基于CFD的植物工厂冠层微环境管道通风效果模拟

方 慧，伍 纲，程瑞锋，仝宇欣

基于CFD的植物工厂冠层微环境管道通风效果模拟

方 慧，伍 纲，程瑞锋，仝宇欣※

（1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2. 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081）

为增加植物工厂多层栽培模式中作物冠层内部气流扰动，该研究设计了一种冠层微环境管道通风装置，利用计算流体力学软件（Computational Fluid Dynamics，CFD）构建三维栽培模型。在模型中，将植物冠层区域考虑为多孔介质，多孔介质的黏滞阻力系数为25，惯性阻力系数为1.3；LED灯管设置为热源模型，热源模型散热量为297 525 kW/m3。利用模型模拟并实测入口速度为8 m/s时植物冠层表面和上部空间气流速度，发现空气流域的平均误差为16%，模拟值与实测值吻合较好。利用验证的模型模拟不同入口速度下植物冠层的气流分布，结果表明：进气速度设置为8 m/s，该速度下植物冠层内部适宜速度区域体积占比为67.58%，冠层表面适宜速度区域面积占比为55.23%，冠层内部气流平均速度为0.14 m/s。研究表明植物工厂冠层微环境管道通风模式能有效增加冠层气流扰动。

通风；植物工厂；气流速度；多孔介质；CFD

0 引 言

植物工厂是一种通过设施内环境高精度控制实现作物周年连续生产的高效农业生产方式，单位面积蔬菜产能可达露地40倍以上，被认为是保障食物安全的重要途径之一，受到世界各国的广泛重视[1-4]。规模化、集约化和智能化的植物工厂生产方式已成为未来农业的发展趋势。现阶段，植物工厂环境调控主要通过气流循环解决，送风的方式对植物工厂微环境有着决定性作用，直接影响系统内部的温度、气流速度、区域温差以及通风调温系统能耗等方面。

在植物工厂生产中为节省室内空间，植物工厂以多层式栽培方式为主。一般栽培床层间距为30～40 cm，去除作物的生长高度，作物冠层以上空间非常有限，尽管植物工厂设计的气流较大，但由于作物和栽培床的阻挡，导致气流在作物周围形成绕流，在栽培架的中间位置，气流速度几乎为零，使得植物生长环境中气流不均匀，影响作物蒸腾速率和光合作用，容易诱导植物生理性病害发生，尤其以叶烧现象最为普遍[5-8]。Hesham等[9]研究认为植物工厂叶烧的主要原因是内部气流分布不合理引起。由于植物工厂内部气流分布不均匀，过道风速较大，植物冠层风速较低，从而导致植物运输钙离子的能力降低，加之植物工厂内部作物生长速率较快，使得作物新叶片钙的浓度降低，从而使植物叶片缺钙形成叶烧，该缺钙现象并非是由于植物根部吸收钙不足导致的，而是由于植物对钙离子的转运能力不足，导致没有足够的钙来供给植物生长从而发生叶烧现象[9]。为减少叶烧现象，最有效的办法是增加作物冠层气流速度。在作物气流速度研究方面，Kitaya等[10-12]通过试验表明气流速度在0.02～1.30 m/s范围内，随着气流速度的提升，黄瓜叶片净光合速率和蒸腾速率作用分别增加了1.2和2.8倍，该研究结果表明作物冠层气流速度的增加，对作物光合和蒸腾速率有积极的影响。作物冠层的低速区域会影响作物蒸腾速率及其与环境间的对流换热，进而影响作物微环境温度[13-14]。

为优化植物冠层区域气流速度分布，设计合理的植物工厂通风模式，本文从通风管道气流分流原理出发，理论上分析气孔分布对气流均匀性的影响，以确定气孔数量及分布；以植物工厂种植生菜为例（L...）通过CFD模拟试验，探明在植物和LED灯管影响下，最优的进气速度，以期为植物工厂通风设计提供参考。

