变风速条件下微型植物工厂传感器优化布置

DOI: 1011991/yykj201708002网 络 出版地址 : http: / /knscnkinet/kcms/detail/231191U201710260847004html变风速条件下微型植物工厂传感器优化布置贾 鹤 鸣1， 张 森1， 朱 柏 卓1， 朱 传 旭1， 邢 致 恺1， 杨 泽 文21 东 北 林业大学 机电工程学院 ， 黑龙江 哈尔滨 1500402 哈尔滨工程大学 自动化学院 ， 黑龙江 哈尔滨 150001摘 要 : 针对植物工厂内部传感器依据经验布置的局限性 ， 并且缺乏普适性和理论基础的问题 ， 为实现传感器最优布置 ，提出一种基于计算流体力学的方式 。参照实物模型相关参数和合理的假设条件 ， 通过设置监测点对微型植物工厂内部环境进行仿真 ， 对单热源和监测点位置进行仿真及分析 ， 根据模拟结果分析获得最佳热源位置 。在此研究基础上通过调整不同风速 、分析仿真数据 ， 确定适合不同风速下的传感器最优布置面 ， 为微型植物工厂中的植物生体信息检测提供更为精确的测量条件 。关键词 : 微型植物工厂 ; 流体力学模拟 ; 传感器优化布置 ; 风速调整 ; 监测点设置 ; 环境模拟仿真 ; 温度流场模拟 ; 植物信息检测中图分类号 : TP273 文献标志码 : A 文章编号 : 1009671X( 2018) 0100707Optimal placement of sensors in a miniature plant under variable wind speedJIA Heming1， ZHANG Sen1， ZHU Baizhuo1， ZHU Chuanxu1， XING Zhikai1， YANG Zewen21 College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China2 College of Automation， Harbin Engineering University， Harbin 150001， ChinaAbstract: In view of the limitation of experimental arrangement of the sensors in a plant factory and the lack of uni-versal and theoretical basis， in order to achieve the optimal sensor placement， a method based on computational flu-id dynamics was put forward In the method， the related parameters of physical model and reasonable assumptionsare referred to， monitoring points are provided to simulate the internal environment of the plant factory， single heatsources and monitoring points are simulated and analyzed On basis of the analysis of simulation result， the locationof the optimal heat source is obtained， therefrom， by adjusting different wind speeds and analyzing simulative data，the optimal sensor placement faces for different wind speeds can be determined The results can provide more accu-rate measurement conditions for the information detection of plant body in the miniature plant factoryKeywords: miniature plant factory; hydrodynamics simulation; optimized layout of sensor; adjustment of windspeed; arrangement of monitoring point; environmental simulation; temperature flow field simulation; plant infor-mation detection收 稿 日期 : 20170802 网络出版日期 : 20171026基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 31470714); 黑龙江省研究生教育创新工程项目 ( JGXM_HLJ_2016014) 作者简介 : 贾鹤鸣 ( 1983)， 男 ， 副教授 ， 博士 通信作者 : 贾鹤鸣 ， E-mail: jiaheminglucky99 126com现代化植物工厂内部小气候 控制愈发智能化 ， 各类 传感器得到广泛使用 。