基于CFD技术设计应用于海南气候条件的自然对流换热型植物工厂_熊致远.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 热 带 农 业 科 学 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 术 设 计 应 用 于 海 南 气 候 条 件 的 自 然 对 流 换 热 型 植 物 工 厂 熊 致 远 盖 志 武 张 一 凡 何 畅 海 南 师 范 大 学 物 理 与 电 子 工 程 学 院 海 南 海 口 5 7 1 1 5 8 摘 要 海 南 独 特 的 气 候 条 件 总 体 上 有 利 于 农 作 物 生 长 但 高 温 以 及 热 带 风 暴 等 自 然 灾 害 经 常 给 种 植 业 带 来 经 济 损 失 本 文 通 过 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 计 算 流 体 力 学 方 法 设 计 出 一 种 既 能 够 充 分 利 用 海 南 气 候 优 势 条 件 又 能 节 省 运 营 成 本 的 自 然 对 流 型 微 型 植 物 工 厂 研 究 发 现 利 用 烟 囱 效 应 来 设 计 植 物 工 厂 的 结 构 可 提 高 自 然 对 流 换 热 强 度 不 同 内 部 结 构 对 自 然 对 流 换 热 强 度 有 显 著 影 响 方 体 结 构 优 于 圆 柱 体 结 构 四 面 开 口 优 于 对 侧 开 口 关 键 词 C F D 植 物 工 厂 对 流 换 热 中 图 分 类 号 S 3 1 6 文 献 标 识 码 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 岛 地 处 北 纬 1 8 1 0 2 0 1 0 属 热 带 季 风 气 候 可 在 不 进 行 人 工 供 暖 的 情 况 下 四 季 种 植 农 作 物 1 9 8 1 2 0 1 0 年 海 南 岛 平 均 气 温 2 4 5 总 体 来 看 适 宜 农 作 物 生 长 但 是 海 南 省 也 易 遭 受 极 端 高 温 以 及 热 带 气 旋 强 降 水 雷 雨 大 风 龙 卷 风 大 雾 等 自 然 灾 害 影 响 2 0 1 9 年 高 温 和 自 然 灾 害 使 农 作 物 受 灾 约 0 1 9 万 h m 2 直 接 经 济 损 失 约 0 5 8 亿 元 海 南 岛 气 温 偏 高 降 水 日 数 多 降 水 量 较 高 这 又 加 大 了 瓜 菜 病 害 的 发 生 风 险 1 因 此 对 于 海 南 农 业 发 展 来 说 寻 找 一 种 既 可 以 充 分 利 用 海 南 岛 气 候 优 势 条 件 又 可 以 减 小 海 南 岛 气 候 不 利 因 素 影 响 的 方 法 是 亟 待 解 决 的 问 题 植 物 工 厂 受 自 然 条 件 影 响 小 作 物 生 产 计 划 性 强 作 物 生 长 速 度 快 周 期 短 自 动 化 程 度 高 无 污 染 因 此 建 立 植 物 工 厂 是 目 前 解 决 上 述 问 题 的 最 优 方 案 2 没 有 强 制 对 流 的 植 物 工 厂 属 于 微 型 温 室 是 弱 风 且 高 温 的 因 此 研 究 低 风 速 通 风 过 程 的 植 物 工 厂 结 构 特 征 的 影 响 因 素 可 为 设 计 更 有 效 的 热 驱 动 通 风 植 物 工 厂 提 供 参 考 传 统 的 研 究 方 法 需 要 先 制 造 实 体 模 型 再 进 行 测 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 编 辑 部 E m a i l r d n k 1 6 3 c o m 第 一 作 者 熊 