基于计算流体力学的微型植物工厂温湿度环境模拟及优化方案
发布时间：2021-06-11 15:46
为研究微型植物工厂内温度场和湿度场的分布情况并对其进行优化,通过Gambit将建于东北林业大学内的微型植物工厂进行3D建模,采用计算流体力学软件,引入混合了空气和水蒸气的组分运输模型和替代植物的多孔介质模型对工厂内温湿度的分布情况进行数值模拟计算,同时设计2种拥有不同回风口和通风机的位置或数量的优化方案。模拟计算的结果与实际监测值进行对比发现,相对湿度的平均相对误差为0.385%,温度的平均相对误差为1.10%,温湿度的最大误差分别不超过0.9℃和1.5%,模拟情况与实际情况吻合度较好,使得模型的可行性和准确性得以验证。在对2种优化方案进行模拟并与初始方案比较后,得出如下结论:工厂内部气流流动对温湿度的分布有较为明显的影响,2种优化方案的温度分布均匀性均优于初始方案,其中,方案2的温湿度分布均匀性最好,相对湿度和温度的标准偏差分别为0.60%和0.08℃,相对湿度范围为76.4%～79.4%,最高温度和最低温度分别为25.4和25.0℃,平均温湿度分别为25.2℃和77.9%,温湿度的分布均匀性较好,没有抑制植物生长的因素存在,因此方案2,即将通风机分别置于工厂西墙离地0.3和1.0 ...
【文章来源】：林业工程学报. 2019,4(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
微型植物工厂Fig．1Microplantfactory表1网格质量标准及实际值
的浮升力项［9－10］;4)通风机送出湿度一定的气流;5)将工厂四壁及顶部简化为仅有浮法玻璃构成，并忽略工厂门的影响;6)通风机和回风口简化为长方体，送风口和出风口视为一个平面;7)忽略栽培架支撑物的存在，仅在工厂中建出植物部分的模型;8)种植栽培架中的土壤采用保湿措施，忽略土壤中水分的蒸发量。2．2植物部分的数学模型依据Darcy-Forchheimer定律［11］，视工厂中的植物为各向同性的多孔介质［12］，其形式为:Sφ=－μKu－Cf槡Ku2(1)图2部分截面温湿度分布云图Fig．2Temperatureandhumiditydistributionnephogramofpartialcrosssection式中:μ为空气的动力黏度;K为多孔介质的渗透率;Cf为非线性动量损失因子;u为流体速度矢量。将植物区域的产热和通过蒸腾作用产生的水蒸气分别作为能量源项和组分源项添加到植物的模型中，能量源项为125W/m3，组分源项为0．0003kg/(m3·s)。2．3边界条件设置考虑到微型工厂置于室内，忽略太阳的辐射作用，工厂中的栽培架与植物接触的面和地面均设定为绝热壁面。植物工厂内部初始温度为25℃，相对湿度为50%。该工厂使用的材料如表2所示，边界条件和参数设置见表3。表2工厂中使用的材料物理属性Table2Physicalpropertiesofmaterialsusedinfactory材料密度/(kg·m－3)比热容/(J·kg－1·K－1)导热系数/(W·m－1·K－1)浮法玻璃22008301．15土壤190022002．00植物79036000．52表3边界条件和参数设置Table3Boundaryconditionsandparameterssetting边界定义边界条件参数设置回风口P
0，最大相对湿度降低至适宜植物生长的范围。工厂中平均相对湿度为78．2%，低于方案0的平均相对湿度，标准偏差为0．82%，相对湿度的均匀性更高，如表8所示。方案2中模拟计算6个平面的相对湿度分布云图见图3b。在工厂中，上下层植物区域湿度分布相同，相对湿度最大值为79．4%，出现在植物区域，靠近回风口的附近，植物以外的区域相对湿度分布与植物部分相比更加接近相对湿度的平均值77．9%。在方案2中标准偏差为0．60%，分布情况比方案0更好，如表8所示。图3截面相对湿度分布云图Fig．3Ｒelativehumiditydistributionnephogramofcrosssection表8所有方案截面处相对湿度Table8Ｒelativehumidityatsectionsofallschemes%方案最大值最小值平均值标准偏差089．576．482．43．30181．176．478．20．82279．476．477．90．60对初始工厂模型进行优化的方案温度分布云图如图4所示。分析工厂中温度的模拟情况，数值见表9。2种优化方案的温度标准偏差均小于方案0，拥有最小标准偏差0．08℃的方案2温度分布均匀性最好。2种方案的最小值均为25．0℃;方案1和2的平均温度均为25．2℃;方案0的温度可达图4部分截面的温度分布云图Fig．4Temperaturedistributionnephogramofpartialcrosssection041
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFD的微型植物工厂湿热环境数值分析[J]. 贾鹤鸣,张森,宋文龙,朱柏卓,邢致恺. 林业工程学报. 2018(06)
[2]基于CFD的人工光植物工厂气流场和温度场的模拟及优化[J]. 刘焕,方慧,程瑞锋,杨其长. 中国农业大学学报. 2018(05)
[3]基于CFD的不同走向大跨度保温型温室温度场模拟[J]. 方慧,杨其长,张义,程瑞锋,张芳,卢威,刘焕. 中国农业大学学报. 2017(11)
[4]变风速条件下微型植物工厂传感器优化布置[J]. 贾鹤鸣,张森,朱柏卓,朱传旭,邢致恺,杨泽文. 应用科技. 2018(01)
[5]微型植物工厂营养液循环控制系统设计[J]. 罗孟德,贾鹤鸣,赵文科,朱传旭,杨泽文. 科技创新与生产力. 2017(05)
[6]自然通风对日光温室气温影响的模拟分析[J]. 宿文,薛晓萍,熊宇,曹洁. 生态学杂志. 2016(06)