传感器的位置及反馈量直接决定内部控制系统的准确性 。植物工厂内部环境复杂且不稳定 ， 易受干扰 。传统传感器布置精确性不足极大的影响了控制系统的性能 。计算流体力学( computational fluid dynamics， CFD) 能够准确预测植物工厂内部微气候环境状况并提供仿真结果 ， 这将有助于在植物工厂内部找到最佳传感器的布置位置 。Okushima 1最先在温室透风研究中选用了流体力学 仿 真方法 ， 并采用 k 湍流模型来验证模拟内部流场是可行的 。Haxarie 等 2选 用 标准湍流模型模拟了温室在自然送风条件下的内部微环境分布情况 。赵凤启 3通 过 CFD 数值模拟内流场确定乘用车排气管氧传感器布置位置 。丁文彦 4采 用 9 个温 度传感器 ， 在距地高度 12 m 处 ， 3 个一组构成 3个采样通道 ， 将通道温度的平均值视作温室温度 。吴元中等 5将 温 室分区设置传感器 ， 并在外部安装探测仪来研究温度 。国内外现有的 CFD 仿真及实验大多未考虑变风速对内部流场的影响作用 ， 比较分析不同风速对微型植物工厂内部的传感器优化布书书书第 45 卷 第 1 期 应 用 科 技 Vol45 12018 年 2 月 Applied Science and Technology Feb 2018置的研究有待进一步开展 。本文以实验室搭建的微型植物工厂模型作为研究对象 ， 借助流体力学仿真软件 ， 参照实物模型相关参数进行合理假设 ， 建立仿真模型对内部环境进行仿真模拟 ， 根据模拟结果选择合适热源位置 ， 对单热源最佳位置和监测点位置进行仿真及分析 ， 最后探讨了变风速条件下传感器最优布置位置 。1 CFD 理论基础11 基本控制方程组111 质量守恒方程选择 Boussinesq 假设 6， 对于不可压缩均质流体 ， 质量守恒方程为ux+vy+wz= 0式中 u、v、w 分别是 x、y、z 方向的速度分量 ， m/s。112 动量守恒方程植物工厂内部空气为牛顿流体 ， 可视为不可压流体 7， 则动量方程可表示为( u)t+ div(Uu) =px+ div( ugradu)( u)t+ div(Uv) =py+ div( ugradv) refg 1 ( T Tref)( w)t+ div(Uw) =z+ div( ugradw)式中 : 是流体密度 ， 为气体的热膨胀系数 ， T 为当地开氏温度 ， Tref是参考温度 ， ref为该参考温度下对应的空气密度 ， U= ( u、v、w)是流体速度矢量 。113 能量守恒方程Boussinesq 假设中忽略了粘性耗散的影响 ， 则ST= 0，本文能量守恒方程形式为( T)t+ div(UT) = div(kcpgradT)12 湍流模型及数值计算湍流数值计算选用 ANS 方法 8。加热时植物工厂内部可视为湍流运动 9， 所以选用可实现 k- 模型 ， 其对应湍动能 k 和耗散率 的输运方程分别为 k( )t+ kUi( )xi=xj( u +utk)kxj +utuixjuixj+ujxi ( )t+ Ui( )xi=xj( u +ut)xj +c1E c22k + v槡式中 : xi、xj为坐标分量 ， Ui、Uj为速度分量 ， ut 为湍流粘度系数 ， v 为运动粘度系数 ， E 为时均应变张力 。经验常数 : c2= 192;k= 10;= 12。2 微型植物工厂数值模拟模型21 物理模型及简化211 基本假设1) 内部气体为不可压牛顿流体且满足 Bouss-inesq 假设 ; 2) 近壁面处流体速度为零 ; 3) 热风机送风温度恒定 。212 模型简化1) 培养箱与工作箱相互独立 ， 气密性良好 ， 加热过程中忽略彼此间影响 ; 2) 忽略通风口及内部复杂设备 ， 仅考虑单热风机 ; 3) 内部植物生长区的平均温度为计算温度 ; 4) 通过实测 ， 将植物工厂和热风机简化为立方体 。22 数值模拟模型221 选择计算域选择植物工厂内部空间作为计算域进行三维仿真 ， 如图 1 所示 。计算域大小为 2 m2 m1 m，热风机大小为 04 m02 m，进出风口大小为 04 m02 m。图 1 微型植物工厂计算域222 网格划分使用 Gambit 划分网格 ， 选用结构化网格 ， 如图 2所示 ， 步长选择 05， 类型选择 Hex， 形式选择 Submap。