致 远 1 9 9 7 男 在 读 研 究 生 研 究 方 向 为 计 算 流 体 力 学 邮 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 期热 带 农 业 科 学 高 效 率 低 本 文 采 用 C F D 仿 真 方 法 可 低 成 本 且 快 速 地 比 较 更 有 效 的 热 驱 动 通 风 的 植 物 工 厂 结 构 特 征 1 研 究 背 景 1 1 植 物 工 厂 的 发 展 现 状 植 物 工 厂 的 定 义 最 早 是 2 0 世 纪 7 0 年 代 美 籍 日 本 学 者 穆 拉 希 格 提 出 的 是 指 通 过 对 设 施 内 作 物 生 长 条 件 高 精 度 控 制 来 实 现 农 作 物 周 年 连 续 生 产 的 系 统 即 人 为 对 植 物 生 育 的 温 度 湿 度 光 照 浓 度 以 及 营 养 液 等 生 长 条 件 进 行 控 制 使 设 施 内 的 植 物 生 长 发 育 不 受 或 很 少 受 自 然 条 件 制 约 的 省 力 型 生 产 模 式 按 通 风 方 式 可 分 为 强 制 对 流 换 热 植 物 工 厂 和 自 然 对 流 换 热 植 物 工 厂 3 植 物 工 厂 虽 然 早 期 投 资 成 本 较 高 但 通 过 初 期 建 设 费 运 行 费 用 以 及 生 产 成 本 费 用 的 优 化 其 单 位 面 积 产 量 的 初 期 设 备 费 与 温 室 相 同 或 低 于 温 室 冬 季 加 温 费 用 也 可 大 幅 度 降 低 2 对 于 海 南 的 独 特 气 候 自 然 对 流 换 热 型 植 物 工 厂 可 以 节 省 供 暖 系 统 的 能 量 消 耗 使 用 成 本 更 低 植 物 工 厂 技 术 虽 越 来 越 完 善 但 仍 存 在 很 多 局 限 致 使 植 物 工 厂 的 大 规 模 普 及 推 广 较 为 困 难 其 主 要 的 原 因 是 植 物 工 厂 的 建 设 成 本 较 高 运 行 成 本 也 高 系 统 耗 电 量 较 大 生 产 成 本 投 入 远 远 大 于 系 统 产 出 价 值 人 工 光 型 密 闭 式 植 物 工 厂 中 电 能 消 耗 成 本 通 常 约 占 总 运 营 成 本 的 5 0 6 0 4 植 物 工 厂 的 电 能 消 耗 主 要 用 于 提 供 光 照 补 充 热 量 调 节 空 气 流 速 等 3 个 方 面 而 利 用 自 然 对 流 实 现 空 气 流 通 的 自 然 对 流 换 热 植 物 工 厂 可 节 省 用 于 调 节 空 气 流 速 的 通 风 扇 的 电 力 消 耗 更 加 节 约 成 本 自 然 通 风 是 由 风 或 温 差 在 通 风 口 处 产 生 的 压 力 差 驱 动 的 5 因 此 对 于 自 然 对 流 换 热 植 物 工 厂 来 说 植 物 工 厂 内 外 温 差 以 及 风 速 差 是 影 响 其 内 部 空 气 流 速 的 主 要 因 素 此 外 植 物 工 厂 内 部 结 构 隔 板 支 架 空 气 流 道 植 物 的 体 积 和 形 状 植 物 的 蒸 腾 作 用 也 对 植 物 工 厂 内 的 空 气 流 速 有 影 响 因 此 可 以 通 过 优 化 植 物 工 厂 内 部 结 构 来 提 高 空 气 流 速 进 一 步 节 约 生 产 成 本 1 2 植 物 生 长 条 件 植 物 和 大 气 之 间 二 氧 化 碳 和 水 蒸 气 的 交 换 由 光 合 作 用 蒸 腾 作 用 控 制 植 物 工 厂 内 的 空 气 交 换 对 植 物 是 否 能 高 质 量 生 长 起 到 关 键 作 用 一 般 来 说 光 合 作 用 和 蒸 腾 作 用 是 由 气 孔 阻 力 和 边 界 层 阻 力 共 同 控 制 的 叶 片 