1 计算模型与验证试验

1.1 模型构建与网格划分

植物工厂单层栽培架如图1所示。栽培空间高度为400 mm，栽培板长1 500 mm，宽700 mm，共32个定植孔（4行8列），孔横向间距为130 mm，纵向间距为170 mm；LED灯管长1 200 mm，7根灯管均匀布置于顶部，灯管间距为80 mm。通气管道主管布置于栽培槽一侧，支管布置于栽培孔行间，共3行，气流通过支管上的通气孔进入植物冠层。根据Colin等[15]研究表明多孔通气管的管径比（气孔总面积/管横截面积）为1.0～1.5时，每个通气孔的气流分配较均匀。通气装置主管道选用内径为36 mm的PVC软管，根据孔径比要求，支管选用内径为20 mm的PVC管。为保证气流能均匀流入到植物冠层，根据支管孔径比要求和常规钻头尺寸，每根支管上设置个38个通气孔（2行19列），孔径为4 mm，孔间距为70 mm，计算得到通气孔的管径比为1.5。

利用CFD模型中的Design Modeler模块构建单层栽培空间模型，将构建的模型输入到ANSYS Meshing模块中，利用Proximity and Curvature方法对几何体进行网格划分，并对支管出气孔和LED灯管进行网格进行加密处理，共生成4 126 129个网格，820 592个节点，利用skewness计算出网格最大偏斜度为0.7，最小偏斜度为6.0×10-6，平均值为0.23，网格质量优，可用于案例模拟分析[16]。

1.2 模拟方程

1.3 材料属性与边界条件

根据前期测试，通风管道布置于栽培层一侧，管径为50 mm时，管道入口处的最优气流速度应为3 m/s[19]，即最优气体流量为6.0×10-3m3/s。本研究为增加植物内部气流扰动，将通风管道设置于植物冠层内部，入口处通风管内径为36 mm，以气体总流量为定值，则入口风速需达到5.9 m/s。本设计将通风管道直接布置于植物冠层内部，势必会增加气流阻力，因此需增加气流速度。为优化植物冠层内气流速度分布，本模拟研究设置4个气流入口速度，分别为6、7、8和9 m/s，入口气流温度设定为24 ℃。栽培装置模型上端和下端设置为壁面（Wall）；四周设置为压力出口（Pressure outlet），出口回流温度为操作环境温度24 ℃。模拟计算中涉及的材料包括空气、植物、铝和玻璃，各材料热物理属性参数如表1所示。

表1 材料热物理参数

模型中为考虑植物阻挡和灯管散热对气流的影响，将植物考虑为多孔介质，灯管设置为热源边界。

1.3.1 植物多孔介质参数

植物对气流有一定的阻力，会导致气流动量损失，进而对植物工厂内部通风环境产生负面影响。在CFD模型中将生菜假设为多孔介质，根据Darcy-Forchheimer定律，生菜对气流的阻挡压降梯度为

1.3.2 LED灯管热源参数

LED灯管电光转化效率与芯片材料和制作过程有关。Nelson等[21]测试不同类型LED灯珠发现，红色灯珠和蓝色灯珠的电光转化效率分别为32%和49%。本试验以植物工厂中常用红蓝组合LED灯管为例计算灯管热功率。LED灯管由220颗红灯珠和20颗蓝组成（型号：IGL-T8-36B1R11，广州市智卉光田农业科技有限责任公司），红灯珠电功率为0.15 W，蓝灯珠电功率为0.21 W。灯管散热功率计算式为

LED灯管由灯罩、灯珠芯片和散热铝板组成。在CFD模型中可将LED灯管简化为玻璃灯罩和铝基板散热器[20]，LED灯管模型如图2所示，灯管直径为20 mm，铝基板截面宽度为17 mm，高度为4 mm，散热器热流密度计算式为

