基于CFD技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用于海南氣候條件的自然對(duì)流換熱型植物工廠_熊致遠(yuǎn).pdf

2 0 2 1 年 9 月 S e p t 2 0 2 1 第 4 1 卷 第 9 期 V o l 4 1 N o 9 熱 帶 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) C H I N E S E J O U R N A L O F T R O P I C A L A G R I C U L T U R E 基 于 C F D 技 術(shù) 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 用 于 海 南 氣 候 條 件 的 自 然 對(duì) 流 換 熱 型 植 物 工 廠 熊 致 遠(yuǎn) 蓋 志 武 張 一 凡 何 暢 海 南 師 范 大 學(xué) 物 理 與 電 子 工 程 學(xué) 院 海 南 海 口 5 7 1 1 5 8 摘 要 海 南 獨(dú) 特 的 氣 候 條 件 總 體 上 有 利 于 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 但 高 溫 以 及 熱 帶 風(fēng) 暴 等 自 然 災(zāi) 害 經(jīng) 常 給 種 植 業(yè) 帶 來(lái) 經(jīng) 濟(jì) 損 失 本 文 通 過(guò) C F D C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s 計(jì) 算 流 體 力 學(xué) 方 法 設(shè) 計(jì) 出 一 種 既 能 夠 充 分 利 用 海 南 氣 候 優(yōu) 勢(shì) 條 件 又 能 節(jié) 省 運(yùn) 營(yíng) 成 本 的 自 然 對(duì) 流 型 微 型 植 物 工 廠 研 究 發(fā) 現(xiàn) 利 用 煙 囪 效 應(yīng) 來(lái) 設(shè) 計(jì) 植 物 工 廠 的 結(jié) 構(gòu) 可 提 高 自 然 對(duì) 流 換 熱 強(qiáng) 度 不 同 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 對(duì) 自 然 對(duì) 流 換 熱 強(qiáng) 度 有 顯 著 影 響 方 體 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 于 圓 柱 體 結(jié) 構(gòu) 四 面 開 口 優(yōu) 于 對(duì) 側(cè) 開 口 關(guān) 鍵 詞 C F D 植 物 工 廠 對(duì) 流 換 熱 中 圖 分 類 號(hào) S 3 1 6 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 A D O I 1 0 1 2 0 0 8 j i s s n 1 0 0 9 2 1 9 6 2 0 2 1 0 9 0 1 7 D e s ig n o f N a tu r a l C o n v e c tio n H e a t T r a n s fe r P la n t F a c to r y in H a in a n B a s e d o n C F D T e c h n o lo g y X IO N G Z h iy u a n G A I Z h iw u Z H A N G Y ifa n H E C h a n g C o lle g e o f P h y s ic s a n d E le c tr o n ic E n g in e e r in g H a in a n N o r m a l U n iv e r s ity H a ik o u H a in a n 5 7 1 1 5 8 C h in a A b s t r a c t H a in a n b o a s ts o f u n iq u e c lim a te c o n d itio n s w h ic h a re g e n e ra lly fa v o ra b le fo r th e g ro w th o f c ro p s b u t n a tu ra l d is a s te rs s u c h a s h ig h te m p e ra tu re s a n d tro p ic a l s to rm s o fte n b rin g e c o n o m ic lo s s e s to th e p la n ta tio n in d u s try A n a tu ra l c o n v e c tio n ty p e m ic ro p la n t fa c to ry w a s d e s ig n e d b a s e d o n C F D C o m p u ta tio n a l F lu id D y n a m ic s to m a k e fu ll u s e o f th e c lim a tic a d v a n ta g e s in H a in a n a n d s a v e o p e ra tin g c o s ts It is fo u n d th a t th e p la n t fa c to ry s tru c tu re d e s ig n e d b y u s in g th e c h im n e y e ffe c t c a n im p ro v e th e in te n s ity o f n a tu ra l c o n v e c tio n h e a t tra n s fe