边 界 层 阻 力 主 要 受 气 流 速 度 控 制 不 充 分 的 气 体 流 动 会 抑 制 植 物 的 生 长 发 育 风 速 为 0 1 3 m s 植 物 蒸 腾 速 率 和 净 光 合 效 率 随 风 速 增 加 而 增 强 水 分 利 用 效 率 随 风 速 增 加 而 降 低 为 了 既 能 提 高 净 光 合 速 率 又 能 减 少 灌 溉 用 水 植 物 生 长 区 的 风 速 宜 控 制 在 0 3 1 m s 6 净 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 为 C O 2 体 积 与 分 子 量 的 转 换 系 数 N 为 生 长 室 换 气 次 数 V 为 生 长 腔 的 风 量 C i n 和 C o u t 分 别 为 光 周 期 内 稳 态 条 件 下 生 长 腔 内 外 的 C O 2 浓 度 S 为 C O 2 供 给 量 A 为 叶 片 面 积 7 可 见 温 室 内 的 C O 2 浓 度 与 净 光 合 速 率 成 正 相 关 因 此 植 物 工 厂 的 结 构 设 计 应 尽 可 能 使 C O 2 气 体 供 应 到 通 风 温 室 中 并 保 持 与 室 外 相 似 的 浓 度 研 究 表 明 常 规 的 没 有 强 制 对 流 换 气 的 植 物 生 长 室 内 的 C O 2 浓 度 比 外 界 的 C O 2 浓 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 气 体 从 室 外 通 过 温 室 通 风 口 流 到 温 室 内 使 C O 2 浓 度 仍 比 室 外 低 约 5 0 6 0 m o l m o l 8 光 照 和 温 度 对 植 物 生 长 也 有 影 响 光 照 条 件 下 种 子 的 发 芽 率 要 比 黑 暗 条 件 下 的 种 子 发 芽 率 高 种 子 发 芽 也 会 受 到 温 度 的 抑 制 作 用 过 高 的 温 度 会 抑 制 种 子 的 发 芽 在 2 5 以 上 生 菜 的 发 芽 率 为 零 叶 类 蔬 菜 生 长 的 最 适 温 度 为 2 0 2 5 9 在 植 物 工 厂 设 计 中 要 尽 可 能 通 过 自 然 对 流 的 方 式 带 走 因 L E D 光 源 产 生 的 积 热 1 3 C F D 方 法 介 绍 C F D 方 法 是 借 助 计 算 流 体 力 学 软 件 来 仿 真 流 体 流 动 的 方 法 计 算 流 体 力 学 软 件 是 以 电 子 计 算 机 为 工 具 的 软 件 系 统 它 可 以 准 确 地 模 拟 密 闭 环 境 内 的 温 度 和 气 流 分 布 目 前 广 泛 应 用 于 航 空 航 天 船 舶 环 境 建 筑 等 多 个 领 域 1 0 F L U E N T 是 C F D 的 一 个 软 件 包 在 国 内 外 应 用 广 泛 是 最 流 行 的 商 业 软 件 之 一 可 以 模 拟 各 种 复 杂 条 件 下 的 流 体 9 4 熊 致 远 等 基 于 C F D 技 术 设 计 应 用 于 海 南 气 候 条 件 的 自 然 对 流 换 热 型 植 物 工 厂 流 动 1 1 C F D 技 术 已 经 在 农 业 领 域 得 到 广 泛 应 用 其 中 利 用 C F D 技 术 分 析 植 物 工 厂 内 温 度 和 气 流 场 可 以 通 过 后 续 的 设 计 改 进 以 减 少 运 行 能 耗 保 证 植 物 产 量 1 2 1 3 早 期 针 对 温 室 内 气 流 场 和 温 湿 度 分 布 主 要 采 用 示 踪 气 体 法 和 能 量 平 衡 法 或 者 使 用 单 纯 的 试 验 分 析 或 者 理 论 手 段 但 这 些 方 法 不 能 反 映 湿 室 