1.4 验证试验

为验证模型，于2021年6月20日在试验型植物工厂栽培架中布置通风管道进行通风试验。植物工厂位于中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所内，植物工厂规格（长×宽×高）为4.1 m×2.3 m×2.6 m。管道风机转速通过调压器调节（TDGC2-0.5KVA，德硕智能电器有限公司）。通风管入口处气流速度为8 m/s，气流温度为24 ℃，植物工厂环境温度为24 ℃。对植物工厂单层栽培装置中成熟期生菜冠层内部和上部空气流域的气流速度进行测试，测点布置如图3所示。在中间位置的LED灯管正下方布置30个测点，分布于栽培层上部、中部和生菜冠层表面，用于记录气流速度。气流速度测量选用红外热线风速仪（Climomaster6501-BG，日本加野麦克斯公司），测量范围为0.01～5.00 m/s，测量精度为标准值的±2%。

上部空气流域测点Measured points in the up air interior；中部空气流域测点Measured points in the middle air interior；冠层表面测点Measured points on canopy Surface

2 结果与分析

2.1 模型验证

为验证模型结果的准确性，在试验型植物工厂中进行管道通风试验，试验期生菜种植密度为22棵/m2。风管进气口气流速度为8 m/s，试验装置运行稳定后取温度值和气流速度值。

气流速度模拟结果与实测结果对比如图4所示。从图4可以看出冠层上部空气流域的气流速度模拟值与实测值较接近。空气流域20个气流速度测点的平均误差为16%；植物冠层10个气流速度测点的平均误差较大为23%。空气流域的模拟值与实测值比较接近，但在植物冠层表面模拟值与实测值误差较大，其主要原因是在模型中将植物设置为均匀的多孔介质，而在实际生产中植物并非均匀物质，植株内部孔隙度较小，而植株与植株间的孔隙度较大，且由于气流的干扰，植物呈现波动状态，进而影响气流速度。

2.2 进气速度对冠层表面气流分布影响

植物工厂常规通风模式中，由于作物冠层外部叶片对气流的阻挡，导致冠层内部风速小，甚至出现停滞区，通风效率较低[22]。为了突破冠层边界层阻力及叶片封闭效应，本试验将通风管道置于栽培板上。气流通过通风管道气孔进入作物冠层，由于叶片的阻挡，气流在作物冠层内部发生绕流，从叶片空隙流入到周围环境中。图5为不同进气速度下生菜冠层表面气流分布云图。从图5可以看出延气流流向，冠层表面气流速度较大。随着入口气流速度的增加，高速区域面积逐渐向外延展扩大。通过计算冠层表面面积加权的平均速度得到，当进气速度为6、7、8和9 m/s时，冠层表面的平均速度分别为0.11、0.13、0.15和0.17 m/s。

Kitaya等[23]的研究表明植物冠层内部气流速度从0.01增加到0.2 m/s时，能有效增加植物蒸腾速率和净光合速率，气流速度从0.2增加到1.0 m/s，蒸腾速率持续增加，但当气流速度从0.5增加到1.0 m/s时，净光合速度稳定不变。Goto等[24]的研究表明植物冠层表面气流速度在0.3～1.0 m/s时，能有效降低叶烧病发生率。为比较不同入口速度下植物冠层气流分布特征，将冠层气流速度分为停滞区（<0.1 m/s）、适宜区（0.1 m/s≤≤1.0 m/s）和高速区（>1.0 m/s），利用CFD软件计算植物冠层气流速度分别在停滞区、适宜区和高速区的面积占冠层总面积的比例，如表2所示。当进气流速为6 m/s时，冠层表面停滞区域的面积较大，占总表面积的66.67%。为减少停滞区域面积，将进气速度逐步提高到7、8和9 m/s，并利用CFD进行模拟，发现随着进气速度的增加，停滞区面积所占比例由66.67%降低到31.43%，适宜区面积所占比例由33.33%增加到68.57%，且冠层表面未出现高速区域。