r D iffe re n t in te rn a l s tru c tu re s h a v e a s ig n ific a n t e ffe c t o n th e in te n s ity o f n a tu ra l c o n v e c tio n h e a t tra n s fe r T h e s q u a re s tru c tu re is b e tte r th a n th e c y lin d e r s tru c tu re a n d th e o p e n in g s o f th e s tru c tu re a re b e tte r a t th e fo u r s id e s th a n a t th e o p p o s ite s id e K e y w o r d s C F D p la n t fa c to ry c o n v e c tiv e h e a t tra n s fe r 海 南 島 地 處 北 緯 1 8 1 0 2 0 1 0 屬 熱 帶 季 風(fēng) 氣 候 可 在 不 進(jìn) 行 人 工 供 暖 的 情 況 下 四 季 種 植 農(nóng) 作 物 1 9 8 1 2 0 1 0 年 海 南 島 平 均 氣 溫 2 4 5 總 體 來(lái) 看 適 宜 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 但 是 海 南 省 也 易 遭 受 極 端 高 溫 以 及 熱 帶 氣 旋 強(qiáng) 降 水 雷 雨 大 風(fēng) 龍 卷 風(fēng) 大 霧 等 自 然 災(zāi) 害 影 響 2 0 1 9 年 高 溫 和 自 然 災(zāi) 害 使 農(nóng) 作 物 受 災(zāi) 約 0 1 9 萬(wàn) h m 2 直 接 經(jīng) 濟(jì) 損 失 約 0 5 8 億 元 海 南 島 氣 溫 偏 高 降 水 日 數(shù) 多 降 水 量 較 高 這 又 加 大 了 瓜 菜 病 害 的 發(fā) 生 風(fēng) 險(xiǎn) 1 因 此 對(duì) 于 海 南 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 來(lái) 說(shuō) 尋 找 一 種 既 可 以 充 分 利 用 海 南 島 氣 候 優(yōu) 勢(shì) 條 件 又 可 以 減 小 海 南 島 氣 候 不 利 因 素 影 響 的 方 法 是 亟 待 解 決 的 問(wèn) 題 植 物 工 廠 受 自 然 條 件 影 響 小 作 物 生 產(chǎn) 計(jì) 劃 性 強(qiáng) 作 物 生 長(zhǎng) 速 度 快 周 期 短 自 動(dòng) 化 程 度 高 無(wú) 污 染 因 此 建 立 植 物 工 廠 是 目 前 解 決 上 述 問(wèn) 題 的 最 優(yōu) 方 案 2 沒(méi) 有 強(qiáng) 制 對(duì) 流 的 植 物 工 廠 屬 于 微 型 溫 室 是 弱 風(fēng) 且 高 溫 的 因 此 研 究 低 風(fēng) 速 通 風(fēng) 過(guò) 程 的 植 物 工 廠 結(jié) 構(gòu) 特 征 的 影 響 因 素 可 為 設(shè) 計(jì) 更 有 效 的 熱 驅(qū) 動(dòng) 通 風(fēng) 植 物 工 廠 提 供 參 考 傳 統(tǒng) 的 研 究 方 法 需 要 先 制 造 實(shí) 體 模 型 再 進(jìn) 行 測(cè) 量 成 本 收 稿 日 期 2 0 2 1 0 5 1 7 修 回 日 期 2 0 2 1 0 5 2 8 編 輯 部 E m a i l r d n k 1 6 3 c o m 第 一 作 者 熊 致 遠(yuǎn) 1 9 9 7 男 在 讀 研 究 生 研 究 方 向 為 計(jì) 算 流 體 力 學(xué) 郵 箱 1 1 3 5 0 1 0 6 5 3 q q c o m 9 3 2 0 2 1 年 9 月 第 4 1 卷 第 9 期熱 帶 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 高 效 率 低 本 文 采 用 C F D 仿 真 方 法 可 低 成 本 且 快 速 地 比 較 更 有 效 的 熱 驅(qū) 動(dòng) 通 風(fēng) 的 植 物 工 廠 結(jié) 構(gòu) 特 征 1 研 究 背 景 1 1 植 物 工 廠 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 植 物 工 廠 的 定 義 最 早 是 2 0 世 紀(jì) 7 0 年 代 美 籍 日 本 學(xué) 者 穆 拉 希 格 提 出 的 是 指 通 過(guò) 對(duì) 設(shè) 施 內(nèi) 作 物 生 長(zhǎng) 條 件 高 精 度 控 制 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 農(nóng) 作 物 周 年 連 續(xù) 生 產(chǎn) 的 系 統(tǒng) 即 人 為 對(duì) 植 物 生 育 的 溫 度 濕 度 光 照 濃 度 以 及 營(yíng) 養(yǎng) 液 等 生 長(zhǎng) 條 件 進(jìn) 行 控 制 使 設(shè) 施 內(nèi) 的 植 物 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 不 受 或 很 少 受 自 然 條 件 制 約 的 省 力 型 生 產(chǎn) 模 式 按 通 風(fēng) 方 式 可 分 為 強(qiáng) 制 對(duì) 流 換 熱 植 物 工 廠 和 自 然 對(duì) 流 換 熱 