1 500 m3/h；在超聲波霧化加濕器作用下兩根加濕管道內的流量均為0.05 m3/h。

在種植區內，榆黃菇在生長過程中由于呼吸、分解作用會釋放一定的熱量，另一方面由于外界環境溫度與廠房內環境溫度存在一定的差值，培養房壁面與外界環境會進行熱量的傳遞，最終會導致廠房內的溫度上升或者下降。而榆黃菇出菇生長階段所需適宜溫度為16 ℃～20 ℃，根據培養房內的系統熱平衡方程，調節空調溫度、新風扇和排風扇位置，保證培養房的環境處于一個相對適合榆黃菇的生長狀態。由于冷空氣密度大于熱空氣，為保證種植區內快速降溫，空調出風導流板通常調節成水平送風的角度。冷風從靠近設備間的壁面上方水平吹出，向另一側壁面運動的同時，向種植區內溫度較高的區域流動擴散，降低種植區的溫度。新風出風口將方艙外部的新鮮空氣輸送到種植區內，與種植區內部空氣混合。同時排風扇轉動，將種植區的空氣排出，保證種植區內空氣的流通。為調節種植區的濕度，水蒸氣從加濕管道的小孔中源源不斷地輸送擴散到種植區的各個區域。

根據能量守恒定律，確定方艙種植區內的熱平衡方程如式（1）所示。

Q_generate+Q_transfer+Q_new+Q_wet+Q_cold-Q_out=0 （1）

式中： Q_generate——榆黃菇生長過程中產生的熱量，J；

Q_transfer——方艙壁與外部的換熱量，J；

Q_new——輸入方艙的新風熱量，J；

Q_wet——輸入加濕水蒸氣產生的熱量，J；

Q_cold——空調冷風的熱量，J；

Q_out——排風扇輸出空氣的總熱量，J。

1.2 食用菌方艙內部溫度試驗

按圖1食用菌方艙設計方案，構建榆黃菇培養方艙，如圖2所示。為測量榆黃菇生長時方艙內的環境分布，分別在3排菌菇架的4個邊角，設置共12個溫度測量點。試驗時將空調溫度調到16 ℃，保持空調、新風機、排風扇和加濕器持續工作。為確保測量時方艙內部的溫度達到穩定狀態，在試驗進行2 h后再測量溫度，此2 h內方艙外部環境溫度約為24 ℃。方艙內部每個測量點測量3次溫度并取平均值。

1.3 方艙內部生長環境數值模擬

1.3.1 方艙種植區物理模型及網格劃分

食用菌方艙的種植區是主要研究區域，因此，在進行方艙物理模型建立時，將空調出風口簡化成尺寸為1 000 mm×50 mm×100 mm的長方體。為方便結構化網格劃分，簡化數值模擬計算過程，將加濕管道簡化成7 300 mm×100 mm×50 mm的長方體，將長方體下方的面作為水蒸氣的入口。菌包均勻并排于網架上時，整體可看成一個由多相物質所構成的空間，根據網架尺寸和菌包尺寸將此空間簡化成高為900 mm、寬為1 800 mm的長方體，3排網架長度分別為6 000 mm、6 500 mm和7 200 mm。補光燈不會對種植區域內的溫濕度產生影響且尺寸較小，在建立種植區數值模型時可忽略。新風出風口和排風口的尺寸在整個方艙中的占比較小，其主要作用是為促進方艙中的空氣流通，可忽略風口形狀對種植區流場的影響。為簡化計算模型，提升網格劃分的質量，根據方艙實際尺寸將新風出風口簡化成200 mm×200 mm×50 mm的長方體，排風口簡化成300 mm×300 mm×30 mm的長方體。種植區的密封性能較好，利用空調、新風口和排風扇進行通風降溫，因此將方艙種植區內的空氣設定為計算域，按圖1方艙設計尺寸和上述模型簡化流程，在商用SolidWorks軟件中對方艙種植區進行建模，并導入到ANSYS—ICEM軟件中，結果如圖3所示。

在ICEM中對圖3所示的數值模型進行網格劃分，采用六面體網格，對空調出風口、新風出風口和排風口進行局部加密處理，以進一步提高數值模擬精度。局部加密時，Y+的值取30，初始邊界層厚度設置為2 mm，節點單元高度增長率設置為1.2。劃分好的網格如圖4所示，共有2 167 488個節點，其中四面體網格數為265 036，六面體網格數為2 034 698，整體網格質量均大于0.7，無負網格出現，達到模擬要求。