內 气 流 和 温 湿 度 的 分 布 变 化 随 后 对 于 不 同 的 条 件 则 需 要 多 个 试 验 造 成 试 验 周 期 长 费 用 昂 贵 不 能 从 根 本 上 优 化 和 合 理 化 温 室 结 构 1 4 然 而 使 用 C F D 方 法 对 温 室 内 小 气 候 环 境 进 行 模 拟 分 析 可 以 清 晰 地 展 现 出 流 体 的 流 动 过 程 进 而 设 计 出 更 加 优 化 的 结 构 以 提 高 植 物 工 厂 内 的 空 气 流 速 2 C F D 仿 真 技 术 的 技 术 路 线 和 理 论 基 础 2 1 技 术 路 线 通 过 S o l i d w o r k s 软 件 建 立 多 组 具 有 不 同 结 构 特 征 的 植 物 工 厂 的 三 维 模 型 之 后 将 不 同 的 三 维 模 型 导 入 A n s y s 软 件 中 通 过 A n s y s 的 w o r k b e n c h 选 择 F l u i d F l o w 模 块 进 行 仿 真 工 作 首 先 利 用 F l u e n t 模 块 中 的 D e s i g n M o d e l e r 子 模 块 进 行 流 体 域 构 建 之 后 将 植 物 工 厂 模 型 和 流 体 域 结 合 成 同 一 个 p a r t 将 新 构 建 的 P a r t 导 入 M e s h 子 模 块 进 行 网 格 划 分 把 划 分 好 的 网 格 导 入 F l u e n t 中 进 行 仿 真 计 算 完 成 后 把 结 果 导 入 后 处 理 子 模 块 C F D P o s t 中 在 C F D P o s t 里 观 察 不 同 模 型 的 空 气 流 速 云 图 和 温 度 分 布 云 图 比 较 不 同 模 型 的 空 气 流 线 图 分 析 不 同 结 构 特 征 对 植 物 工 厂 内 温 度 分 布 和 气 体 流 速 的 影 响 总 结 有 利 于 改 善 植 物 生 长 条 件 的 结 构 特 征 将 这 些 结 构 特 征 组 合 起 来 构 建 新 结 构 的 植 物 工 厂 通 过 不 断 迭 代 研 发 设 计 出 相 对 高 效 的 植 物 工 厂 模 型 选 择 出 有 代 表 性 的 植 物 工 厂 模 型 制 成 实 物 用 仪 器 测 量 实 物 模 型 内 的 空 气 流 速 和 风 速 并 与 仿 真 结 果 对 比 以 验 证 仿 真 的 有 效 性 2 2 理 论 基 础 C F D 模 型 以 流 体 质 量 动 量 和 能 量 三 大 守 恒 方 程 为 基 本 控 制 方 程 1 2 任 何 流 动 问 题 都 必 须 满 足 质 量 守 恒 定 律 按 照 这 一 定 律 可 以 得 出 质 量 守 恒 方 程 0 t u 该 方 程 可 表 达 为 单 位 时 间 内 流 体 微 元 体 中 质 量 的 增 加 等 于 同 一 时 间 间 隔 内 流 入 该 微 元 的 净 质 量 式 中 表 示 散 度 是 密 度 t 是 时 间 u 是 速 度 矢 量 任 何 流 动 问 题 都 必 须 满 足 动 量 守 恒 定 律 若 微 元 体 上 的 体 力 只 有 重 力 且 z 轴 方 向 竖 直 向 上 则 F x 0 F y 0 F z g 可 以 得 出 动 量 守 恒 方 程 w t d iv w u p z x z x y z y z z z F z 该 方 程 可 表 达 为 微 元 体 中 流 体 的 动 量 对 时 间 的 变 化 率 等 于 外 界 作 用 在 该 微 元 体 上 的 各 种 力 之 和 在 式 中 是 密 度 t 是 时 间 u 是 速 度 矢 量 w 是 速 度 矢 量 u 在 z 方 向 上 的 分 量 p 是 流 