植 物 工 廠 3 植 物 工 廠 雖 然 早 期 投 資 成 本 較 高 但 通 過(guò) 初 期 建 設(shè) 費(fèi) 運(yùn) 行 費(fèi) 用 以 及 生 產(chǎn) 成 本 費(fèi) 用 的 優(yōu) 化 其 單 位 面 積 產(chǎn) 量 的 初 期 設(shè) 備 費(fèi) 與 溫 室 相 同 或 低 于 溫 室 冬 季 加 溫 費(fèi) 用 也 可 大 幅 度 降 低 2 對(duì) 于 海 南 的 獨(dú) 特 氣 候 自 然 對(duì) 流 換 熱 型 植 物 工 廠 可 以 節(jié) 省 供 暖 系 統(tǒng) 的 能 量 消 耗 使 用 成 本 更 低 植 物 工 廠 技 術(shù) 雖 越 來(lái) 越 完 善 但 仍 存 在 很 多 局 限 致 使 植 物 工 廠 的 大 規(guī) 模 普 及 推 廣 較 為 困 難 其 主 要 的 原 因 是 植 物 工 廠 的 建 設(shè) 成 本 較 高 運(yùn) 行 成 本 也 高 系 統(tǒng) 耗 電 量 較 大 生 產(chǎn) 成 本 投 入 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 大 于 系 統(tǒng) 產(chǎn) 出 價(jià) 值 人 工 光 型 密 閉 式 植 物 工 廠 中 電 能 消 耗 成 本 通 常 約 占 總 運(yùn) 營(yíng) 成 本 的 5 0 6 0 4 植 物 工 廠 的 電 能 消 耗 主 要 用 于 提 供 光 照 補(bǔ) 充 熱 量 調(diào) 節(jié) 空 氣 流 速 等 3 個(gè) 方 面 而 利 用 自 然 對(duì) 流 實(shí) 現(xiàn) 空 氣 流 通 的 自 然 對(duì) 流 換 熱 植 物 工 廠 可 節(jié) 省 用 于 調(diào) 節(jié) 空 氣 流 速 的 通 風(fēng) 扇 的 電 力 消 耗 更 加 節(jié) 約 成 本 自 然 通 風(fēng) 是 由 風(fēng) 或 溫 差 在 通 風(fēng) 口 處 產(chǎn) 生 的 壓 力 差 驅(qū) 動(dòng) 的 5 因 此 對(duì) 于 自 然 對(duì) 流 換 熱 植 物 工 廠 來(lái) 說(shuō) 植 物 工 廠 內(nèi) 外 溫 差 以 及 風(fēng) 速 差 是 影 響 其 內(nèi) 部 空 氣 流 速 的 主 要 因 素 此 外 植 物 工 廠 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 隔 板 支 架 空 氣 流 道 植 物 的 體 積 和 形 狀 植 物 的 蒸 騰 作 用 也 對(duì) 植 物 工 廠 內(nèi) 的 空 氣 流 速 有 影 響 因 此 可 以 通 過(guò) 優(yōu) 化 植 物 工 廠 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 來(lái) 提 高 空 氣 流 速 進(jìn) 一 步 節(jié) 約 生 產(chǎn) 成 本 1 2 植 物 生 長(zhǎng) 條 件 植 物 和 大 氣 之 間 二 氧 化 碳 和 水 蒸 氣 的 交 換 由 光 合 作 用 蒸 騰 作 用 控 制 植 物 工 廠 內(nèi) 的 空 氣 交 換 對(duì) 植 物 是 否 能 高 質(zhì) 量 生 長(zhǎng) 起 到 關(guān) 鍵 作 用 一 般 來(lái) 說(shuō) 光 合 作 用 和 蒸 騰 作 用 是 由 氣 孔 阻 力 和 邊 界 層 阻 力 共 同 控 制 的 葉 片 邊 界 層 阻 力 主 要 受 氣 流 速 度 控 制 不 充 分 的 氣 體 流 動(dòng) 會(huì) 抑 制 植 物 的 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 風(fēng) 速 為 0 1 3 m s 植 物 蒸 騰 速 率 和 凈 光 合 效 率 隨 風(fēng) 速 增 加 而 增 強(qiáng) 水 分 利 用 效 率 隨 風(fēng) 速 增 加 而 降 低 為 了 既 能 提 高 凈 光 合 速 率 又 能 減 少 灌 溉 用 水 植 物 生 長(zhǎng) 區(qū) 的 風(fēng) 速 宜 控 制 在 0 3 1 m s 6 凈 光 合 速 率 P n 由 F u j i w a r a 建 立 的 方 程 估 算 P n k N V C o u t C in S A 式 中 k 為 C O 2 體 積 與 分 子 量 的 轉(zhuǎn) 換 系 數(shù) N 為 生 長(zhǎng) 室 換 氣 次 數(shù) V 為 生 長(zhǎng) 腔 的 風(fēng) 量 C i n 和 C o u t 分 別 為 光 周 期 內(nèi) 穩(wěn) 態(tài) 條 件 下 生 長(zhǎng) 腔 內(nèi) 外 的 C O 2 濃 度 S 為 C O 2 供 給 量 A 為 葉 片 面 積 7 可 見 溫 室 內(nèi) 的 C O 2 濃 度 與 凈 光 合 速 率 成 正 相 關(guān) 因 此 植 物 工 廠 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 盡 可 能 使 C O 2 氣 體 供 應(yīng) 到 通 風(fēng) 溫 室 中 并 保 持 與 室 外 相 似 的 濃 度 研 究 表 明 常 規(guī) 的 沒(méi) 有 強(qiáng) 制 對(duì) 流 換 氣 的 植 物 生 長(zhǎng) 室 內(nèi) 的 C O 2 濃 度 比 外 界 的 C O 2 濃 度 4 6 0 m o l m o l 低 1 6 0 2 2 