食用菌种植过程培养料通风发酵模拟研究

郑子乔，罗 星

（中国农业大学 烟台研究院，山东 烟台 264670）

食用菌种植过程培养料发酵质量与人们健康之间的关系十分密切，食用菌种植过程培养料发酵方式，或多或少存在着高温气体[1]，对食用菌的种植造成一定的影响。培养料发酵的目的主要是增加原料的腐熟程度，杀灭料内细菌，杂菌，和虫害。通过发酵后的培养料发酵对食用菌种植的吸收效果更加明显，所以对培养料进行发酵处理，是十分有必要的。由于培养料发酵中会释放高温气体，导致食用菌种植过程培养料发酵氧气含量得不到保障。这些高温气体中还存在致癌物质，因此食用菌种植过程培养料发酵通风设计变得尤为重要[2]。随着人们对食用菌种植过程中氧气含量的关注度越来越高，该领域相关学者提出了很多有关食用菌种植过程培养料发酵通风设计的可行方案。

通风可有效降低食用菌种植过程培养料发酵过程高温气体的含量，对食用菌种植过程种植人员的工作和生活十分重要[3]。针对上述食用菌种植过程培养料发酵通风相关设计方法存在的问题，提出利用数值模拟方式将轴流风机应用在食用菌种植过程培养料发酵通风设计中。

1 基于轴流风机的食用菌种植过程培养料通风发酵模拟

1.1 轴流风机控制数学模型和边界条件

根据经验可知，在食用菌种植过程培养料发酵通风设计中，食用菌种植过程培养料发酵固体壁面充分发展下的湍流流动能够分成湍流核心区域与近壁区域两部分，由此湍流流动控制方程组会随流动所处位置不同而不同[4]。

经研究发现，RNGκ-ε模型能够很好地处理高应变率和流线弯曲程度比较大的流动情况。因此，在湍流中心位置使用RNGκ-ε模型。由单一介质、不可压缩和风机运行中无热量交换假设可知，控制方程组无需考虑组分方程与能量方程，仅包含连续性方程和动量方程、κ方程以及ε方程即可。

综合以上轴流风机控制数学模型分析，设置轴流风机食用菌种植过程培养料发酵通风数值模拟边界条件和初始参数。

针对轴流风机在食用菌种植过程培养料发酵通风设计中的应用，构建由集流器进口至扩散器出口的全场流几何模型，再选择适合的湍流模型。以上述内容为基础，对轴流风机全场流中三维湍流流动通过CFD软件实现数值计算。

选择一个食用菌种植大棚，食用菌种植过程培养料发酵的空气流速比较低，可当作不可压缩流体；食用菌种植过程培养料发酵过程含有的高温气体依照恒定速率挥发；空气的物理性质是定值，并且不会产生化学反应；根据该前提假设，可有效提升研究结果与实际情况的拟合度。

三维流场模型边界条件为：流体是常温下的空气。把轴流风机入口设定为质量流量入口，在集流器和流线罩构建的流体区域和第一级叶轮流道区域间、一级叶轮流道区域和二级叶轮流道间、二级叶轮流道和扩散器构成的流体区域间设定为混合面。轴流风机前后两级叶片和轮毂都为静墙。

1.2 模型构建

轴流风机的内部构造与流道形状十分复杂，以更加合理地反应风机内部流场特征为目的，要对风机内部关键位置进行网格加密[5]。结合食用菌种植过程培养料发酵通风特性和通风机内部各个部件结构特性，在构建通风机内部全流场几何模型过程中，采用分区分块方式，将整个几何模型划分成集流器、前后级动叶轮、前后级导叶轮与扩散器几个区域。等几个子区域流场模型生成之后，依据各子区域流场的几何模型端面交界种类将各子区域沿着轴向进行连接，以此生成全流场几何模型。

全流场几何模型选用专用模型制作软件构成。对构建的全流场几何模型进行网格生成处理，进而实现轴流风机食用菌种植过程培养料发酵通风设计的有限元模型构建。

网格不仅是计算流体力学模型，即CFD的几何表征形式，还是模拟和分析的载体。网格质量对于流体力学模型的精准计算十分重要。鉴于基于轴流风机的食用菌种植过程培养料通风发酵模拟中的几何模型是十分复杂的3D几何模型，因此，选用非结构化网格，网格划分中的网格单元选择的是四面体单元。通过精细化的网格划分，判断轴流风机疏散食用菌种植过程培养料发酵高温气体最佳参数，进而最大程度降低食用菌种植过程培养料发酵高温气体。