体 微 元 体 上 的 压 力 x z 等 是 因 分 子 粘 性 作 用 而 产 生 的 作 用 在 微 元 体 表 面 的 粘 性 应 力 的 分 量 F z 是 微 元 体 上 z 方 向 的 体 力 包 含 热 交 换 的 流 动 系 统 必 须 满 足 能 量 守 恒 定 律 按 照 这 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 该 方 程 可 表 达 为 微 元 体 中 能 量 的 改 变 量 等 于 进 入 该 微 元 体 的 净 热 量 加 上 作 用 于 微 元 体 的 力 对 微 元 体 所 做 的 功 在 式 中 是 密 度 t 是 时 间 u 是 速 度 矢 量 T 是 温 度 c p 是 比 热 容 k 为 流 体 的 传 热 系 数 S T 为 粘 性 耗 散 项 C F D 方 法 的 实 质 就 是 用 离 散 化 的 思 想 求 解 上 述 三 大 基 本 方 程 C F D 模 型 数 值 求 解 方 法 的 基 本 思 想 是 把 原 来 在 空 间 与 时 间 坐 标 中 连 续 的 物 理 量 的 场 速 度 场 温 度 场 等 用 一 系 列 有 限 个 离 散 点 上 的 值 的 集 合 来 代 替 离 散 化 通 过 一 定 的 原 则 建 立 起 这 些 离 散 点 上 变 量 值 之 间 的 代 数 方 程 求 解 所 建 立 起 来 的 代 数 方 程 以 获 得 求 解 变 量 的 近 似 解 离 散 化 的 实 质 是 用 一 组 有 限 个 离 散 的 点 来 代 替 原 来 的 连 续 空 间 3 微 型 植 物 工 厂 的 C F D 仿 真 9 5 2 0 2 1 年 9 月 第 4 1 卷 第 9 期热 带 农 业 科 学 3 1 植 物 工 厂 的 几 何 结 构 设 计 植 物 工 厂 的 三 维 模 型 通 过 s o l i d w o r k s 建 立 建 立 模 型 时 要 充 分 考 虑 如 何 通 过 内 部 结 构 的 设 计 提 高 自 然 对 流 的 强 度 自 然 通 风 是 由 风 或 温 差 在 通 风 口 处 产 生 的 压 力 差 驱 动 的 风 速 大 于 2 m s 的 通 风 过 程 中 可 以 忽 略 温 差 对 通 风 过 程 的 影 响 相 反 在 弱 风 u 0 5 m s 的 情 况 下 热 驱 动 通 风 非 常 重 要 由 空 气 层 的 温 度 差 产 生 的 气 流 用 术 语 浮 力 效 应 或 堆 叠 效 应 描 述 1 5 在 不 进 行 强 制 对 流 的 初 始 条 件 下 植 物 工 厂 内 部 的 空 气 流 动 满 足 弱 风 条 件 为 了 尽 可 能 地 提 高 植 物 工 厂 内 的 自 然 对 流 强 度 以 提 高 空 气 流 速 应 当 考 虑 浮 力 效 应 而 将 浮 力 效 应 应 用 于 管 道 型 流 道 即 可 通 过 烟 囱 效 应 提 高 自 然 对 流 强 度 1 6 植 物 工 厂 热 源 主 要 为 L E D 光 源 L E D 虽 为 冷 光 源 但 输 入 功 率 中 8 0 8 5 的 能 量 通 过 热 传 导 方 式 散 发 出 去 1 7 植 物 工 厂 中 的 L E D 灯 产 生 的 热 量 传 递 到 空 气 中 周 围 空 气 因 吸 收 热 量 而 温 度 升 高 密 度 减 小 与 烟 囱 通 道 上 方 空 气 形 成 密 度 差 产 生 由 下 至 上 的 浮 力 从 而 沿 着 烟 囱 通 道 上 升 并 从 上 面 的 通 风 口 排 出 产 生 的 负 压 将 新 的 冷 空 气 由 植 物 工 厂 下 方 的 通 风 口 继 续 吸 入 植 物 工 厂 中 形 成 烟 囱 效 应 使 烟 