0 m o l m o l 即 使 使 C O 2 氣 體 從 室 外 通 過(guò) 溫 室 通 風(fēng) 口 流 到 溫 室 內(nèi) 使 C O 2 濃 度 仍 比 室 外 低 約 5 0 6 0 m o l m o l 8 光 照 和 溫 度 對(duì) 植 物 生 長(zhǎng) 也 有 影 響 光 照 條 件 下 種 子 的 發(fā) 芽 率 要 比 黑 暗 條 件 下 的 種 子 發(fā) 芽 率 高 種 子 發(fā) 芽 也 會(huì) 受 到 溫 度 的 抑 制 作 用 過(guò) 高 的 溫 度 會(huì) 抑 制 種 子 的 發(fā) 芽 在 2 5 以 上 生 菜 的 發(fā) 芽 率 為 零 葉 類 蔬 菜 生 長(zhǎng) 的 最 適 溫 度 為 2 0 2 5 9 在 植 物 工 廠 設(shè) 計(jì) 中 要 盡 可 能 通 過(guò) 自 然 對(duì) 流 的 方 式 帶 走 因 L E D 光 源 產(chǎn) 生 的 積 熱 1 3 C F D 方 法 介 紹 C F D 方 法 是 借 助 計(jì) 算 流 體 力 學(xué) 軟 件 來(lái) 仿 真 流 體 流 動(dòng) 的 方 法 計(jì) 算 流 體 力 學(xué) 軟 件 是 以 電 子 計(jì) 算 機(jī) 為 工 具 的 軟 件 系 統(tǒng) 它 可 以 準(zhǔn) 確 地 模 擬 密 閉 環(huán) 境 內(nèi) 的 溫 度 和 氣 流 分 布 目 前 廣 泛 應(yīng) 用 于 航 空 航 天 船 舶 環(huán) 境 建 筑 等 多 個(gè) 領(lǐng) 域 1 0 F L U E N T 是 C F D 的 一 個(gè) 軟 件 包 在 國(guó) 內(nèi) 外 應(yīng) 用 廣 泛 是 最 流 行 的 商 業(yè) 軟 件 之 一 可 以 模 擬 各 種 復(fù) 雜 條 件 下 的 流 體 9 4 熊 致 遠(yuǎn) 等 基 于 C F D 技 術(shù) 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 用 于 海 南 氣 候 條 件 的 自 然 對(duì) 流 換 熱 型 植 物 工 廠 流 動(dòng) 1 1 C F D 技 術(shù) 已 經(jīng) 在 農(nóng) 業(yè) 領(lǐng) 域 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 其 中 利 用 C F D 技 術(shù) 分 析 植 物 工 廠 內(nèi) 溫 度 和 氣 流 場(chǎng) 可 以 通 過(guò) 后 續(xù) 的 設(shè) 計(jì) 改 進(jìn) 以 減 少 運(yùn) 行 能 耗 保 證 植 物 產(chǎn) 量 1 2 1 3 早 期 針 對(duì) 溫 室 內(nèi) 氣 流 場(chǎng) 和 溫 濕 度 分 布 主 要 采 用 示 蹤 氣 體 法 和 能 量 平 衡 法 或 者 使 用 單 純 的 試 驗(yàn) 分 析 或 者 理 論 手 段 但 這 些 方 法 不 能 反 映 濕 室 內(nèi) 氣 流 和 溫 濕 度 的 分 布 變 化 隨 后 對(duì) 于 不 同 的 條 件 則 需 要 多 個(gè) 試 驗(yàn) 造 成 試 驗(yàn) 周 期 長(zhǎng) 費(fèi) 用 昂 貴 不 能 從 根 本 上 優(yōu) 化 和 合 理 化 溫 室 結(jié) 構(gòu) 1 4 然 而 使 用 C F D 方 法 對(duì) 溫 室 內(nèi) 小 氣 候 環(huán) 境 進(jìn) 行 模 擬 分 析 可 以 清 晰 地 展 現(xiàn) 出 流 體 的 流 動(dòng) 過(guò) 程 進(jìn) 而 設(shè) 計(jì) 出 更 加 優(yōu) 化 的 結(jié) 構(gòu) 以 提 高 植 物 工 廠 內(nèi) 的 空 氣 流 速 2 C F D 仿 真 技 術(shù) 的 技 術(shù) 路 線 和 理 論 基 礎(chǔ) 2 1 技 術(shù) 路 線 通 過(guò) S o l i d w o r k s 軟 件 建 立 多 組 具 有 不 同 結(jié) 構(gòu) 特 征 的 植 物 工 廠 的 三 維 模 型 之 后 將 不 同 的 三 維 模 型 導(dǎo) 入 A n s y s 軟 件 中 通 過(guò) A n s y s 的 w o r k b e n c h 選 擇 F l u i d F l o w 模 塊 進(jìn) 行 仿 真 工 作 首 先 利 用 F l u e n t 模 塊 中 的 D e s i g n M o d e l e r 子 模 塊 進(jìn) 行 流 體 域 構(gòu) 建 之 后 將 植 物 工 廠 模 型 和 流 體 域 結(jié) 合 成 同 一 個(gè) p a r t 將 新 構(gòu) 建 的 P a r t 導(dǎo) 入 M e s h 子 模 塊 進(jìn) 行 網(wǎng) 格 劃 分 把 劃 分 好 的 網(wǎng) 格 導(dǎo) 入 F l u e n t 中 進(jìn) 行 仿 真 計(jì) 算 完 成 后 把 結(jié) 果 導(dǎo) 入 后 處 理 子 模 塊 C F D P o s t 中 在 C F D P o s t 里 觀 察 不 同 模 型 的 空 氣 流 速 云 圖 和 溫 度 分 布 云 圖 比 較 不 同 模 型 的 空 氣 流 線 圖 分 析 不 同 結(jié) 構(gòu) 特 征 對(duì) 植 物 工 廠 內(nèi) 溫 度 分 布 和 氣 體 流 速 的 影 響 總 結(jié) 有 利 于 改 善 植 物 生 長(zhǎng) 條 件 