网格是计算区域离散的基础，也是食用菌种植过程培养料发酵通风设计精细化的依据。合理的网格分布可以提升数值计算效率，节省计算时长，还能够充分考虑流场中关键结构对于流场参数大体分布的影响。

上述已经将食用菌种植过程培养料发酵通风整个流场几何模型依据轴流风机部件分为集流器等若干子区域。在网格生成过程中，也需要将轴流风机全流场依照这些子区域分别生成，同时进行不同程度的加密。

当前针对复杂区域流场计算相关问题大多是经专用网格生成软件生成的。在此，也使用专用网格生成软件生成轴流风机有限元模型，如图1所示。

图1 轴流风机网格划分Fig.1 Axial fan meshing

2 实验结果与分析

为验证基于轴流风机的食用菌种植过程培养料通风发酵模拟有效性，在以下几方面验证所提方法。

1）轴流风机数值模拟下的风速分析

针对食用菌种植过程培养料发酵通风具有的特殊性质，轴流风机的风速不可太高，不然会影响食用菌种植过程种植人员舒适程度和正常活动，轴流风机运行工作频率为50 Hz时的食用菌种植过程培养料发酵风速矢量如图2所示。

由图2 a中可知，轴流风机附近气流速度比较大，高速气流和扇叶以及风机内部壁面之间摩擦会生成部分噪声。由图2 b可知，当轴流风机运行工作频率为50 Hz时，食用菌种植过程培养料发酵气流总体可以保持一个较为平稳与低速的状态，但风机出口位置风速相对比较大，这符合了风机实际抽风排风特性。

图2 风机工作频率为50 Hz时食用菌种植过程培养料发酵风速矢量分布Fig.2 Vector distribution of fermenting wind speed of culture material in edible fungus culture process when the power frequency of the fan is 50 Hz

2）为了进一步验证所提方法可行性，分别在食用菌种植过程培养料发酵高温气体浓度去除率、模拟情况与实际值拟合度两方面验证基于轴流风机的食用菌种植过程培养料通风发酵模拟运行效果。实验结果如下。

图3 不同方法食用菌种植过程培养料发酵高温气体浓度去除率对比Fig.3 Comparison of removal rates of high temperature gas in fermentation medium of different culture methods

分析图3可知，参考文献[4]方法和参考文献[5]方法在不同实验次数下，食用菌种植过程培养料发酵高温气体浓度去除率曲线波动比较大，且整体较低，可靠性较差。所提方法利用数值模拟的方式使用轴流风机进行食用菌种植过程培养料发酵通风设计时，通过精细化的网格划分，判断轴流风机疏散食用菌种植过程培养料发酵高温气体最佳参数，进而最大程度降低了食用菌种植过程培养料发酵高温气体。

模拟情况与实际值拟合度表示研究方法考虑周全与否，该值越高，则表示提出方法鲁棒性越强。由图4可知，在进行数值模拟前，所提方法设置了边界条件，并且采用分区分块方式，将整个几何模型划分成集流器、前后级动叶轮、前后级导叶轮与扩散器几个区域，考虑轴流风机实际运行状况与食用菌种植过程培养料发酵环境，有效提升了模拟情况与实际值拟合度。

图4 不同方法模拟情况与实际值拟合度对比Fig.4 Comparison of simulation results and actual values of different methods

3 结语

针对当前食用菌种植过程培养料发酵通风设计方法存在的问题，提出基于轴流风机的食用菌种植过程培养料通风发酵模拟方法。利用构建轴流风机控制数学模型和设置边界条件为数值模拟奠定基础，通过网格精细化划分构建轴流风机有限元模型，完成轴流风机食用菌种植过程培养料发酵通风数值模拟。经验证，轴流风机可有效去除食用菌种植过程培养料发酵高温气体，含氧量得到有效的补偿，各方面性能良好。