1.3.2 菌包組物理模型及網格劃分

方艙中的菌包均勻疊放在網架上，菌包與菌包之間有間隙，間隙的空氣阻力阻止冷空氣的流通，導致換熱效果變差。此外，將菌包、網架和相應間隙看成多相物質構成的空間，用長方體來簡化菌包組，需要將此部分流場設置為多孔介質。因此，需研究菌包之間的間隙阻礙空氣流通的阻力系數。將菌包簡化成直徑為130 mm、長為300 mm的圓柱體，忽略菌包內部空隙對空氣流通的阻礙，直接將菌包設置為實心體。首先需驗證菌包組的阻力系數與菌包的列數和行數無關，為此，分別依據3×3和3×5的菌包組排列與尺寸，建立4種物理模型，如圖5所示。

在ICEM中對圖5所示的數值模型進行網格劃分，采用六面體網格，對進出口和菌包表面進行邊界層加密，以進一步提高數值模擬精度。局部加密時，Y+的值取30，初始邊界層厚度設置為2 mm，節點單元高度增長率設置為1.2。劃分好的網格如圖6所示，整體網格質量均大于0.7，無負網格出現，達到模擬要求。

菌包間的阻力系數分為內部阻力系數和粘性阻力系數，改變菌包組模型中不同的進口速度，測量出不同的進出口壓差，以此來確定菌包間的阻力系數，壓差與速度的關聯式以及阻力系數[14， 15]計算如式（2）～式（4）所示。

Δp=av²+bv （2）

a=1/2C₂ρΔn （3）

b=μ/αΔn （4）

式中： Δp——進出口壓差，Pa；

a、b——擬合系數；

v——流速，m/s；

C₂——內部阻力系數；

ρ——空氣密度，kg/m3；

Δn——沿著空氣流動方向的多孔介質的區域厚度，m；

μ——動力粘度，kg/（m ? s）；

1/α——粘性阻力系數。

1.3.3 邊界條件

菌包組和方艙種植區均采用穩態模擬，方艙種植區的數值模擬中勾選重力項。菌包組模擬和方艙種植區模擬均在數值計算時打開能量方程。湍流模型均選擇標準k—?模型[16]，其中菌包組模擬的壁面處理默認為標準壁面功能；方艙種植區模擬的近壁面處理勾選Enhanced Wall Treatment 壁面函數，勾選Full Buoyancy Effects選項以考慮模擬壁溫和浮升力的作用。方艙種植區模擬打開組分模型中的組分傳輸模型[17， 18]，以滿足空氣和水蒸氣在方艙內的混合計算。

菌包組模擬無需額外設置材料與流體域。方艙種植區模擬計算時在混合材料設置中加載空氣和水蒸氣作為計算介質。在設置計算域時，在多孔公式中勾選物理速度選項，選中Porous Zone和Source Terms，將菌包組和網架簡化而成的長方體設置為多孔介質。在Porous Zone中，分別設定X軸、Y軸和Z軸方向上的內部阻力系數和粘性阻力系數，阻力系數的值由菌包組阻力系數模擬結果計算得出。在Source Terms中，添加固定熱源選項，菌包的發熱量為0.15 W/根，根據方艙種植區網架的尺寸與疊放的菌包數量，設置簡化菌包組的熱源大小為19 W/m3。

菌包組模擬計算時，進口設為速度進口，出口設為壓力出口。為獲得進出口壓差與速度之間的關系，進口速度分別設定為0.5 m/s、1.0 m/s、2.0 m/s、3.0 m/s、4.0 m/s和5.0 m/s，進行多組模擬。方艙種植區模擬計算時，空調出風口、新風機出風口和加濕管道出口均設置為速度入口，根據出風口流量分別換算初速度為3.125 m/s、4.17 m/s和1.9×10-6 m/s；排風口設置為壓力出口；根據試驗測量換算，空調出風口的空氣溫度設置為289 K，壁面溫度設置為291 K。

兩組模擬中的基本算法均設置為SIMPLE算法，離散項除梯度為基于最小二乘單元格，壓力為二階差分外，其他均設置為二階迎風離散。數值計算時設置的收斂殘差為0.001，其中能量項的殘差為1×10-6。用CFD—Post后處理軟件對空氣通過菌包組的模擬結果進行分析，得到進出口壓差，進一步計算分析，最終確定菌包組的阻力系數；對方艙種植區流場模擬結果進行分析，得到其溫度場、速度場及濕度場的分布。