囱 通 道 中 的 对 流 换 热 系 数 提 高 增 强 了 自 然 对 流 效 果 从 而 使 植 物 工 厂 的 空 气 流 速 得 以 提 升 植 物 工 厂 的 结 构 设 计 分 为 主 体 部 分 形 状 排 气 口 数 量 及 尺 寸 烟 囱 管 道 的 尺 寸 空 气 导 流 隔 板 的 位 置 及 开 口 半 径 植 物 生 长 区 域 规 划 L E D 灯 的 尺 寸 和 功 率 选 择 L E D 灯 的 放 置 方 式 花 盆 的 尺 寸 及 摆 放 位 置 等 等 综 合 考 虑 以 上 设 计 因 素 构 建 出 以 下 3 种 植 物 工 厂 3 D 模 型 和 参 数 见 表 1 植 物 工 厂 仅 通 过 上 下 通 风 口 与 外 界 进 行 空 气 交 换 主 箱 体 一 侧 的 透 明 化 处 理 以 便 展 现 内 部 结 构 植 物 工 厂 的 设 计 是 三 维 世 界 中 的 复 杂 问 题 上 述 主 体 部 分 形 状 排 气 口 数 量 及 尺 寸 等 任 何 一 个 因 素 的 微 小 改 变 都 能 导 致 植 物 工 厂 内 空 气 流 速 的 变 化 加 之 各 个 因 素 之 间 的 耦 合 作 用 使 得 植 物 工 厂 空 气 流 动 最 优 设 计 的 问 题 更 加 复 杂 本 文 提 出 的 3 个 模 型 并 不 是 最 优 化 设 计 而 是 通 过 不 同 模 型 之 间 的 C F D 仿 真 结 果 比 较 不 断 探 寻 对 比 从 而 筛 选 较 高 效 的 设 计 方 案 3 2 C F D 仿 真 假 设 条 件 仿 真 不 能 完 全 模 拟 现 实 模 型 的 所 有 条 件 为 节 省 运 算 成 本 提 高 实 验 效 率 本 次 仿 真 作 出 以 下 假 设 1 箱 体 内 表 面 是 无 滑 移 壁 面 2 空 气 是 不 可 压 缩 定 常 流 体 3 忽 略 箱 体 内 部 微 小 的 连 接 件 结 构 4 不 考 虑 外 界 空 气 扰 动 5 设 定 外 界 温 度 为 1 5 6 不 考 虑 植 物 对 空 气 流 动 的 影 响 3 3 C F D 仿 真 过 程 各 组 的 仿 真 过 程 基 本 相 同 本 研 究 以 1 号 模 型 为 例 演 示 仿 真 过 程 将 模 型 导 入 A n s y s 软 件 中 通 过 A n s y s 的 w o r k b e n c h 选 择 F l u i d F l o w 模 块 将 F l u i d F l o w 模 块 拖 入 右 侧 工 作 台 中 打 开 F l u i d F l o w 模 块 中 的 G e o m e t r y 子 模 块 由 G e o m e t r y 子 模 块 打 开 D M D e s i g n M o d e l e r 软 件 将 几 何 模 型 导 入 D M 软 件 后 通 过 F i l l 功 能 构 建 流 体 区 域 如 图 1 所 示 之 后 将 植 物 工 厂 模 型 和 流 体 域 结 合 成 同 一 个 p a r t 至 此 完 成 了 模 型 的 几 何 处 理 将 新 构 建 的 几 何 体 P a r t 导 入 M e s h 子 模 块 进 行 网 格 划 分 因 为 几 何 模 型 是 规 则 且 对 称 的 所 以 选 用 尺 寸 控 制 方 法 划 分 可 保 证 网 格 质 量 首 先 选 中 植 物 工 厂 箱 体 流 体 域 以 及 灯 管 设 定 每 个 网 格 的 尺 寸 为 1 m m 其 他 划 分 条 件 保 持 默 认 设 置 即 可 在 大 体 划 分 结 束 后 如 果 需 要 进 一 步 提 高 仿 真 精 确 性 可 通 过 单 独 选 定 灯 管 部 分 花 盆 