计算流体力学在农业工程中的应用现状与发展趋势

肖瑶， 吴明亮，2*

（1.湖南农业大学机电工程学院，长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，长沙 420128）

现阶段，我国现代化建设加速，农业装备也向规模化、集成化方向发展，在新的发展时期，要提高农业装备的性能和质量，必需要有先进有效的设计方法。农业装备的作用对象和环境具有复杂性和随机性，物料性质差异较大，因此，在设计农业装备时采用的理论研究有其特殊性，不能照搬其他理论。试验研究往往受农时影响，设计周期长、成本高、效率低，且仅理论分析和试验研究无法满足高质高效的设计要求。计算机数值模拟仿真技术的不断突破打破了传统产品设计的局限性，可作为田间试验的预试验，对工作过程进行动态演示和计算分析，从而提高设计效率、降低设计成本[1]。计算流体力学（computations fluid dynamics，CFD）在涉及以气固或气液两相流作为其工作对象或其承载介质的农业装备设计时被广泛应用。

CFD是基于数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象进行系统分析的计算机数值模拟仿真方法[2]。CFD仿真分析方法的准确性在很大程度上依赖于用户的经验，如选取合理的计算模型和有效的网格系统，因此，总结CFD建模方法的最新进展及在农业工程中的应用情况，可为合理应用模型进行模拟仿真提供有益的建议。

本文首先对CFD数值仿真的基本原理及方法进行概述；然后对目前农业工程中常用的物理模型进行分析，并对CFD方法在种植机械、田间管理机械、收获机械、干燥及储藏设施等方面的应用现状及动态进行归纳和总结；最后对CFD方法在农业工程领域的应用前景和发展趋势加以展望，旨为CFD在农业工程领域的应用奠定基础，以促进农业装备数字设计技术，加快农业装备现代化进程。

1 CFD数值仿真基本原理及方法

CFD 是一种复杂的设计和分析工具，它利用计算机来模拟流体运动、传质传热、化学反应以及两相流之间的相互作用[3]。

1.1 CFD基本原理

任何流体运动均可基于质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律建立数学方程组。CFD则通过求解这三大定律建立的方程组，获得流体运动的相关参数。它采用有限的、离散的变量值合集代替空间或时间域上连续的速度场、压力场等，建立关于各离散点上场变量之间的代数方程组，然后通过求解代数方程组获得场变量的近似值，以此得知流场位置上速度、压力等基本物理量的分布，以及物理量随时间的变化规律等[4]。

控制方程是相应守恒定律的数学描述，CFD的基本控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。质量守恒方程又称为连续性方程，如式（1）所示。

式中，ρ为密度，t为时间，u、v、w分别为直角坐标系x、y、z方向上的速度分量。

动量守恒方程也称为Navier-Stokes 方程，微元体中流体的动量对时间的变化率等外界作用在该微元体上的各种力之和。x、y、z方向的动量方程如式（2）、（3）、（4）所示。式中，div为速度散场度；grad为梯度向量。

能量守恒方程主要是针对牛顿流体得出的，包含热交换的流体系统必需满足的基本定律，如式（5）所示。

1.2 CFD仿真过程

CFD 仿真求解的基本环节包括前处理、求解和后处理3个部分，如图1所示。

图1 CFD软件求解流程Fig. 1 CFD software solution flow

1.2.1前处理 CFD软件前处理的目的是将真实的物理现象抽象化为便于计算机识别、计算的数据模型，主要包括物理现象抽象简化、计算域几何模型构建、计算网格划分、设定计算区域属性、设定计算模型边界条件、设定求解参数、设定输出参数等。常见的网格生成软件有ICEM CFD、GAMBIT、NNWGridstar、Hypermesh、Fluent Meshing等。

1.2.2计算求解 通过CFD 求解器可完成读取前处理数据、运算求解、输出物理量等一系列工作。为满足客户需求，求解器需要设置一部分前处理内容，如导入网格、设置边界条件和求解控制参数、选择计算模型等。常见的CFD 求解器包括Fluent、CFX、Ployflow、Fidap、Mixsim 等，其中Fluent 和CFX 均属于ANSYS CFD 软件族，且Fluent 因包含丰富的物理模型、网格支持能力强大，拥有广大的用户群体。

1.2.3后处理 计算后处理即对求解器得出的物理量进行图表化、数据化，以更直观的方式呈现给用户。后处理常见的图形类别包括云图、矢量图、流线图、XY 曲线图、数据输出等。常见的CFD 后处理软件有ANSYS CFD-Post、TECPLOT、Starccmview、Paraview等。