2 結果與分析

2.1 空氣流過菌包組的流場分布

空氣流過菌包組時的計算模型屬于風洞模型，空氣在運動過程中，由于阻力的存在，能量會有所損失，進口面、出口面會產生壓差。以3×3菌包組和進口速度5 m/s為例，空氣徑向和軸向流過菌包組的流線分布如圖7和圖8所示。流線分布情況表明，當空氣流過菌包組時，菌包組的存在減小了空氣所占據的截面面積，菌包附近的空氣流速有所增加，隨后逐漸降低。空氣流過菌包時流體質點受到干擾，在菌包后方區域形成湍流，再運動一段距離后逐漸恢復成均勻的直線運動，類似于流體力學中的圓柱繞流現象[19]。對比圖7和圖8可以發現，空氣徑向流過菌包后產生的湍流更加明顯，湍流消耗更大的能量，所以菌包組徑向上的阻力系數大于軸向方向。空氣以其他速度流過3×3 菌包組以及流過3×5菌包組時的流線分布與本節中所列舉案例基本一致，文中不作重復敘述。

2.2 菌包組阻力系數

在后處理軟件中分別查看空氣在不同入口速度下沿軸向和徑向方向流過3×3和3×5的菌包組時的進出口壓力，換算成壓差，壓差與入口速度的關系如圖9所示，并基于二階多項式進行擬合。空氣的密度為1.29 kg/m3、動力粘度為1.85×10-5 kg/（m ? s），將以上條件和二階多項式擬合所得參數代入式（2）～式（4），計算得到的內部阻力系數和粘性阻力系數如表1所示。空氣在沿菌包組徑向和軸向流動時，內部阻力系數和粘性阻力系數的差別較大。但菌包組的排布對內部阻力系數和粘性阻力系數產生的影響很小。取研究結果的平均值，后續數值模擬中可直接將菌包組設置成徑向上內部阻力系數和粘性阻力系數為37.66和5.68×105、軸向上內部阻力系數和粘性阻力系數為6.64和5.32×105的多孔介質。粘性阻力系數計算結果與2.1節中菌包組徑向上的阻力系數大于軸向方向的分析結果吻合。

2.3 方艙種植區溫度云圖

方艙種植區中3排菌菇架立面截面的溫度分布如圖10所示。菌菇架和菌包之間有一定的空隙，空氣對流效果較好，能快速帶走菌菇生長過程中產生的熱量，因此，菌菇生長區域溫度基本一致，約為18 ℃，滿足榆黃菇出菇階段所需的環境溫度。而在方艙上部區域，溫度梯度則較大。整個方艙內的最高溫度約為24 ℃，位于新風口進口與加濕管道進口；最低溫度約為16 ℃，位于空調出風口。外側菌菇架區域，方艙上方的溫度呈現從新風口向遠處逐漸降低的趨勢，且溫度明顯高于菌菇生長區域，最大溫差達到6 ℃。這是因為外側菌菇架在新風口下方，外部溫度高的空氣在新風機的作用下吹進方艙并以一定速度向遠處流動，流動過程中與方艙內的冷空氣混合，溫度逐漸降低。

中間菌菇架區域，方艙上方溫度呈現從空調出口向遠處逐漸升高的趨勢，且溫度明顯低于菌菇生長區域，最大溫差為2.7 ℃，但在菌菇架下方部分區域和出口位置區域溫度又相對較高。這是因為中間菌菇架在空調正下方，冷空氣從空調吹出并向遠處流動，在流動過程中與方艙內溫度較高的空氣進行熱交換，溫度呈梯度下降。菌菇架下方區域溫度高是因為冷空氣從上到下穿過菌包帶走熱量時自身溫度也隨之升高，能帶走的熱量也逐漸減少。出口位置區域溫度高是因為出口和溫度較高的外界空氣聯通。內側菌菇架區域的溫度雖然呈現從中上部區域向四周梯度升高的趨勢，但最大溫差僅為0.6 ℃。對比3排菌菇架的溫度分布發現，雖然菌菇生長區域的溫差較小，但仍呈現內側菌菇架平均溫度最高、外側次之、中間最低的趨勢。中間菌菇架平均溫度最低是因為其處在空調出風口正下方，直吹的冷空氣能帶走最多的熱量；外側菌菇架平均溫度低于內側是因為其位于新風口正下方，上方區域空氣溫度較高，空調吹出來的冷空氣會更多地流向溫度高的區域進行換熱。