图 2 计算域网格划分223 设置 CFD 参数和边界条件1) CFD 参数计算模型 : 激活能量模型 ; 选择可实现 k- 模型 10、增强型壁面函数 ( EWT);操作环境 : 重力加速度 981 m/s2， 方向为 y 轴负半轴 ;8 应 用 科 技 第 45 卷材料物性 : 培养箱壁面材料选用玻璃 ， 密度2 220 kg/m3， 比 热 容 830 J/( kg )， 导 热 率115 W/( m) 热风机壁面材料选择 ABS 树脂 ，密度 1 050 kg/m3， 比热容 1 591 J/( kg)， 导热率 025 W/( m) 。2) 边界条件边界条件与初始参数如表 1 所示 。表 1 边界条件与参数设置边界定义 边界条件 参数设置热风机出口 VELOCITY-INLET速度 14 m/s、温度 31315 K湍流强度 5%水力直径 1152 cm热风机入口 OUTLOW热风机壁面 WALL 绝热培养箱壁面 WALL温度 28715 K对流传热系数 64 W/( m2K)培养箱底面 WALL温度 28615 K对流传热系数 45 W/( m2K)注 : 求解器参数 : SIMPLEC 二阶迎风格式 ， 内部初始温度设定 28815 K。3 变风速条件下植物工厂温度场的仿真分析31 温度场均匀性指标1) 设置监测点在生长区选择监测点 ， 排 除 边 缘 效 应 影响 1113。设定生长区在高度 0408 m 之间 ， 平面分别设为 y=04 m(平面 a) 、y=06 m(平面 b) 和 y=08 m( 平面 c) 且各设置 5 个监测点 。平面 a 中监测点 xz 坐标位置分布如图 3 所示 。其余两面监测点分布同 a 面 。图 3 平面 a 监测点设置生长区平均温度即 15 个监测点的平均温度 。仿真中监测 15 个监测点温度的平均值 、标准差 、最小值及最大值 。2) 均匀性指标采用 15 个监测点温度的标准差衡量温度场均匀性好坏 ， 标准差越小则均匀性越好 。均匀性指标如式 ( 1) 所示 。J =1NNi = 1( T Ti)槡2( 1)式中 : N 是监测点个数 ， T_是所有监测点的平均温度 ，Ti是监测点 i 的温度 ， J 是所有监测点的标准差 。32 单热风机布置位置对温度场均匀性的影响321 单热风机最佳位置的选择采用 Fluent 模拟单热风机 6 种放置方案达到不同目标温度时植物工厂内部温度场分布情况 。方案分两类 ， 如图 4 所示 。一类是放置在侧壁面距地高度 08、06、04 m 处 ， 沿 y 轴负方向送风 ; 另一类是放置在底面距侧壁 04、06、10 m 处 ， 沿 x 轴负方向送风 。图 4 单热风机位置目标温度取 298 15 K ( 25 ) 、300 15 K( 27 ) 、30215 K( 29 ) 。仿真结果如表 2 所示 ，最大温差及标准差变化趋势如图 5 所示 。表 2 仿真结果 K方案目标温度最大温度最小温度最大温差标准差a12981530015302153046430485305472944829654302121016831335301299118a2298153001530215300453013530317297232989430006322241311127117095a3298153001530215299163018530386297192985630084297329302112089081b1298153001530215299183011530315297122992630137216189178065052059b2298153001530215299223011030291297292994330137193167154064049052b32981530015302152991830194303022972430041301871941531150610430329第 1 期 贾鹤鸣 ， 等 : 变风速条件下微型植物工厂传感器优化布置( a) 最大温差( b) 标准差图 5 最大温差及标准差柱状图由表 2 可知 ， 不同目标温度时 ， 生长区最大温差及温度标准差变化趋势基本一致 。由图 5 变化趋势可知 ， 热风机位于侧壁面时 ， 随着高度的下降 ， 最大温差及标准差均下降 ; 位于底面时 ， 二者下降趋势不明显 。相同目标温度时 ， 热风机放置在底面比放置在侧壁面时的最大温差和标准差小 ， 内部温度场均匀性较好 。针对同一方案 ， 不同目标温度时 ， 随着温度的上升 ， 生长区最大温差及标准差开始下降 ， 内部均匀性则呈上升趋势 。目标温度取 30215 K 时 ， 方案 6 均匀性最好 ， 此时最大温差为 115 K， 标准差为032。分析表明方案 6 放置在底面中心位置较合理 ， 便于设置传感器 。