的 結(jié) 構(gòu) 特 征 將 這 些 結(jié) 構(gòu) 特 征 組 合 起 來(lái) 構(gòu) 建 新 結(jié) 構(gòu) 的 植 物 工 廠 通 過(guò) 不 斷 迭 代 研 發(fā) 設(shè) 計(jì) 出 相 對(duì) 高 效 的 植 物 工 廠 模 型 選 擇 出 有 代 表 性 的 植 物 工 廠 模 型 制 成 實(shí) 物 用 儀 器 測(cè) 量 實(shí) 物 模 型 內(nèi) 的 空 氣 流 速 和 風(fēng) 速 并 與 仿 真 結(jié) 果 對(duì) 比 以 驗(yàn) 證 仿 真 的 有 效 性 2 2 理 論 基 礎(chǔ) C F D 模 型 以 流 體 質(zhì) 量 動(dòng) 量 和 能 量 三 大 守 恒 方 程 為 基 本 控 制 方 程 1 2 任 何 流 動(dòng) 問(wèn) 題 都 必 須 滿 足 質(zhì) 量 守 恒 定 律 按 照 這 一 定 律 可 以 得 出 質(zhì) 量 守 恒 方 程 0 t u 該 方 程 可 表 達(dá) 為 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 流 體 微 元 體 中 質(zhì) 量 的 增 加 等 于 同 一 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) 流 入 該 微 元 的 凈 質(zhì) 量 式 中 表 示 散 度 是 密 度 t 是 時(shí) 間 u 是 速 度 矢 量 任 何 流 動(dòng) 問(wèn) 題 都 必 須 滿 足 動(dòng) 量 守 恒 定 律 若 微 元 體 上 的 體 力 只 有 重 力 且 z 軸 方 向 豎 直 向 上 則 F x 0 F y 0 F z g 可 以 得 出 動(dòng) 量 守 恒 方 程 w t d iv w u p z x z x y z y z z z F z 該 方 程 可 表 達(dá) 為 微 元 體 中 流 體 的 動(dòng) 量 對(duì) 時(shí) 間 的 變 化 率 等 于 外 界 作 用 在 該 微 元 體 上 的 各 種 力 之 和 在 式 中 是 密 度 t 是 時(shí) 間 u 是 速 度 矢 量 w 是 速 度 矢 量 u 在 z 方 向 上 的 分 量 p 是 流 體 微 元 體 上 的 壓 力 x z 等 是 因 分 子 粘 性 作 用 而 產(chǎn) 生 的 作 用 在 微 元 體 表 面 的 粘 性 應(yīng) 力 的 分 量 F z 是 微 元 體 上 z 方 向 的 體 力 包 含 熱 交 換 的 流 動(dòng) 系 統(tǒng) 必 須 滿 足 能 量 守 恒 定 律 按 照 這 一 定 律 可 以 得 出 能 量 守 恒 方 程 T t d iv u T d iv k c p g r a d T S T 該 方 程 可 表 達(dá) 為 微 元 體 中 能 量 的 改 變 量 等 于 進(jìn) 入 該 微 元 體 的 凈 熱 量 加 上 作 用 于 微 元 體 的 力 對(duì) 微 元 體 所 做 的 功 在 式 中 是 密 度 t 是 時(shí) 間 u 是 速 度 矢 量 T 是 溫 度 c p 是 比 熱 容 k 為 流 體 的 傳 熱 系 數(shù) S T 為 粘 性 耗 散 項(xiàng) C F D 方 法 的 實(shí) 質(zhì) 就 是 用 離 散 化 的 思 想 求 解 上 述 三 大 基 本 方 程 C F D 模 型 數(shù) 值 求 解 方 法 的 基 本 思 想 是 把 原 來(lái) 在 空 間 與 時(shí) 間 坐 標(biāo) 中 連 續(xù) 的 物 理 量 的 場(chǎng) 速 度 場(chǎng) 溫 度 場(chǎng) 等 用 一 系 列 有 限 個(gè) 離 散 點(diǎn) 上 的 值 的 集 合 來(lái) 代 替 離 散 化 通 過(guò) 一 定 的 原 則 建 立 起 這 些 離 散 點(diǎn) 上 變 量 值 之 間 的 代 數(shù) 方 程 求 解 所 建 立 起 來(lái) 的 代 數(shù) 方 程 以 獲 得 求 解 變 量 的 近 似 解 離 散 化 的 實(shí) 質(zhì) 是 用 一 組 有 限 個(gè) 離 散 的 點(diǎn) 來(lái) 代 替 原 來(lái) 的 連 續(xù) 空 間 3 微 型 植 物 工 廠 的 C F D 仿 真 9 5 2 0 2 1 年 9 月 第 4 1 卷 第 9 期熱 帶 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 3 1 植 物 工 廠 的 幾 何 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 植 物 工 廠 的 三 維 模 型 通 過(guò) s o l i d w o r k s 建 立 建 立 模 型 時(shí) 要 充 分 考 慮 如 何 通 過(guò) 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 提 高 自 然 對(duì) 流 的 強(qiáng) 度 自 然 通 風(fēng) 是 由 風(fēng) 或 溫 差 在 通 風(fēng) 口 處 產(chǎn) 生 的 壓 力 差 驅(qū) 動(dòng) 的 風(fēng) 速 大 于 2 m s 的 通 風(fēng) 過(guò) 程 中 可 以 忽 略 溫 差 對(duì) 通 風(fēng) 過(guò) 程 的 影 響 相 反 在 弱 風(fēng) u 0 5 m s 的 情 況 下 熱 驅(qū) 動(dòng) 通 風(fēng) 非 常 重 要 由 空 氣 層 