為進一步獲得方艙中的溫度分布，分別在方艙模型中，設立距離空調一側壁面2 m、4 m和6 m的豎直面，從而研究方艙內溫度由外側向內側的溫度分布，結果如圖11所示。由于新風口溫度較高空氣和空調口溫度較低空氣的輸送，方艙側立面截面上空調區域溫度低，新風口區域溫度高，其他區域溫度圍繞這兩處呈梯度變化。此外，隨著遠離空調一側壁面，方艙種植區側立面截面上的溫差減小，與圖10中表現出的溫度變化趨勢一致。

2.4 方艙內部溫度模擬與試驗對比

按試驗所設置的溫度采樣點，在數值模擬的結果中讀取對應點的溫度，并將二者記錄于表2中。模擬所得溫度與試驗溫度基本一致，表明所用模擬方法可行。

2.5 方艙種植區速度云圖

菌菇生長區域的阻力導致區域內空氣流動速度降低明顯，為分析空氣流動速度分布，在后處理中設置0～3 m/s和0～0.5 m/s的兩份標尺，得到外側菌菇架正立面截面上的空氣流動速度分布如圖12所示。

由圖12可知，新風口位置空氣流動速度最快，菌菇生長區的大部分區域空氣流速很低。空氣流動速度在水平方向上基本呈現隨著遠離新風口而逐漸降低的趨勢，在豎直方向上基本呈現越靠近地面速度越低的趨勢。但在圖12中的右下區域空氣流動速度增大，這是因為方艙的出風口在右上角位置，在排風扇的作用下，此處空氣流動速度加快，并且水平流動到右側墻壁的空氣產生了一部分回流，綜合影響下導致這部分區域速度的升高。此外，空氣流動速度較低的區域因未能快速將榆黃菇生長產生的熱量帶走，這些區域的溫度應相對較高，這與圖10（a）中的溫度分布的趨勢一致。因此，方艙種植區內的速度云圖和溫度云圖的表現結果基本一致，中間和內側菌菇架立面截面的速度分布規律可從圖10（b）和10（c）中獲得，此處不再列出速度云圖。

2.6 方艙種植區流線分布圖

方艙種植區的流線分布如圖13所示，當新風機和空調開啟后，流線從新風出風口和空調出風口射出，在初始速度的驅動下背離兩個出風口呈水平運動趨勢，隨后向下和向兩側散開流動，湍流現象較明顯。流線在水平方向上碰到另一側壁面后發生部分回流，在圖13中方艙的右側部分產生了循環渦流，導致整個方艙降溫的能耗較大。在菌菇生長區域，由于菌包組的阻力作用，從圖13中的水平方向和前后方向穿過菌包組區域的流線相對較少，導致整個方艙內的溫度分布不均勻。

2.7 濕度分布圖

3排菌菇架正立面截面上的水蒸氣組分分布如圖14所示，方艙區域內為水蒸氣和空氣的混合氣體，水蒸氣組分越高，濕度越大。由圖14可知，菌菇生長區域中大部分區域的濕度基本一致。內側菌菇生長區域的濕度要更均勻，因為外側和中間菌菇架上方分別有新風口和空調出風口，霧化水蒸氣從加濕管道噴出后，被水平方向速度較快的空氣吹向遠方，使靠近新風口和空調出風口的區域內的濕度相對較低。此外，中間菌菇架靠近空調出風口位置有一塊濕度較大的區域，這是因為空調吹出來的空氣溫度低，位于空調兩側的加濕管道所輸送的水蒸氣溫度較高，優先往空調出風口附近移動擴散，使水蒸氣在空調出風口的聚集，影響方艙內濕度的均勻分布。

3 結論

1） 所設計的榆黃菇培養方艙主要由種植區和設備間組成，種植區包括種植架、補光燈、加濕管道、新風機、出風口等設備，設備間包括空調主機、控制柜等設備。

2） 按照方艙內菌菇的排列建立菌包組模型，通過數值模擬研究不同速度的空氣徑向、軸向流經菌包組后的壓力變化，從而獲得網架上的菌包組間的阻力系數，為方艙內部流動模擬提供基礎。

3） 建立方艙內部的三維模型，將菌菇生長區域簡化為多孔介質，利用方艙內部實測數據作為邊界條件，對食用菌方艙的內部流動和溫濕度分布進行模擬。菌菇生長區域的溫度較均勻，約為18 ℃，濕度分布也較均勻，食用菌方艙為榆黃菇的生長提供穩定適宜的環境。

4） 由于新風口和空調出風口輸送的風量較大，且空氣溫度和方艙內空氣的溫差較大，導致方艙上部空間以及菌菇架上方的部分生長區域與其他區域的溫差大、濕度分布不均勻，不僅增加能耗，也影響同個方艙內榆黃菇出品的一致性。

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