表2 不同进气速度下冠层表面气流速度分布比较

2.3 进气速度对冠层内部气流分布影响

气流经管道小孔进入作物冠层内部，增加冠层内部气流扰动，在一定程度上能改善植物内部环境。在冠层内部轴方向选取=224 、715和1 274 mm截面如图6所示，截面通过延气流方向的第3排、10排和第18排通气孔。速度分布云图如图7所示，由图7可以看出，不同进气速度下植物冠层内部气流分布轮廓一致。气流在管孔附近速度较大，进入植物冠层区域后逐渐衰减，在气孔夹角间存在停滞区域。通过计算冠层内部体积加权平均值发现，进口处气流速度为6、7、8和9 m/s时，植物冠层内部的平均速度分别为0.10、0.12、0.14和0.16 m/s。

随着入口速度的增加，停滞区域体积所占比例减少，但高速区域体积所占比例增加。进口处气流速度分别为6、7、8和9 m/s时，速度适宜区域体积占比分别为42.84%、52.36%、67.58%和77.08%（表3），高速区域体积比分别为0.01%、0.02%、0.04%和0.06%。虽然高速区域体积比较小，但通过测量发现，当气流速度由6增加到9 m/s时，气孔高速区域与管道外壁最大垂直距离由40增加到60 mm，通风管道半径为10 mm，即高速区域距离管中心的距离由50增加到了70 mm。在实际生产中，栽培孔间距为130 mm，通风管道布置于植物株间，管孔附近的高速区域距离管中心距离大于65 mm时对植物生长有影响。为避免植物冠层内部气流速度过大，同时满足冠层内部适宜的气流速度，选择进气口最佳气流速度为8 m/s。

表3 冠层内部气流速度分布比较

3 讨 论

本研究的目的是探讨植物工厂采用冠层微环境管道通风装置后不同进气速度对生菜冠层气流分布及均匀性的影响。对于单个栽培层，植物和补光灯对气流的影响密不可分。本文提出将生菜简化为多孔介质，将补光灯设置为热源，模拟植物冠层内部及上部空间的气流速度。通过模拟和实测的数据对比发现，在植物冠层内部和上部空间模拟值与实测值吻合较好，但在植物冠层上表面，两者差异较大，主要原因是模拟中将植物考虑为均匀的多孔介质，而实际生产中作物冠层之间空隙分布并不均匀，且气流流动过程中作物也会随之摆动，势必会影响气流走向。

目前在畜禽舍通风研究方面，为更能真实反映畜禽对气流的影响，探索性的将畜禽考虑为实体模型，如程琼仪[25]在测试鸡群对气流阻力时，将鸡身简化为椭球型、轻微简化型和鸡身型，该方法更能精确模拟畜禽舍中气流分布。植物不同于鸡群，不仅植株与植株间存在空隙，植株内部亦存在空隙，且植物叶片厚度小，在网格划分中若将植物考虑为实体模型，势必会增加网格数量，降低计算速度。因此，需对植物外形进行轻微简化，以期在不增加网格数量下实现对冠层气流分布精确模拟。

4 结 论

本研究针对现有植物工厂中气流主要集中在过道，栽培区域出现停滞区的问题，设计了一种局部管道通风装置，并利用CFD软件模拟了不同进气速度下植物冠层内部和冠层表面气流分布，为植物工厂通风设计提供参考。研究主要结论如下：

1）利用CFD软件构建了植物工厂冠层微环境管道通风模型，在模型中将植物冠层考虑为多孔介质，多孔介质的黏滞阻力系数设置为25，惯性阻力系数设置为1.3，将LED灯管考虑为热源，热流密度设置为297 525 W/m3。通过模拟和实测进气速度为8 m/s，进气温度为24 ℃条件下植物冠层表面气流速度和冠层上部空间气流速度，得到空间流域模拟值与试验值的平均误差为16%，构建的植物工厂冠层微环境管道通风模型能准确描述进气速度对植物冠层上部空气间气流速度的影响。