的 溫 度 差 產(chǎn) 生 的 氣 流 用 術(shù) 語(yǔ) 浮 力 效 應(yīng) 或 堆 疊 效 應(yīng) 描 述 1 5 在 不 進(jìn) 行 強(qiáng) 制 對(duì) 流 的 初 始 條 件 下 植 物 工 廠 內(nèi) 部 的 空 氣 流 動(dòng) 滿 足 弱 風(fēng) 條 件 為 了 盡 可 能 地 提 高 植 物 工 廠 內(nèi) 的 自 然 對(duì) 流 強(qiáng) 度 以 提 高 空 氣 流 速 應(yīng) 當(dāng) 考 慮 浮 力 效 應(yīng) 而 將 浮 力 效 應(yīng) 應(yīng) 用 于 管 道 型 流 道 即 可 通 過(guò) 煙 囪 效 應(yīng) 提 高 自 然 對(duì) 流 強(qiáng) 度 1 6 植 物 工 廠 熱 源 主 要 為 L E D 光 源 L E D 雖 為 冷 光 源 但 輸 入 功 率 中 8 0 8 5 的 能 量 通 過(guò) 熱 傳 導(dǎo) 方 式 散 發(fā) 出 去 1 7 植 物 工 廠 中 的 L E D 燈 產(chǎn) 生 的 熱 量 傳 遞 到 空 氣 中 周 圍 空 氣 因 吸 收 熱 量 而 溫 度 升 高 密 度 減 小 與 煙 囪 通 道 上 方 空 氣 形 成 密 度 差 產(chǎn) 生 由 下 至 上 的 浮 力 從 而 沿 著 煙 囪 通 道 上 升 并 從 上 面 的 通 風(fēng) 口 排 出 產(chǎn) 生 的 負(fù) 壓 將 新 的 冷 空 氣 由 植 物 工 廠 下 方 的 通 風(fēng) 口 繼 續(xù) 吸 入 植 物 工 廠 中 形 成 煙 囪 效 應(yīng) 使 煙 囪 通 道 中 的 對(duì) 流 換 熱 系 數(shù) 提 高 增 強(qiáng) 了 自 然 對(duì) 流 效 果 從 而 使 植 物 工 廠 的 空 氣 流 速 得 以 提 升 植 物 工 廠 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 分 為 主 體 部 分 形 狀 排 氣 口 數(shù) 量 及 尺 寸 煙 囪 管 道 的 尺 寸 空 氣 導(dǎo) 流 隔 板 的 位 置 及 開 口 半 徑 植 物 生 長(zhǎng) 區(qū) 域 規(guī) 劃 L E D 燈 的 尺 寸 和 功 率 選 擇 L E D 燈 的 放 置 方 式 花 盆 的 尺 寸 及 擺 放 位 置 等 等 綜 合 考 慮 以 上 設(shè) 計(jì) 因 素 構(gòu) 建 出 以 下 3 種 植 物 工 廠 3 D 模 型 和 參 數(shù) 見 表 1 植 物 工 廠 僅 通 過(guò) 上 下 通 風(fēng) 口 與 外 界 進(jìn) 行 空 氣 交 換 主 箱 體 一 側(cè) 的 透 明 化 處 理 以 便 展 現(xiàn) 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 植 物 工 廠 的 設(shè) 計(jì) 是 三 維 世 界 中 的 復(fù) 雜 問(wèn) 題 上 述 主 體 部 分 形 狀 排 氣 口 數(shù) 量 及 尺 寸 等 任 何 一 個(gè) 因 素 的 微 小 改 變 都 能 導(dǎo) 致 植 物 工 廠 內(nèi) 空 氣 流 速 的 變 化 加 之 各 個(gè) 因 素 之 間 的 耦 合 作 用 使 得 植 物 工 廠 空 氣 流 動(dòng) 最 優(yōu) 設(shè) 計(jì) 的 問(wèn) 題 更 加 復(fù) 雜 本 文 提 出 的 3 個(gè) 模 型 并 不 是 最 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 而 是 通 過(guò) 不 同 模 型 之 間 的 C F D 仿 真 結(jié) 果 比 較 不 斷 探 尋 對(duì) 比 從 而 篩 選 較 高 效 的 設(shè) 計(jì) 方 案 3 2 C F D 仿 真 假 設(shè) 條 件 仿 真 不 能 完 全 模 擬 現(xiàn) 實(shí) 模 型 的 所 有 條 件 為 節(jié) 省 運(yùn) 算 成 本 提 高 實(shí) 驗(yàn) 效 率 本 次 仿 真 作 出 以 下 假 設(shè) 1 箱 體 內(nèi) 表 面 是 無(wú) 滑 移 壁 面 2 空 氣 是 不 可 壓 縮 定 常 流 體 3 忽 略 箱 體 內(nèi) 部 微 小 的 連 接 件 結(jié) 構(gòu) 4 不 考 慮 外 界 空 氣 擾 動(dòng) 5 設(shè) 定 外 界 溫 度 為 1 5 6 不 考 慮 植 物 對(duì) 空 氣 流 動(dòng) 的 影 響 3 3 C F D 仿 真 過(guò) 程 各 組 的 仿 真 過(guò) 程 基 本 相 同 本 研 究 以 1 號(hào) 模 型 為 例 演 示 仿 真 過(guò) 程 將 模 型 導(dǎo) 入 A n s y s 軟 件 中 通 過(guò) A n s y s 的 w o r k b e n c h 選 擇 F l u i d F l o w 模 塊 將 F l u i d F l o w 模 塊 拖 入 右 側(cè) 工 作 臺(tái) 中 打 開 F l u i d F l o w 模 塊 中 的 G e o m e t r y 子 模 塊 由 G e o m e t r y 子 模 塊 打 開 D M D e s i g n M o d e l e r 軟 件 將 幾 何 模 型 導(dǎo) 入 D M 軟 件 后 通 過(guò) F i l l 功 能 構(gòu) 建 流 體 區(qū) 域 如 圖 1 所 示 之 后 將 植 物 工 廠 模 型 和 流 體 域 