上 部 植 物 生 长 区 进 行 局 部 网 格 加 密 化 处 理 但 本 实 验 主 要 目 的 是 比 较 不 同 的 几 何 特 征 对 植 物 工 厂 内 空 气 流 动 及 热 交 换 的 影 响 注 重 的 是 趋 势 上 的 比 较 此 外 过 高 的 网 格 质 量 会 占 用 更 多 的 运 算 资 源 预 算 时 间 而 且 本 研 究 的 仿 真 对 象 包 含 活 体 植 物 因 活 体 植 物 个 体 之 间 具 有 差 异 每 一 株 植 物 的 蒸 腾 作 用 和 光 合 作 用 都 会 影 响 植 物 工 厂 内 的 环 境 所 以 无 法 精 确 仿 真 的 方 法 因 此 无 需 刻 意 追 求 网 格 质 量 网 格 划 分 好 之 后 使 用 q u a l i t y 网 格 质 量 检 查 功 能 对 网 格 质 量 进 行 检 查 可 以 看 到 网 格 的 平 均 质 量 为 0 8 3 7 大 部 分 网 格 质 量 为 0 8 8 网 格 总 9 6 熊 致 远 等 基 于 C F D 技 术 设 计 应 用 于 海 南 气 候 条 件 的 自 然 对 流 换 热 型 植 物 工 厂 数 1 4 9 0 5 2 5 个 网 格 节 点 2 5 9 9 8 3 个 在 网 格 划 分 工 作 中 网 格 平 均 质 量 在 0 8 以 上 为 优 秀 1 8 因 此 网 格 质 量 良 好 且 数 量 合 适 不 会 造 成 运 算 负 担 结 果 如 图 2 所 示 图 1 模 型 的 几 何 前 处 理 划 分 好 网 格 后 通 过 n a m e d s e l e c t i o n s 方 法 定 义 各 个 壁 面 将 L E D 灯 表 面 与 空 气 植 物 工 厂 箱 体 构 建 耦 合 关 系 以 便 后 续 的 F l u e n t 计 算 工 作 图 2 网 格 划 分 结 果 分 析 返 回 工 作 台 后 点 击 s e t u p 启 动 F l u e n t 软 件 勾 选 双 精 度 运 算 选 项 以 提 高 运 算 结 果 的 准 确 性 勾 选 并 行 运 算 选 项 选 择 与 计 算 机 匹 配 的 多 核 运 算 方 式 以 提 高 运 算 速 度 接 着 进 入 F l u e n t 软 件 进 行 运 算 本 仿 真 解 决 的 是 自 然 对 流 问 题 所 以 要 表 1 模 型 参 数 模 型 3 D 示 意 图 模 型 名 称 主 箱 体 形 状 主 箱 体 尺 寸 下 通 风 口 数 量 下 通 风 口 尺 寸 下 通 风 口 分 布 方 式 种 植 盆 尺 寸 隔 板 高 度 隔 板 内 径 L E D 灯 数 量 L E D 灯 位 置 L E D 灯 尺 寸 烟 囱 尺 寸 上 通 风 口 数 量 上 通 风 口 尺 寸 上 通 风 口 分 布 方 式 1 号 模 型 方 体 5 5 c m 5 5 c m 5 5 c m 4 4 0 c m 8 c m 中 心 对 称 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 体 顶 部 围 绕 烟 囱 中 心 点 1 4 c m 对 称 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 对 称 分 布 2 号 模 型 圆 柱 体 R 2 2 5 c m H 5 5 c m 4 弦 长 2 5 c m H 8 c m 中 心 对 称 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 体 顶 部 围 绕 烟 囱 中 心 点 1 4 c m 对 称 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 