2 CFD仿真模型种类

选择合理的计算模型是确保CFD 仿真准确性的重要前提。网格划分及求解器格式选择需要考虑模型（层流还是湍流）、是否传热、流体有无黏性、是否为多相流、是否存在化学反应和组分变化等。农业工程领域中常用的模型为湍流模型、传热模型和多孔介质模型。

2.1 湍流模型

在实际生产中，绝大部分流动都是湍流流动，其特性十分复杂。CFD中常用来预测湍流流动的方法有雷诺平均方程（Reynold-averaged Naviers-Stokes equations，RANS）、大涡模拟（large eddy simulation，LES）和直接数值模拟（direct numerical simulation，DNS），这些模型在模拟农业机械的通风流动等方面各有优点。

2.1.1RANS 模拟 RANS 分为涡粘模型和雷诺应力模型2 种。涡粘模型又根据所使用的运输方程个数进行细分，其中，Zero-Equation Eddy-Viscosity Models 多用于预测简单紊流情况，或在校准情况下计算一些复杂流的平均流量，如预测隧道中的粉尘运动和模型周围的舒适条件；Two-Equation Eddy-Viscosity Models 在数值模拟中的应用更为广泛，且拥有更丰富的模型族，如Launder 等[5-6]提出的标准k-ε 模型，常用于室内通风模拟，带壁面函数的标准k-ε 模型测可较好地预测封闭环境中的湍流；Yakhot 等[7]开发的RNGk-ω 模型可与传热模型耦合来模拟流体瞬态湍流流动和传热情况；Multiple-Equation Eddy-Viscosity Models 适用于封闭环境中的低速近壁流[8]。

王立军等[9]在模拟玉米收获机清选装置内气固两相流特性时，选用Fluent 中的标准k-ε 模型。张亚辉[10]采用RNGk-ε 模型研究植保无人机在悬停状态下气流场对农药雾滴分布的影响。李文煜[11]选用Realizablek-ε 湍流模型分析日光温室结构对温度、能量的影响。

雷诺应力模型在20 世纪90 年代开始被应用于三维流动模拟。Murakami等[12]采用雷诺应力模型仿真分析室内气流分布，结果表明，在考虑湍流各向异性情况下，雷诺应力模型优于k-ε 标准模型。

2.1.2LES 模拟 LES 是介于DNS 和RANS 之间的中间建模技术，用以求解大尺度涡流的滤波Navier-Stokes 方程和对小尺度涡流进行建模[13]。相较与RANS 模型，LES 模型对网格尺寸要求更高，这意味着需要更多的计算时间，但LES模型的优势在于计算瞬态值，在瞬态条件下，LES 可计算得到气流在某处的波动情况，因此农业工程中常用来模拟温室大棚的通风情况。

Rack-woo 等[14]利用LES 模型计算单排温室在不同屋面坡度、曲率半径下的平均压力系数和压力系数峰值。Chu等[15]选用LES模型，并结合多孔介质模型分析了温室内作物对气流的影响。马猛[16]采用LES 模拟分析了椭圆屋盖的风载荷特性，以对其结构进行优化。

2.1.3DNS 模拟 DNS 用瞬时的Navier-Stokes 方程求解湍流，无需对湍流流动动作进行简化或近似就可以得到理论上相对准确的计算结果。DNS模拟因需要采用数量巨大的计算网格和高精度流体力学计算方法，对计算机内存容量和机时耗费巨大，在农业工程领域应用较少。

2.2 传热模型

在ANSYS Fluent 中的DO（discrete ordinates）（离散坐标）辐射模型，该模型对光学深度的适用性广，在半透明介质辐射传热计算精准度高，广泛应用于温室大棚辐射传热传质。王庆荣等[17]采用DO 辐射模型对日光温室的对流循坏蓄热墙体进行分析，模拟温室围护结构、地面等与室内气流进行对流换热情况；为分析在太阳辐射下，不同作物时期日光温室内温度场和湿度场的分布特征，焦巍[18]将湍流模型、DO 辐射模型和多孔介质模型结合，对双层膜日光温室土壤-作物-环境水热系统进行数值模拟。

