水力循环高架设施栽培装置优化设计及试验分析.pdf

年 第 期 第 卷 农机化研究 水力循环高架设施栽培装置优化设计及试验分析 朱庆松 严露露 李玉斌 白东方 朱赞彬 信阳农林学院 河南信阳 摘 要 高架设施栽培模式提升了温室作物的产量和质量 为此 针对固定式高架设施遮荫问题 通过测定 等不同角度栽培装置的光照遮阴变化情况 确定了基于光照因素的最优高架栽培架式角度为 为了解决固定 式高架设施角度过大 底层作物光照不足等问题 利用温室控温管路系统中水的压力 创新设计了一种以水轮机为动力的 自动循环高架装置 分析了结构组成及工作原理 采用 软件设计了三维模型 同时 通过 模拟分析不同 型号叶轮作用下的水力压力和速度变化 确定了双列直线型六叶轮为最优叶轮选型 装置是以水力产生动力使栽培槽围 绕支架匀速转动 为高架设施架式设计提供一种新思路 在创造良好光照条件的同时减少能源的消耗 具有较高的经济效 益 在实际生产中具有一定的推广应用价值 关键词 高架设施栽培装置 水力循环 优化设计 中图分类号 文献标识码 文章编号 收稿日期 基金项目 河南省新农科研究与改革实践项目 信阳农 林学院青年教师科研基金项目 信阳农林学院科 技创新团队项目 作者简介 朱庆松 男 河南信阳人 副教授 硕士 通讯作者 朱赞彬 男 湖南娄底人 工程师 讲师 硕士 引 言 高架栽培是指在不影响植株正常生长发育的条件 下进行的立体栽培 可充分利用温室太阳能和空间 从 而增加土地利用率和单位面积产量 设施高架装置 的相关参数对其性能影响较大 同时随着社会经济的 发展 高架栽培模式逐步成为农业园区观光旅游业的 亮点工程 国内外相关学者对高架栽培装置设计 基质摊铺 移栽育苗等展开了研究 宗静等 研 究发现 在日光温室中 高架栽培上层植株温湿度和光 照条件较好 而下层相对较差 张永豪 对 型和 型栽培架进行多方面的分析 发现 型架比 型架具 有较好的光照环境 周明源等 通过促成栽培得出草 莓高架栽培模式产量最高的结论 吴杨焕等 研究表 明 采用立架栽培模式种植的草莓 其叶面积指数与产 量二次曲线关系的相关性较好 郑吉澍等 研发了一 种旋转立体栽培架的补光系统 使栽培架的植物接受 均匀的光照 陈一飞等 研发了一种草莓立体栽培智 能控制系统 使草莓挂果期比传统露地种植平均提前 天 产出平均增加 周子君等 研究了高架草 莓物联网栽培模式 使草莓栽培便利化和远程化 节省 了劳动力 可准确用药施肥 大大增加草莓的产量和品 质 张豫超等 分析了各架型优缺点 得知 层阶梯 形架型结构层次丰富 种植密度高 具有较大的增产潜 力 适合大型草莓种植基地使用 并具有较高的观光性 能 如果进一步改善 层的光照环境 提高光合利用 率 产量将进一步提高 但是 目前总体来说我国对于高架栽培的形式方 面还处于技术探索研究阶段 绝大部分高架设施为静 态设施 如图 所示 大量研究发现 光照强度影响幼苗的芽 根鲜质量 及生长状况 光质影响幼苗光形态建成 叶绿素合成 碳氮代谢及品质 由图 可以看出 为了使农作物 充分光照 整体高架张开角度较大 而由图 则可 以明显看出 下层的农作物光照受到较大干扰 光照强 度不好 导致果实品质差 第 卷农机化研究第 期 图 静态栽培装置 目前 我国常规高架架式种类较多 但整体技术水 平不高 缺乏架式设计的规范化依据 且固定式高架架 型设计角度大小缺乏验证 阻滞了该模式的发展 因 此 结合国内现有高架栽培装置的特点 通过对固定高 架型架不同角度的光照强度和遮阴面积进行比较 为 此类固定型高架的设计提供理论依据 为了解决因固 