对 称 分 布 3 号 模 型 圆 柱 体 R 2 2 5 c m H 5 5 c m 2 弦 长 4 0 c m H 8 c m 对 称 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 体 顶 部 围 绕 烟 囱 中 心 点 1 4 c m 对 称 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 对 称 分 布 9 7 2 0 2 1 年 9 月 第 4 1 卷 第 9 期热 带 农 业 科 学 考 虑 重 力 的 影 响 激 活 重 力 和 能 量 选 项 雷 诺 数 是 判 别 流 动 特 性 的 依 据 在 管 流 中 雷 诺 数 大 于 3 0 0 0 是 湍 流 状 态 1 9 通 过 雷 诺 数 计 算 方 程 计 算 雷 诺 数 R e R e v L u 式 中 为 流 体 密 度 和 动 力 粘 性 系 数 v L 为 流 场 的 特 征 速 度 和 特 征 长 度 在 温 度 T 1 7 2 7 时 气 体 粘 度 可 用 萨 特 兰 公 式 计 算 2 0 u u 0 T 2 8 8 1 5 1 5 2 8 8 1 5 B T B 计 算 得 常 温 下 空 气 密 度 为 1 2 9 k g m 动 力 粘 性 系 数 1 7 9 1 0 6 P a s 先 假 设 流 场 特 征 速 度 为 0 2 m s 可 计 算 出 雷 诺 数 为 7 9 2 7 大 于 3 0 0 0 因 此 本 实 验 中 的 空 气 流 体 在 植 物 工 厂 中 的 流 动 特 征 是 湍 流 C F D 方 法 是 通 过 数 值 求 解 相 应 的 输 运 方 程 来 计 算 流 体 的 平 均 速 度 矢 量 场 然 而 纳 维 斯 托 克 斯 方 程 却 不 能 用 来 描 述 湍 流 的 流 体 特 征 因 为 湍 流 的 动 力 学 特 征 尺 度 比 网 格 尺 度 小 所 以 需 要 引 入 湍 流 模 型 以 避 免 湍 流 动 力 学 的 复 杂 性 2 1 在 湍 流 问 题 中 应 用 较 多 的 模 型 是 涡 粘 性 封 闭 模 型 涡 粘 性 封 闭 模 型 中 常 用 的 两 方 程 模 型 有 标 准 k 两 方 程 模 型 低 R e y n o l d s 数 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 两 方 程 模 型 通 过 两 个 额 外 的 控 制 方 程 即 湍 流 脉 动 动 能 方 程 k 及 湍 流 耗 散 方 程 来 计 算 湍 流 对 平 均 流 量 的 贡 献 率 2 2 2 3 标 准 k 两 方 程 模 型 已 被 应 用 于 许 多 室 内 空 气 流 动 问 题 具 有 良 好 的 预 测 精 度 而 且 在 模 拟 温 室 通 风 流 动 方 面 较 为 成 功 2 4 标 准 k 两 方 程 模 型 收 敛 最 快 对 于 简 单 的 充 分 发 展 的 湍 流 运 动 标 准 k 两 方 程 模 型 更 适 用 2 5 因 此 本 次 仿 真 选 用 标 准 k 两 方 程 模 型 本 次 仿 真 的 植 物 工 厂 中 的 热 源 有 太 阳 辐 射 与 L E D 灯 太 阳 辐 射 的 仿 真 通 过 开 启 太 阳 辐 射 模 型 实 现 模 型 表 面 是 光 滑 平 整 的 平 面 因 此 辐 射 模 型 选 用 s u r f a c e t o s u r f a c e 模 型 太 阳 负 载 选 择 太 阳 光 线 追 踪 模 型 之 后 通 过 输 入 实 验 所 在 地 的 经 纬 度 设 定 太 阳 方 向 矢 量 通 过 输 入 时 间 日 期