基于CFD的人工光型植物工厂通风模拟与优化研究

摘要

人工光型植物工厂作为现代先进农业的发展形式，具有环境可控、安全卫生、生产周期短、能够使种植作物始终保持高质量生产等特点，在世界范围内迅速发展。在人工光植物工厂中，通风和空气循环下的强制对流可以控制生长环境并保持气候均匀。本论文以无作物的人工光型植物工厂作为研究对象，利用计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）构建三维植物工厂模型，模拟并探究不同通风模式下植物工厂内部气流场及温度场的分布情况。
　　1.利用计算流体力学软件建立人工光植物工厂三维模型，将整个植物工厂作为计算域划分网格并进行模拟计算。设计了侧进侧出式、侧进侧上出式、侧进上出式3种气流循环模式，并将试验植物工厂设置为上进侧出式。模拟结果表明:风速与温度的平均绝对误差、平均百分误差及均方根误差分别为0.12m/s、1.1℃;11％、4％;0.18m/s、1.3℃，模拟准确。3种优化模式的风速值、温度值及二者均匀性均优于上进侧出式。分析比较植物冠层平面风速及温度值，得出侧进侧出式为最佳气流循环模式。与上进侧出式相比，侧进侧出式平均风速增加0.51m/s，均匀性指标变异系数降低17％，平均温度降低0.5℃。
　　2.为人工光植物工厂设置两种管道式通风模式，方案1为侧壁进风口送风，顶部墙壁回风口回风，气流在管道底部风扇在压力作用下进入管道内部，并通过侧壁孔流入栽培架内部;方案2为气流直接由管道底部进入管道，并沿侧壁孔流入栽培架内部。利用CFD软件进行模拟并对比两种方案，结果表明:方案1中设定压力跃变值为150Pa，方案2中进风速度设定为3m/s时，作物冠层区域风速最适宜;两方案对比，方案2相较于方案1冠层区域风速更加适宜，且更加节约能源。
　　3.设计一种栽培面积为80.5m2的人工光型植物工厂，并为其设计四种气流循环模式，分别为上进侧出式（少回风口）、侧进上出式（少进风口）、上进侧出式（多回风口）、侧进上出式（多进风口）。利用CFD软件进行模拟并比较四种气流循环模式，结果表明:侧进上出式（多进风口）模式下冠层风速平均值最大，为0.90m/s，且＞1.0m/s的百分率最高。上进侧出式（少回风口）模式中风速位于0.3～1.0m/s的百分率最高，且均匀性最好;上进侧出式气流循环模式中，改变出风口个数，结果差别不大，侧进上回式气流循环模式中，改变进风口个数，对植物工厂内气流影响较大。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．1．1 人工光植物工厂发展现状

1．1．2 植物工厂发展中存在的问题

1．2 CFD在室内气流环境模拟中的研究现状

1．2．1 建筑室内通风环境模拟研究现状

1．2．2 CFD在植物工厂中应用现状

1．3 研究内容与方法

1．4 技术路线

第二章 植物工厂数值模拟基础理论

2．1 Fluent流体软件简介

2．2 数学模型

2．2．1 控制方程流体力学方程组

2．2．2 湍流模型

2．2．3 壁面函数

2．3 微分方程的离散及求解

2．3．1 微分方程的离散化

2．3．2 微分方程的求解及控制

2．3．3 计算流程

2．4 小结

第三章 基于CFD的人工光植物工厂气流场及温度场的模拟及优化

3．1 材料与方法

3．1．1 试验植物工厂

3．1．2 测点布置

3．2 植物工厂CFD模型

3．2．1 计算域与网格划分

3．2．1 边界条件设置

3．3 CFD仿真结果与验证

3．3．1 CFD仿真结果

3．3．2 CFD模型验证

3．4 气流循环组织优化设计

3．4．1 优化方案设计

3．4．2 优化模拟分析

3．4 小结

第四章 人工光植物工厂管道通风设计模拟

4．1 植物工厂管道通风设计

4．1．1 管道通风植物工厂设计方案1

4．1．2 管道通风植物工厂设计方案2

4．2 计算域选择与网格划分

4．3 边界条件设置

4．4 气流模拟结果分析

4．4．1 方案1气流场分析

4．4．2 基于不同压力跃变条件下的方案1管道通风优化

4．4．3 方案2模拟结果分析

4．4．4 基于不同进风速度条件下的方案2管道通风优化

4．4．5 两种管道通风植物工厂比较

4．5 小结

第五章 人工光植物工厂通风设计及模拟

5．1 植物工厂设计及计算域选择

5．1．2 不同送回风方式设计

5．1．3 计算域选择及模型建立

5．2 网格划分

5．3 边界设置

5．4 模拟结果分析

5．4．1 上进侧出式(少回风口)方案1

5．4．2 侧进上出式(少进风口)方案2

5．4．3 上进侧出式(多回风口)方案3

5．4．4 侧进上出式(多进风口)方案4

5．4．5 各方案对比

5．5 小结

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

作者简历