結(jié) 合 成 同 一 個(gè) p a r t 至 此 完 成 了 模 型 的 幾 何 處 理 將 新 構(gòu) 建 的 幾 何 體 P a r t 導(dǎo) 入 M e s h 子 模 塊 進(jìn) 行 網(wǎng) 格 劃 分 因 為 幾 何 模 型 是 規(guī) 則 且 對(duì) 稱 的 所 以 選 用 尺 寸 控 制 方 法 劃 分 可 保 證 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 首 先 選 中 植 物 工 廠 箱 體 流 體 域 以 及 燈 管 設(shè) 定 每 個(gè) 網(wǎng) 格 的 尺 寸 為 1 m m 其 他 劃 分 條 件 保 持 默 認(rèn) 設(shè) 置 即 可 在 大 體 劃 分 結(jié) 束 后 如 果 需 要 進(jìn) 一 步 提 高 仿 真 精 確 性 可 通 過(guò) 單 獨(dú) 選 定 燈 管 部 分 花 盆 上 部 植 物 生 長(zhǎng) 區(qū) 進(jìn) 行 局 部 網(wǎng) 格 加 密 化 處 理 但 本 實(shí) 驗(yàn) 主 要 目 的 是 比 較 不 同 的 幾 何 特 征 對(duì) 植 物 工 廠 內(nèi) 空 氣 流 動(dòng) 及 熱 交 換 的 影 響 注 重 的 是 趨 勢(shì) 上 的 比 較 此 外 過(guò) 高 的 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 會(huì) 占 用 更 多 的 運(yùn) 算 資 源 預(yù) 算 時(shí) 間 而 且 本 研 究 的 仿 真 對(duì) 象 包 含 活 體 植 物 因 活 體 植 物 個(gè) 體 之 間 具 有 差 異 每 一 株 植 物 的 蒸 騰 作 用 和 光 合 作 用 都 會(huì) 影 響 植 物 工 廠 內(nèi) 的 環(huán) 境 所 以 無(wú) 法 精 確 仿 真 的 方 法 因 此 無(wú) 需 刻 意 追 求 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 網(wǎng) 格 劃 分 好 之 后 使 用 q u a l i t y 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 檢 查 功 能 對(duì) 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 進(jìn) 行 檢 查 可 以 看 到 網(wǎng) 格 的 平 均 質(zhì) 量 為 0 8 3 7 大 部 分 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 為 0 8 8 網(wǎng) 格 總 9 6 熊 致 遠(yuǎn) 等 基 于 C F D 技 術(shù) 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 用 于 海 南 氣 候 條 件 的 自 然 對(duì) 流 換 熱 型 植 物 工 廠 數(shù) 1 4 9 0 5 2 5 個(gè) 網(wǎng) 格 節(jié) 點(diǎn) 2 5 9 9 8 3 個(gè) 在 網(wǎng) 格 劃 分 工 作 中 網(wǎng) 格 平 均 質(zhì) 量 在 0 8 以 上 為 優(yōu) 秀 1 8 因 此 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 良 好 且 數(shù) 量 合 適 不 會(huì) 造 成 運(yùn) 算 負(fù) 擔(dān) 結(jié) 果 如 圖 2 所 示 圖 1 模 型 的 幾 何 前 處 理 劃 分 好 網(wǎng) 格 后 通 過(guò) n a m e d s e l e c t i o n s 方 法 定 義 各 個(gè) 壁 面 將 L E D 燈 表 面 與 空 氣 植 物 工 廠 箱 體 構(gòu) 建 耦 合 關(guān) 系 以 便 后 續(xù) 的 F l u e n t 計(jì) 算 工 作 圖 2 網(wǎng) 格 劃 分 結(jié) 果 分 析 返 回 工 作 臺(tái) 后 點(diǎn) 擊 s e t u p 啟 動(dòng) F l u e n t 軟 件 勾 選 雙 精 度 運(yùn) 算 選 項(xiàng) 以 提 高 運(yùn) 算 結(jié) 果 的 準(zhǔn) 確 性 勾 選 并 行 運(yùn) 算 選 項(xiàng) 選 擇 與 計(jì) 算 機(jī) 匹 配 的 多 核 運(yùn) 算 方 式 以 提 高 運(yùn) 算 速 度 接 著 進(jìn) 入 F l u e n t 軟 件 進(jìn) 行 運(yùn) 算 本 仿 真 解 決 的 是 自 然 對(duì) 流 問(wèn) 題 所 以 要 表 1 模 型 參 數(shù) 模 型 3 D 示 意 圖 模 型 名 稱 主 箱 體 形 狀 主 箱 體 尺 寸 下 通 風(fēng) 口 數(shù) 量 下 通 風(fēng) 口 尺 寸 下 通 風(fēng) 口 分 布 方 式 種 植 盆 尺 寸 隔 板 高 度 隔 板 內(nèi) 徑 L E D 燈 數(shù) 量 L E D 燈 位 置 L E D 燈 尺 寸 煙 囪 尺 寸 上 通 風(fēng) 口 數(shù) 量 上 通 風(fēng) 口 尺 寸 上 通 風(fēng) 口 分 布 方 式 1 號(hào) 模 型 方 體 5 5 c m 5 5 c m 5 5 c m 4 4 0 c m 8 c m 中 心 對(duì) 稱 分 布 R 1 5 c m H 1 3 c m 向 外 拔 模 5 1 7 