定式架型角度过大导致的占地面积过大问题 笔者利 用我国传统水车的工作原理 设计一种水力循环驱动 型设施栽培装置 此种架型角度可减小到 左右 本 文利用 仿真软件对叶轮的选型进行模拟优化 分析 固定式高架光照试验及参数确定 试验方法 试验地点 试验为高架栽培架不同角度光照指标测量和栽 培槽遮挡光照的模拟试验 光照强度试验在信阳农林 学院玻璃温室内 南侧温室 进行 试验装置 试验所使用的栽培架是自行设计并制作出来的 型架 主要材料为镀锌钢管 最大的特点是能调节栽 培架角度的大小 型架的参数为宽 高 栽培架设置 层 行栽培槽 层间垂直水平相 距 最下面一层离地面 栽培架南北放置 试验方法 分别测量 型架角度张开在 和 时的光照强度 将不同角度栽培架西侧和东侧所测量 的光照强度值分别计算出总和进行对比 同时 利用 软件模拟不同角度栽培槽间遮阴区域的变化 将 遮光区域面积与光照区域面积进行对照 计算出不同 角度遮光率的大小 栽培架光照指标的测定和遮阴面积的模拟 栽培架不同角度光照强度测定 对 型架栽培槽中间位置分为 层及其 东侧 西侧共 个不同位置栽培的草莓进行光照强度 的测定 分别在早中晚每个时间段测量 次取平均 值 光照强度用 数字式照度计测定 准 确度 遮光区域模拟试验 在日常生产中 因设施条件 栽植密度 株高等原 因造成遮光现象 日光温室的采光屋面是太阳辐射进 入温室内的唯一通道 改良前屋面的形状和采光角度 可以增加日光温室的透光量 遮光区域模拟试验通过 使用 软件进行 如图 所示 在软件中分别设置 栽培架角度为 主要模拟栽培槽上 部区域 层距为 垂直水平 将光照不能到达栽 培槽的时间段设为阴影区域 阴影区域越小照射栽培 槽的实际光照越多 图 遮光现象示意图 试验结果分析 不同角度栽培架光照强度变化 固定式 型架在不同角度下光照强度有明显变 化 如表 所示 其中 东侧和西侧栽培架 层光照总 和中的最高值分别为 角度均为 角度与光照条件的变化呈正相关关系 角度越大 光 照越好 角度 的栽培架比 的栽培架在 个时 间段东侧的光照强度总和提高了 西侧的栽培槽 第 期朱庆松等 水力循环高架设施栽培装置优化设计及试验分析第 卷 光照强度总和提升了 角度是 的栽培架比 的栽培架在 个时间段东侧的光照强度总和提高 了 西侧的栽培槽光照强度总和提升了 高架栽培架各层之间的光照强度存在层间遮挡 现象 光照强度的大小随着角度的增大呈现逐渐上升 的趋势 上午西侧位置除第 层受到较少遮挡外 其 他 层受遮挡面积较多 下午东侧除第 层遮挡较少 以外 其他 层同样受到较多遮挡 表 不同角度光照强度变化 时间 角度 东侧西侧 东侧西侧 东侧西侧 东侧西侧 注 光照强度是每侧栽培架光照强度总和 在测量时受到遮阴棚影响 不同角度栽培槽遮阴区域变化 将图 中阴影区域利用 软件模拟 根据面积 的大小计算出不同角度所占的百分比 光照遮挡率 随着角度的增加呈现下降趋势 如图 所示 试验表 明 遮光率最大 占 遮光率最小 为 遮光率为 遮光率为 其中 与 遮光率相差 图 不同角度遮光率的变化 固定式栽培架角度参数确定 角度会影响设施内的面积 角度张开越大 栽培 架底部面积会变得越大 为提高空间利用率 在设计 时需考虑架式张开的角度 根据光照强度的变化 比 整体光照强度高 左右 在光照遮挡方 面 和 相差 左右 在考虑光照及空间利用 率等方面 将 确定为 字型固定栽培架设计的适 宜角度 水力循环高架设施装置设计 综上分析 为了确保固定式 型架的光照强度 张开角度最优为 虽然与非高架栽培相比其温室 面积利用率得到了提高 