2.3 多孔介质模型

多孔介质模型是由多项物质所占据的共同空间，也是多相物质共存的一种组合体，土壤、谷堆等物料堆是典型的多孔介质。ANSYS Fluent软件中的多孔介质模型采用经验公式定义多孔介质上的流动阻力，在仿真时不需要单独构建，在求解过程中划分一块区域设定为多孔介质即可。农业工程中常用多孔介质模型来模拟流体对作物的影响。

吴沿友等[19]为研究红树林对水流阻力的影响，建立了红树林多孔介质水流阻力数学模型，利用CFD 软件Fluent 分析了林带疏透度、宽度和水深等对红树林水流的阻力效果；吴飞青等[20]将作物用多孔介质代替，对冬季夜间加热温室热环境进行模拟仿真，与Venlo 型温室中采集到的关键位置温度和速度数据进行对比，证明了用多孔介质代替作物进行CFD模拟的可行性；Endalew等[21]利用梨树冠层简化等效多孔介质模型，分析喷雾作业中气流场分布和雾滴沉积情况，表明采用喷雾作业进行精准施药时，作物冠层中气流场分布对雾滴沉积影响较大。

3 CFD在农业工程研究领域应用现状

播种机械、田间管理机械、收获机械等田间或场上作业机械及温室、农产品干燥和储藏设施等均为现代农业生产环节中的典型农业装备，其主要工作部件、工作原理及作业对象各不相同，因此采用CFD 技术对不同农业装备进行设计及性能优化的方式也不尽相同。

3.1 CFD在播种机械中的应用现状

播种是农业生产过程中的重要环节。在借助气流作为载体介质的播种和利用气流完成排种的作业中，气流场中种子的均匀性是影响播种性能的关键点之一，气固两相流的复杂性使得传统实验无法对其进行更详细的描述[22]。CFD 可以预测排种过程中影响排种装置设计和播种性能的种子速度、压力分布、种子轨迹等因素，应用CFD 技术可对播种装置的结构和工作参数进行设计及优化。李衍军等[23]基于CFD 方法和CFD 与DEM 气固耦合法对气送式播种机输种管进行了仿真分析（图2），首先通过二次回归通用旋转组合仿真试验，建立了输种管内气流流速、排种量与输种管长度间的关系曲线，求解得到最佳输种管长度范围；然后采用标准k-ε 模型非稳态的Lagrangian 耦合算法对输种管内种子的力学行为进行模拟分析。仿真结果不仅能预测种子位置和运动轨迹，也为揭示输种管内在的动力学机理提供参考。任永飞等[24]基于CFD技术对气吸式播种器的排种盘进行仿真优化，采用Fluent 软件模拟排种器的负压充种过程，选取重播率和漏播率作为评价指标，对气吸式排种盘的吸种孔壁与轴心夹角、吸种孔数、真空度3 个因素进行优化设计。夏红梅等[25]利用ANSYS 软件中的FLOTRAN 模块对气力板式蔬菜排种器的气室结构参数进行优化，将气室流体域简化为定常不可压湍流模型，通过求解质量守恒方程、动量方程和能量方程得出气室中的压强和速度，以此分析不同结构参数下气室真空流场分布和强度。

图2 气送式排种系统［23］Fig. 2 Pneumatic seeding system［23］

3.2 CFD在田间管理机械中的应用现状

田间管理机械主要包括地膜覆盖机、中耕机、开沟机及喷雾机、弥雾机等植保机械。喷雾机、弥雾机和喷粉机等植保机械多用于喷施防治病虫害的药剂，因此力求最少的药剂达到最佳防治效果，这对药剂的附着率、飘移损失等要求较高，从而涉及物料的沉降、黏附特性等。采用CFD 技术相较传统试验方法更能从宏观和微观角度阐述及预测物料的运动规律。宋淑然等[26]基于Fluent 软件，采用RNGk-ε 湍流模型为计算模型，仿真研究了导流片数目、形状和长度对风送式喷雾机内流场的影响，并从出风速度、压力损失的角度分析，以喷雾效率为优化目标对导流器进行结构参数优化（图3）。