322 单热风机最优放置时传感器的布置热风机放置在底面时 ， 热风机出口及回风口处温度变化梯度较大 ， 但对生长区温度均匀性影响较小 。选用方案 6， 比较生长区温度场及上下壁面温度场分布 ， 选取温度分布均匀区域放置传感器 。热风机放置在底面时 ， 热风机出口及回风口处温度变化梯度较大 ， 但对于上部植物生长区温度场均匀性影响较小 。图 6 是温度场矢量图 ， 由于热风机出风口位于左侧 ， 会在左侧区域形成高温区域 ， 影响均匀性 ， 其余区域温度稳定 ， 变化趋势小且分布相对均匀 。热风以射流形式流出 ， 受重力及密度影响 ， 沿 x轴负方向运动同时向上移动 。热风由于温度较高会与周围空气进行对热换流 ， 造成出口附近形成大面积高温区域 ， 热风到达侧壁后沿壁面向四周移动 ， 在上升过程中与周围冷空气的对流换热持续进行 ， 但是换热量逐渐减少 。热风到达顶部后热风与周围空气的温差变小 ， 此时重力影响大于热浮力影响 ， 气流开始向下移动并进入热风机的进风口 。图 6 平面 z=1温度场矢量图图 7 为上 、下壁面温度场分布云图 。由图 7 可知 ， 上下壁面温度场分布差异性非常明显 ， 温度普遍偏低且均匀性较差 。上壁面最大温差为 502 K， 相邻等温线最大温差约为 07 K; 下壁面最大温差为646 K， 相邻等温线温差约为 071 K。图 7 上 、下壁面温度场分布云图在距地高度 0208 m 设置 8 个水平截面 ， 间距 01 m。部分截面温度场如图 8 所示 ， 随着高度的上升左侧高温区域呈下降趋势 。在靠近壁面边界的极小区域温度较低 ， 但不影响生长区温度场均匀性 。水平截面 y=02 m， y=03 m中部出现多个温度区域 ， 均匀性明显较差 ， 随着高度的上升 ， 中部低温区逐渐减少 ， 当高度达到 05 m 时两块低温区基本消失 ， 当高度超过 06 m 时 ， 右侧开始出现高温区域 ，均匀性开始下降 。( a) y=02 m01 应 用 科 技 第 45 卷( b) y=03 m( c) y=04 m( d) y=045 m( e) y=05 m( f) y=055 m( g) y=06 m( h) y=07 m图 8 部分截面温度场分布云图缩小截面间距 ， 比较水平截面 y= 045 m、y =05 m、y= 055 m 温度场均匀性 。截面中部区域温度场差异性体现在回风口一侧边缘低温区的范围 。y=045 m 平面低温区域较大 ， 3 个截面最大温差分别为 256、216、215 K， 相邻等温线温差分别为 06、056、054 K。水平截面 y = 055 m 平面上 ， 生长区温度场均匀性最好且形成的温度区域少 。由于出风口温度较高 ， 造成热风机高度以下区域温度较高 ， 温差大 ， 因此在垂直面设置传感器不合理 ， 应水平布置 。若考虑内部作物位置 ， 则传感器布置时应在平面 y=055 m上居中合理选点 。仿真实验也验证了经验布点时传感器尽可能居中布置的做法 。33 不同风速下生长区温度场分布在方案 6 基础上 ， 提供不同风速 ， 比较水平截面y=045 m、y=05 m、y=055 m 温度场均匀性 。只改变风速 ， 目标温度取 30215 K。风速范围选择 1226 m/s， 梯度选择 02 m/s。温度场标准差变化趋势如图 9 所示 ， 仿真结果如表 3 所示 。图 9 标准差变化趋势改变风速内部温度场均匀性也会改变 。由图 9可知 ， 同一温度下 ， 随着风速的增加 ， 3 个截面温度场的最大温差及标准差均出现下降趋势 。当风速小于 18 m/s 时 ， 截面 y=055 m温度场最大温差及标准差始终最小 ， 符合最优布置标准 。当风速大于18 m/s时 ， 3 个截面的标准差曲线图出现交叉 ， 最佳布置面发生变化 。为使布置面适用于多数风速 ， 设置风速 25、3 m/s仿真 ， 部分截面温度云图如图 10 所示 。风速为 25 m/s 时 ， 截面 y=065 m温度场最均匀 ; 高度11第 1 期 贾鹤鸣 ， 等 : 变风速条件下微型植物工厂传感器优化布置小于 065 m 时 ， 随着高度上升右侧边缘低温区域面积逐渐减小 ， 高度达到 065 m 时 ， 低温区域几乎消失 ; 高度大于 065 m 时随着高度上升 ， 左侧高温区域面积变大影响均匀性 。风速为 3 m/s 时 ， 截面 y=06 m 温度场最均匀 ; 高度小于 06 m 时 ， 右侧靠近角落边缘会出现低温区域 ; 高度大于 06 m 时右侧会出现 2 条高温区域 。