但其占地面积仍然较大 目 前 国外已成功设计并运用了电力驱动高架栽培设 施 并已被引入到国内 图 为某农业园区引进的高 架栽培设施 通过电力驱动高架设施栽培槽 可以循 环运转 由于其主要作用为观光旅游 故经济成本较 高 因此 本文结合我国传统水车的原理 优化设计 了其结构 节约了能源 同时进一步优化了温室的热 量传导环境 图 电驱动循环设施装置 第 卷农机化研究第 期 总体结构 高架设施栽培架应根据设施空间设计适宜的长 度 高度及宽度 本设计栽培架底部长为 宽 高为 从侧面看形状为 字型 主要由 支架 滑道 传动链 链轮 斜滑道 栽培槽 水轮机 调 节阀 营养液箱和水箱等组成 沿着支架两侧分别设 置 层放置栽培槽的托盘 如图 所示 出水管 水箱 链轮 传动链 主动链轮 水轮机 进水管 调节阀 支架及滑道 栽培槽 传动链轮 传动链轮 斜滑道 营养液箱 图 型栽培架结构示意图 工作原理 此高架栽培装置主要运用水车转动产生动力的 原理 将水从水轮机的进水口灌入并通过出水口排 出 使水车机内的叶轮转动产生动能 动力由水车主 动链轮通过链传动给传动轴 经过传动轴使栽培槽的 两侧受力均匀 并通过整个链轮组的转动使栽培槽由 点至 点再至 点沿着支架滑道匀速地循环转动 保证栽培槽能够均匀地接受光照 调节阀的功能是 控制水流和栽培槽运转速度 栽培架的下部除水箱外 还包括营养液箱 栽培槽循环转动经过这个位置时可 以使栽培槽内基质浸没配置好营养液 随时满足植物 生长的营养需求 本设计的创新点除了水力产生动 力以外 注入水轮机的水可以根据不同的季节设置灌 入热水或者冷水 当水通过排水管道流动时 冬季可 利用热水对温室进行增温 夏季可利用冷水进行降 温 从而辅助提高或降低玻璃温室内的温度 叶轮 模拟选型 仿真软件简介 叶轮仿真试验主要运用 软件进行 目前 国内外学者利用 软件对水力驱动开 展了大量数值模拟研究工作 软件具有丰 富的物理模型 先进的数值计算方法和强大的前后处 理功能 可应用于从可压到不可压 从单相流到多相 流等几乎所有与流体相关的领域 仿真结果精度高 不同叶轮选型 叶轮机械是一种主体为连续旋转叶片 其能量在 流体等工作介质与带有叶片的叶轮之间相互转换的 动力机械 根据水力循环高架设施栽培装置中水轮 机的实际情况 设计了单列水斗型三叶轮 双列水斗 型六叶轮 单列直线型三叶轮和双列直线型六叶轮 种不同的叶轮 模型 在 中的标准 模型 公式中 需要求解湍动能及其耗散率方 程 其中 湍动能输运方程 方程是一个通过精确推 导得出的精确方程 耗散方程 方程是一个经验公 式 是通过物理推理 数学上模拟相似原形方程得到 的经验方程 基于非线性 模型的数值方法 可以 有效地再现湍流各向异性影响下的流动 标准 模型假设流动为完全湍流 分子粘性的 影响可以忽略 因此 标准 模型只适合完全是湍 流的流场模拟 模型可在 的 中选择 并在下面的 中选择 来设置 仿真模型建立 将二维叶轮简图导入 软件中 在叶轮 外取适当大小的正方形作为计算域 设定上方为进 口 下方为出口 然后划分网格 生成三角形网格 经 检验 网格没有出现负体积 质量好 满足后续仿真需 求 将划分的网格模型导入 软件中 选用基于 压力法的求解器 选择标准 两方程的湍流模型 采用 算法 设置上方为 下方为 其余部分为 建立仿真模型 仿真模拟及分析 利用所建立的仿真模型 模拟在同样水压以及水 量下水轮机内叶轮周围压力场与速度场变化情况 如 图 图 所示 第 期朱庆松等 水力循环高架设施栽培装置优化设计及试验分析第 卷 图 叶轮叶轮周围压力场 图 叶轮叶轮周围速度场 