图3 气送式喷雾机导流器［26］Fig. 3 Air-driven sprayer deflector［26］

李建平等[27]利用CFD 软件对喷雾机T35 型轴流风机进行了模拟仿真，通过分析风机压力、速度、流体密度和风力等流场特性，确定了喷雾机环形喷管的尺寸参数和喷头的安装位置。祁力钧等[28]针对温室内环境密闭、温度高、湿度大、雾滴沉积性较差的特点，将弥雾机实际喷雾流场区域简化为圆柱体区域，在圆柱体上开设圆孔代替弥雾机喷头，选用标准k-ε 湍流模型对温室轨道式弥雾机气流场进行求解。许晶等[29]利用CFDDEM 耦合方法对文丘里粉体喷射器内部流场中的颗粒运动特性进行了仿真试验分析，可得文丘里管内颗粒运动轨迹与颗粒速度分布，并得出了气固流场输送过程中颗粒尺寸与颗粒-壁面碰撞次数的关系。

3.3 CFD在收获机械中的应用现状

收获作业是农业生产过程中花费劳动力最多的，收获质量直接影响作物的产量和品质，因此对收获机械的要求也在不断提高。收获机械的一般作业过程包括收割、输送、脱粒、分离清选。其中输送和分离清选环节常采用气流作为介质载体，应用CFD 方法可对收获机械输送和分离清选装置的结构和工作参数进行仿真优化，尤其是气力式分离清选装置。在不同气流场中，清选对象混合物之间引起的力学特性差异往往会直接影响清选效果，因此，对气力式清选分离装置内部流场的研究一直是学者们关注的重点。童水光等[30]采用CFD 方法对联合收获机的纵轴流清选装置（图4）进行了模拟仿真，选取k-ε 湍流模型并采用标准壁面模型和稳态求解器进行求解，对比分析了风道改进前后的气流场分布，以此改进双风道结构。李青林等[31]采用CFD-DEM 耦合法对稻麦联合收获机清选装置的结构参数进行了仿真优化，选用含杂率和损失率为评价指标，对清选装置的入口风速、上导风板倾角、下导风板倾角和振动筛频率进行了优化。李洪昌等[32]为更直观地分析风筛式清选装置的气流场分布，利用CFD-DEM耦合法模拟风筛式清选装置的物料运动，根据实际测得的水稻籽粒、短茎秆分布情况，将颗粒相简化为2种不同形状尺寸的组合颗粒模型。

图4 纵轴流清选装置［30］Fig. 4 Longitudinal axial flow cleaning device［30］

3.4 CFD在温室大棚中的应用现状

温室大棚是现代设施农业的重要组成之一，因其具有防寒保温、抗旱抗涝、可反季节种植等优点被广泛应用于农业生产。温室大棚的优势主要在于适宜的小气候环境，对其小气候环境的调控是实温室大棚的关键技术之一。使用CFD 方法模拟温室内温度、适度空间分布状况、风速流场分布等小气候环境成为研究重点。任守纲等[33]基于CFD方法构建了夏季温室气候时空变化预测模型（图5），该预测模型结合了k-ε 湍流模型和辐射模型，并引入了爬虫获取的大气气象预报，以预测大型连栋塑料温室在不同通风条件下的气温变化规律，结果表明，实测结果与模型预测值的平均相对误差为4%，说明预测模型具有可靠性。该研究借助软件综合分析了气象预报、风机湿帘、太阳辐射等外部因素对温室内温度场的影响，再基于预测模型可对不同时间段、不同气象条件下的温室采用通风、升降温等调控措施。吴昆等[34]基于CFD方法对拱形塑料大棚（群棚）的风载体型系数进行优化，并探究了单个拱形塑料大棚和群棚模型中风向角、棚间距对表面风压特性的影响。佟国红等[35]采用CFD 软件Fluent 对日光温室内的温度进行了一系列研究，通过建立日光温室内温度变化模型来模拟温度随外部气象条件的动态变化，对温室小气候的环境调控具有理论指导意义。景亮等[36]采用CFD方法模拟仿真了出菇房在散热器工作条件下的气流场和温度场分布，其仿真结果与实测值的相对误差小于7.8%。