表 3 不同风速仿真结果风速 /( ms1)水平截面 最大温度 K 最小温度 K 标准差12y=045 my=050 my=055 m30393303743035930103300943005207304804814y=045 my=050 my=055 m30392303733036130122301013004806404903716y=045 my=050 my=055 m30382303733036230194300893004906606005118y=045 my=050 my=055 m30388303723036030118300733006205905104820y=045 my=050 my=055 m30384303743036330123300763004305204504722y=045 my=050 my=055 m30382303713036130132300713004005204504724y=045 my=050 my=055 m30376303713037230130300653004405004304626y=045 my=050 my=055 m303753037630381301233007630054044048036( a) 风速 25 m/s 时 ， 平面 y=06 m( b) 风速 25 m/s 时 ， 平面 y=065 m( c) 风速 25 m/s 时 ， 平面 y=07 m( d) 风速 3 m/s 时 ， 平面 y=05 m( e) 风速 3 m/s 时 ， 平面 y=06 m( f) 风速 3 m/s 时 ， 平面 y=07 m图 10 部分截面温度云图21 应 用 科 技 第 45 卷3 个截面高度取平均值即选用平面 y=06 m 作为传感器布置面 ， 传感器位置可选用监测点的位置 ，也可以根据作物占据空间等实际情况在该平面合理调整 。4 结束语借助 CFD 软件对温度环境进行模拟 ， 定性考虑内部温度场分布 ， 将传感器布置在生长区温度场均匀性良好的的中间位置 ， 可以提高传感器的精确性并减少其使用数量 。由于植物工厂自身保温能力有限 ， 内部微环境易受外界环境变化影响 。通过温度云图会发现仅考虑热风机时 ， 热风机进 、出风口两侧区域温差大 。因此对于更精确的布置 ， 可考虑增设内循环风扇及内部微气候的实时变化 。参考文献 : 1 王福军 计算流体动力学分析 : CFD 软件原理与应用 M 北京 : 清华大学出版社 ， 2004: 150156 2 赵凤启 ， 李守成 ， 时岩 基于 CFD 数值模拟的氧传感器位置研究 J 机械 ， 2013， 40( 1): 4144 3 金玲 ， 刘妍华 CFD 在温室室内环境研究中的应用 J 安徽农业科学 ， 2012， 40( 7): 44164418 4 邢兰 倾斜式日光温室冬季热环境的模拟研究 D 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学 ， 2006: 5054 5 陈教料 ， 胥芳 ， 张立彬 ， 等 基于 CFD 技术的玻璃温室加热环境数值模拟 J 农业机械学报 ， 2008， 39( 8):114118 6 程秀花 ， 毛罕平 ， 伍德林 ， 等 玻璃温室自然通风热环境时空分布数值模拟 J 农业机械学报 ， 2009， 40( 6):197201 7 刘雁征 ， 滕光辉 CFD 软件在温室传感器优化布置中的应用 C / /农业工程科技创新与建设现代农业 2005年中国农业工程学会学术年会论文集第五分册 广州 :中国农业工程学会 ， 2005: 2024 8 谭胜男 基于 CFD 的现代化温室环境数值模拟与优化研究 D 南京 : 南京农业大学 ， 2013: 1822 9 程秀花 温室环境因子时空分布 CFD 模型构建及预测分析研究 D 镇江 : 江苏大学 ， 2011: 4042 10 李兆力 温室微气候数学建模与动态模拟 D 天津 :天津大学 ， 2004: 3337 11 贾鹤鸣 ， 宋文龙 基于松弛序列法的温室传感器优化布置研究 J 森林工程 ， 2015， 31( 5): 8285 12 罗孟德 ， 贾鹤鸣 ， 赵文科 ， 等 微型植物工厂营养液循环控制系统设计 J 科技创新与生产力 ， 2017( 5):7074 13 贾鹤鸣 ， 朱传旭 ， 宋文龙 ， 等 基于嵌入式控制器的微型植物工厂系统设计 J 森林工程 ， 2017， 33( 4):5864本文引用格式 :贾鹤鸣 ， 张森 ， 朱柏卓 ， 等 变风速条件下微型植物工厂传感器优化布置 J 应用科技 ， 2018， 45( 1): 713JIA Heming， ZHANG Sen， ZHU Baizhuo， et al Optimal placement of sensors in a miniature plant under variable wind speed J Ap-plied science and technology， 2018， 45( 1): 71331第 1 期 贾鹤鸣 ， 等 : 变风速条件下微型植物工厂传感器优化布置