第 卷农机化研究第 期 由图 可知 叶轮受到的升力与推力的合力要大 于阻力 水轮机是能够运转的 且双列六叶轮受到的 合力明显大于单列三叶轮 有助于提高装置的自启动 性能 由图 可知 单列三叶轮并不存在相互干扰问 题 但在叶轮的背侧流速有明显改变 故在高流速的 环境下需要考虑叶轮背侧的流动速度 相对于单列 三叶轮来说 双列六叶轮周围流速更低 但双列六叶 轮存在一定的相互干扰问题 且双列水斗型六叶轮比 双列直线型六叶轮相互干扰问题更严重 因此 双列 直线型六叶轮更适合水力循环高架设施栽培装置中 水轮机 不同叶轮型式仿真结果分析如表 所示 表 不同叶轮型式仿真结果分析 叶轮类型最大正压力 最大负压力 最大速度 单列水斗型 双列水斗型 单列直线型 双列直线型 结论与展望 光照是农作物产量和品质形成的重要因素 通 过测量固定栽培架在不同角度时光照强度的大小及 利用 软件模拟光照遮挡 确定将 作为固定栽 培架设计的适宜角度 设计出的新型栽培架是以水力产生动力使栽 培槽匀速转动 绘制出了 型栽培架的二维图和结构 示意图 并分析了工作原理 为了使架式能够更直观 地表现出来 使用 软件建立 型栽培架三 维模型图 结合 软件 对水轮机叶轮选型进行了模拟 分析 通过分析单列水斗型三叶轮 双列水斗型六叶 轮 单列直线型三叶轮 双列直线型六叶轮 种不同 型式叶轮模拟后的水流压力以及速度分布情况 确定 了双列直线型六叶轮为其最佳选型 因高架设施栽培装置可实现标准化生产 空间 较大 便于机械手操作 可将智能采摘装置以及基质 自动填充 机械化移栽等应用于高架设施栽培装置 从而成为智能化程度较高的集成系统 参考文献 王江山 刘继展 赵升燚 等 高架草莓摆动式小型施药机 设计与试验 农机化研究 刘继展 彭海军 李男 等 高架栽培配套基质自动移动摊 铺机设计与试验 农业机械学报 王春玲 宋卫堂 赵淑梅 等 型栽培架组合方式对光照 及草莓生长和产量的影响 农业工程学报 宗静 刘宝文 草莓双层高架栽培模式的气象条件分析 北方园艺 张永豪 日光温室辣椒立体栽培架型研究 郑州 河南 农业大学 周明源 路河 王红清 不同栽培模式对草莓生长发育的 影响 中国蔬菜 吴杨焕 门雪杰 周进 等 不同栽培模式条件下草莓生长 发育特性比较 北方园艺 郑吉澍 邓顺华 李佩原 等 旋转立体栽培架补光系统设 计 农业工程 陈一飞 路河 刘柏成 等 日光温室草莓立体栽培智能 控制系统 农业工程学报 增刊 周子君 刘小波 叶志婵 等 高架草莓物联网栽培模式 应用研究 农业科技通讯 张豫超 杨肖芳 苗立祥 等 三种草莓立体栽培架型及 生产性能比较 浙江农业学报 纪开燕 郭成宝 童晓利 等 设施草莓立体无土栽培的 主要模式与发展对策 江苏农业科学 李男 刘继展 高架草莓移栽机控制系统设计与试验 农机化研究 下转第 页 第 期刘淑芝 养殖 测温定位电子耳标研究 基于智慧农业区块链第 卷 吴平 彭志民 技术在出口活牛育肥养殖管理中的 应用 农民致富之友 王玲 邹小昱 刘思瑶 基于 与 的羊场养殖 信息管理系统 农业机械学报 吕伟国 基于 物联网和 的奶牛精细养殖信息 管理系统 长春 吉林大学 梁坤 张哲纯 超高频 系统在奶牛养殖管理中的应 用方案 农机化研究 罗洋 射频识别前端模块的设计 西安 西安电 子科技大学 王会杰 无源 标签芯片前端模块电路的研究 与设计 长沙 湖南大学 田金峰 工艺无源与半有源 标签芯片射 频模拟前端电路研究 天津 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