图5 连栋温室［33］Fig. 5 Multiple greenhouse［33］

3.5 CFD干燥设备中的应用现状

农产品干燥是农业生产中的重要环节之一，也是农产品加工的预处理工序，其发展也从传统的自然晾晒发展到机械化烘干，因此，农产品干燥设备在农产品加工产业的快速发展过程中发挥了重要作用。干燥设备的热质传递研究成为热点，刘立意等[37]基于CFD方法对机械通风钢网式小麦干燥储藏仓内部的气流场（图6）进行了分析，将堆积的粮食等效为均匀且各向同性的多孔介质，以模拟气流穿过粮堆空间到达仓壁的过程，仿真得到储藏仓内动压、静压及流量的分布情况，分析了储藏仓结构参数等对通风性能及气流场均匀性的影响。王振文等[38]将烘房划分为上部通风道、热风干燥、干燥热风回流3 个区域，对烘房进行了简化处理及网格划分，借助CFD 仿真技术研究了热泵烘房均分板位置、导流板倾斜角、排风速度对气流分布均匀性的影响规律。张鹏飞等[39]为探究循环风机频率参数对带式烘干机气流分布的影响，对不同循环风机机型进行CFD 模拟仿真与试验验证，得出最优风机频率参数。师建芳等[40]采用CFD 方法对隧道烘干窑的内部流场建模，分析了隧道烘干窑入口进风流场和窑内热风流场的均匀性。肖瑶等[41]借助Fluent 软件对旋风式烘干机干燥筒内部的气流场进行仿真，探究了影响干燥筒烘干效率和分离性能的主要因素，为干燥筒的优化提供了理论依据。

图6 储粮干燥仓［37］Fig. 6 Grain storage dry warehouse［37］

4 存在问题与发展建议

CFD在农业工程领域的应用极大地提高了农业装备的设计水平、降低了设计成本、缩短了研发周期，对提高农业装备设计水平具有重要意义。但CFD 仍存在一定的局限性，阻碍了其在农业工程领域全方面的推广。

4.1 农业装备作业环境复杂性

农业装备作业环境复杂，在实际生产过程中涉及更为复杂的几何体运动和流动问题、如大型农业机械中与大量散粒物料相接触的复杂两相流现象等。CFD 不仅涉及的几何模型复杂，其涉及的网格规模也十分巨大，运用高性能计算平台对CFD问题进行并进计算是必然趋势。高效利用高性能计算机的多和处理器优化CFD 程序性能，以此提高程序对计算机存储层次的利用，是CFD 后续发展的趋势之一。

4.2 农业装备作业对象复杂性

农业装备作业对象复杂，作业过程中存在大量动能交换，且流体自身变化、物料自身特性变化、物料之间的碰撞、流体与物料之前相互耦合等使得整个流场环境极其复杂，尤其是对于生物体或土壤等农业物料，其在不同时期或同一时期不同时间的特性均存在差异。

如何进行高保真仿真模拟和实时预测成为CFD 发展的重要方向。近年来，数字孪生建模被应用于仿真技术，精细化建模作为数字孪生的关键技术之一，需连接不同时间尺度的物理过程进行模型构建，以此精准地表达物理实体的形状、行为和性能，达到物理实体的高保真模拟和实时预测的目的。目前，精细化几何建模、逻辑建模、多物理场建模、多学科耦合建模和在线仿真数字孪生建模等技术亟待突破；且CFD 与数字孪生技术的融合存在计算周期长、在商业软件中难以落地等问题，但随着这些技术的不断发展，有望解决更加复杂的农业工程应用问题。

4.3 计算机软硬件局限性

CFD技术的飞速发展得益于计算机硬件工业的技术突破，但同时CFD 仿真效率及精准度也受到计算机软硬件的限制，尤其是在农业装备作业环境和作业对象复杂的情况下，对计算机软硬件的要求也相应提高。如大型旋风烘干装置中气流和千万量级作物颗粒的相互作用，普通计算机的计算和存储能力无法满足其作业需要；同时基于CFD的通用软件仍存在因兼容性导致的针对性不强、与其他软件耦合成本较高等问题。

5 结语

随着农业装备的自动化和智能化发展，CFD法在农业装备设计和试验过程中发挥着极为重要的作用，目前已经成为解决与流体相关问题的主要研究方法之一，凡涉及气流流动和气固、气液混合流动等现象的研究都可以采用CFD 法得到较好的仿真结果。CFD作为一种基于计算机数值计算和图像显示的数值模拟方法，可以广泛应用于农业工程。但需注意两方面问题：一方面，CFD法依赖于使用者的研究经验和编程技能等，因此要合理简化物理模型以确保模拟的准确性；另一方面，CFD的解析也依赖于离散方法和数学模型，计算中考虑的物理过程越复杂，引起的不确定性也越大。因此，CFD 作为理论研究和物理试验的补充研究手段，仍需对其离散方法和数学模型不断改进、开发新的数学模型和数值算法，以适应复杂的流场现象。随着CFD 理论研究的不断深入与计算机技术工业的快速发展，CFD 在农业工程中的应用将更加深入和广泛。