2）利用验证的模型模拟不同入口气流下植物冠层的气流分布，结果表明：植物工厂冠层微环境管道通风装置能有效增加作物冠层内部气流扰动，当入口气流速度从6增加到9 m/s时，植物冠层表面的平均速度由0.11 m/s增加到0.17 m/s，冠层表面适宜速度区域面积占比由33.33%增加到68.57%，植物冠层内部的平均速度由0.11增加到0.17 m/s，冠层内部适宜速度区域体积占比由42.84%增加到77.08%。为避免冠层内部高速气流对植物的影响，可将进气速度设置为8 m/s。

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Numerical simulation of ventilation efficiency with perforated air tubes for controlling canopy environment in a plant factory based on CFD

Fang Hui, Wu Gang, Cheng Ruifeng, Tong Yuxin※

(1.,,100081,; 2.,,100081,)

Much more cultivation layers and high canopy density have posed great challenges to the even distribution of airflow in plant factories. It is highly required for the optimal design of airflow distribution systems, thereby improving the physiological orders and post-harvest quality for a high commercial value of the products. In this study, a ventilation system was designed with the three parallel lines of perforated air tubes, further to generate a constant airflow inside the plant canopy. The air tube was fabricated in a diameter of 20 mm with a length of 1 500 mm using the layout and size of a cultivation shelf. Each air tube was equipped with two rows of jets. A three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was developed to analyze the distribution of airflow in the plant’s canopy under different inlet velocities. Furthermore, the lettuce leaves were assumed as the porous medium with the drag coefficient of 0.02, resulting in a viscous resistance factor and the inertial resistance factor of 25 and 1.3, respectively. A LED lamp (Ø20 mm) was assumed as an aluminum substrate and a glass part. An energy term with a constant heat generation of 297 525 W/m3was also defined as the heat source lost by the volumetric convection from the LED lamp aluminum substrate part for the heat dissipation. The average error of simulated air velocity was 16%, compared with the measured. Three groups of air velocity (lower than 0.1 m/s, between 0.1 and 1.0 m/s, and higher than 1.0 m/s) were selected to calculate the proportion of the areas of the plant’s canopy surface and the volume proportion inside the plant’s canopy. The results showed that the percentage of air velocity at the lettuce canopy surface between 0.1 and 1 m/s increased from 33.33% to 68.57%, while, the percentage of volumes inside the plant’s canopy increased from 42.84% to 77.08%, respectively, when the air velocity increased from 6 to 9 m/s. By contrast, the percentage of volumes inside the plant’s canopy increased from 0.01% to 0.06%, with the air velocity higher than 1.0 m/s. The maximum distance between the ventilation pipe and high airflow increased from 50 to 70 mm. Therefore, the air velocity was recommended as 8 m/s, further to avoid the air velocity higher than 1 m/s plants canopy. At the inlet air flow velocity, the percentage of volumes inside the plant’s canopy with the air velocity between 0.1 and 1 m/s was 67.58%, the percentage of areas on the plant’s canopy surface with the air velocity between 0.1 and 1.0 m/s was 55.23%, and the volume-weighted air velocity in the canopy was 0.14 m/s. This finding can provide a new solution to improve the canopy environment in a plant factory.

ventilation; plant factory; airflow velocity; porous media; CFD

方慧，伍纲，程瑞锋，等. 基于CFD的植物工厂冠层微环境管道通风效果模拟[J]. 农业工程学报，2021，37(22)：188-193.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.021 http://www.tcsae.org

Fang Hui, Wu Gang, Cheng Ruifeng, et al. Numerical simulation of ventilation efficiency with perforated air tubes for controlling canopy environment in a plant factory based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 188-193. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.021 http://www.tcsae.org

2021-06-30

2021-11-06

国家重点研发计划战略性科技创新合作专项（2020YFE0203600）

方慧，副研究员，研究方向为设施环境模拟方面。Email：fanghui@caas.cn

仝宇欣，博士，副研究员，研究方向为设施园艺方面。Email：tongyuxin@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.021

S625.4

A

1002-6819(2021)-22-0188-06