c m 1 7 5 c m 4 主 箱 體 頂 部 圍 繞 煙 囪 中 心 點(diǎn) 1 4 c m 對(duì) 稱 分 布 3 0 c m 2 c m 2 c m H 1 5 c m R 6 c m 2 1 0 c m 6 c m 對(duì) 稱 分 布 2 號(hào) 模 型 圓 柱 體 R 2 2 5 c m H 5 5 c m 4 弦 長(zhǎng) 2 5 c m H 8 c m 中 心 對(duì) 稱 分 布 R 1 5 c m H 1 3 c m 向 外 拔 模 5 1 7 c m 1 7 5 c m 4 主 箱 體 頂 部 圍 繞 煙 囪 中 心 點(diǎn) 1 4 c m 對(duì) 稱 分 布 3 0 c m 2 c m 2 c m H 1 5 c m 2 1 0 c m 6 c m 對(duì) 稱 分 布 3 號(hào) 模 型 圓 柱 體 R 2 2 5 c m H 5 5 c m 2 弦 長(zhǎng) 4 0 c m H 8 c m 對(duì) 稱 分 布 R 1 5 c m H 1 3 c m 向 外 拔 模 5 1 7 c m 1 7 5 c m 4 主 箱 體 頂 部 圍 繞 煙 囪 中 心 點(diǎn) 1 4 c m 對(duì) 稱 分 布 3 0 c m 2 c m 2 c m H 1 5 c m 2 1 0 c m 6 c m 對(duì) 稱 分 布 9 7 2 0 2 1 年 9 月 第 4 1 卷 第 9 期熱 帶 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 考 慮 重 力 的 影 響 激 活 重 力 和 能 量 選 項(xiàng) 雷 諾 數(shù) 是 判 別 流 動(dòng) 特 性 的 依 據(jù) 在 管 流 中 雷 諾 數(shù) 大 于 3 0 0 0 是 湍 流 狀 態(tài) 1 9 通 過(guò) 雷 諾 數(shù) 計(jì) 算 方 程 計(jì) 算 雷 諾 數(shù) R e R e v L u 式 中 為 流 體 密 度 和 動(dòng) 力 粘 性 系 數(shù) v L 為 流 場(chǎng) 的 特 征 速 度 和 特 征 長(zhǎng) 度 在 溫 度 T 1 7 2 7 時(shí) 氣 體 粘 度 可 用 薩 特 蘭 公 式 計(jì) 算 2 0 u u 0 T 2 8 8 1 5 1 5 2 8 8 1 5 B T B 計(jì) 算 得 常 溫 下 空 氣 密 度 為 1 2 9 k g m 動(dòng) 力 粘 性 系 數(shù) 1 7 9 1 0 6 P a s 先 假 設(shè) 流 場(chǎng) 特 征 速 度 為 0 2 m s 可 計(jì) 算 出 雷 諾 數(shù) 為 7 9 2 7 大 于 3 0 0 0 因 此 本 實(shí) 驗(yàn) 中 的 空 氣 流 體 在 植 物 工 廠 中 的 流 動(dòng) 特 征 是 湍 流 C F D 方 法 是 通 過(guò) 數(shù) 值 求 解 相 應(yīng) 的 輸 運(yùn) 方 程 來(lái) 計(jì) 算 流 體 的 平 均 速 度 矢 量 場(chǎng) 然 而 納 維 斯 托 克 斯 方 程 卻 不 能 用 來(lái) 描 述 湍 流 的 流 體 特 征 因 為 湍 流 的 動(dòng) 力 學(xué) 特 征 尺 度 比 網(wǎng) 格 尺 度 小 所 以 需 要 引 入 湍 流 模 型 以 避 免 湍 流 動(dòng) 力 學(xué) 的 復(fù) 雜 性 2 1 在 湍 流 問(wèn) 題 中 應(yīng) 用 較 多 的 模 型 是 渦 粘 性 封 閉 模 型 渦 粘 性 封 閉 模 型 中 常 用 的 兩 方 程 模 型 有 標(biāo) 準(zhǔn) k 兩 方 程 模 型 低 R e y n o l d s 數(shù) k 模 型 R N G k 湍 流 模 型 R e a l i z a b l e k 模 型 等 k 兩 方 程 模 型 通 過(guò) 兩 個(gè) 額 外 的 控 制 方 程 即 湍 流 脈 動(dòng) 動(dòng) 能 方 程 k 及 湍 流 耗 散 方 程 來(lái) 計(jì) 算 湍 流 對(duì) 平 均 流 量 的 貢 獻(xiàn) 率 2 2 2 3 標(biāo) 準(zhǔn) k 兩 方 程 模 型 已 被 應(yīng) 用 于 許 多 室 內(nèi) 空 氣 流 動(dòng) 問(wèn) 題 具 有 良 好 的 預(yù) 測(cè) 精 度 而 且 在 模 擬 溫 室 通 風(fēng) 流 動(dòng) 方 面 較 為 成 功 2 4 標(biāo) 準(zhǔn) k 兩 方 程 模 型 收 斂 最 快 對(duì) 于 簡(jiǎn) 單 的 充 分 發(fā) 展 的 湍 流 運(yùn) 動(dòng) 標(biāo) 準(zhǔn) k 兩 方 程 模 型 更 適 用 2 5 因 此 本 次 仿 真 選 用 標(biāo) 準(zhǔn) k 兩 方 程 模 型 本 次 仿 真 的 植 物 工 廠 中 的 熱 源 有 太 陽(yáng) 輻 射 與 L E D 燈 太 陽(yáng) 輻 射 的 仿 真 通 過(guò) 開 啟 太 陽(yáng) 輻 射 模 型 實(shí) 現(xiàn) 模 型 表 面 是 光 滑 平 整 的 平 面 因 此 輻 射 模 型 選 用 s u r f a c e t o s u r f a c e 模 型 太 陽(yáng) 負(fù) 載 選 擇 太 陽(yáng) 光 線 追 蹤 模 型 之 后 通 過(guò) 輸 入 實(shí) 驗(yàn) 所 在 地 的 經(jīng) 緯 度 設(shè) 定 太 陽(yáng) 方 向 矢 量 通 過(guò) 輸 入 時(shí) 間 日 期