[7]基于松弛序列法的温室传感器优化布置研究[J]. 贾鹤鸣,宋文龙. 森林工程. 2015(05)
[8]机械通风连栋温室的温度场CFD模拟[J]. 赵杰强,赵云. 中国农机化学报. 2014(06)
[9]现代化温室自然通风时湿热环境CFD模拟研究[J]. 何国敏,汪小旵,孙国祥. 西南大学学报(自然科学版). 2011(09)
[10]栽有番茄的玻璃温室内气流场分布CFD数值模拟[J]. 程秀花,毛罕平,伍德林,倪军,李本卿. 江苏大学学报(自然科学版). 2010(05)
本文编号：3224821
【文章来源】：林业工程学报. 2019,4(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
微型植物工厂Fig．1Microplantfactory表1网格质量标准及实际值
的浮升力项［9－10］;4)通风机送出湿度一定的气流;5)将工厂四壁及顶部简化为仅有浮法玻璃构成，并忽略工厂门的影响;6)通风机和回风口简化为长方体，送风口和出风口视为一个平面;7)忽略栽培架支撑物的存在，仅在工厂中建出植物部分的模型;8)种植栽培架中的土壤采用保湿措施，忽略土壤中水分的蒸发量。2．2植物部分的数学模型依据Darcy-Forchheimer定律［11］，视工厂中的植物为各向同性的多孔介质［12］，其形式为:Sφ=－μKu－Cf槡Ku2(1)图2部分截面温湿度分布云图Fig．2Temperatureandhumiditydistributionnephogramofpartialcrosssection式中:μ为空气的动力黏度;K为多孔介质的渗透率;Cf为非线性动量损失因子;u为流体速度矢量。将植物区域的产热和通过蒸腾作用产生的水蒸气分别作为能量源项和组分源项添加到植物的模型中，能量源项为125W/m3，组分源项为0．0003kg/(m3·s)。2．3边界条件设置考虑到微型工厂置于室内，忽略太阳的辐射作用，工厂中的栽培架与植物接触的面和地面均设定为绝热壁面。植物工厂内部初始温度为25℃，相对湿度为50%。该工厂使用的材料如表2所示，边界条件和参数设置见表3。表2工厂中使用的材料物理属性Table2Physicalpropertiesofmaterialsusedinfactory材料密度/(kg·m－3)比热容/(J·kg－1·K－1)导热系数/(W·m－1·K－1)浮法玻璃22008301．15土壤190022002．00植物79036000．52表3边界条件和参数设置Table3Boundaryconditionsandparameterssetting边界定义边界条件参数设置回风口P
0，最大相对湿度降低至适宜植物生长的范围。工厂中平均相对湿度为78．2%，低于方案0的平均相对湿度，标准偏差为0．82%，相对湿度的均匀性更高，如表8所示。方案2中模拟计算6个平面的相对湿度分布云图见图3b。在工厂中，上下层植物区域湿度分布相同，相对湿度最大值为79．4%，出现在植物区域，靠近回风口的附近，植物以外的区域相对湿度分布与植物部分相比更加接近相对湿度的平均值77．9%。在方案2中标准偏差为0．60%，分布情况比方案0更好，如表8所示。图3截面相对湿度分布云图Fig．3Ｒelativehumiditydistributionnephogramofcrosssection表8所有方案截面处相对湿度Table8Ｒelativehumidityatsectionsofallschemes%方案最大值最小值平均值标准偏差089．576．482．43．30181．176．478．20．82279．476．477．90．60对初始工厂模型进行优化的方案温度分布云图如图4所示。分析工厂中温度的模拟情况，数值见表9。2种优化方案的温度标准偏差均小于方案0，拥有最小标准偏差0．08℃的方案2温度分布均匀性最好。2种方案的最小值均为25．0℃;方案1和2的平均温度均为25．2℃;方案0的温度可达图4部分截面的温度分布云图Fig．4Temperaturedistributionnephogramofpartialcrosssection041
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFD的微型植物工厂湿热环境数值分析[J]. 贾鹤鸣,张森,宋文龙,朱柏卓,邢致恺. 林业工程学报. 2018(06)
[2]基于CFD的人工光植物工厂气流场和温度场的模拟及优化[J]. 刘焕,方慧,程瑞锋,杨其长. 中国农业大学学报. 2018(05)
[3]基于CFD的不同走向大跨度保温型温室温度场模拟[J]. 方慧,杨其长,张义,程瑞锋,张芳,卢威,刘焕. 中国农业大学学报. 2017(11)
[4]变风速条件下微型植物工厂传感器优化布置[J]. 贾鹤鸣,张森,朱柏卓,朱传旭,邢致恺,杨泽文. 应用科技. 2018(01)
[5]微型植物工厂营养液循环控制系统设计[J]. 罗孟德,贾鹤鸣,赵文科,朱传旭,杨泽文. 科技创新与生产力. 2017(05)
[6]自然通风对日光温室气温影响的模拟分析[J]. 宿文,薛晓萍,熊宇,曹洁. 生态学杂志. 2016(06)
[7]基于松弛序列法的温室传感器优化布置研究[J]. 贾鹤鸣,宋文龙. 森林工程. 2015(05)
[8]机械通风连栋温室的温度场CFD模拟[J]. 赵杰强,赵云. 中国农机化学报. 2014(06)
[9]现代化温室自然通风时湿热环境CFD模拟研究[J]. 何国敏,汪小旵,孙国祥. 西南大学学报(自然科学版). 2011(09)
[10]栽有番茄的玻璃温室内气流场分布CFD数值模拟[J]. 程秀花,毛罕平,伍德林,倪军,李本卿. 江苏大学学报(自然科学版). 2010(05)
本文编号：3224821
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