CFD 技术在人工光植物工厂的应用前景

福建农林大学 李家奥

1 农业发展遇到的问题

随着现代工业的发展，大量工业废物和农用化学物进入农田、空气和水体中，导致农业生产环境质量严重下降[1]。传统农业生产依赖于外界环境，农业环境的污染极大限制了传统农业的可持续发展力[2]。农业环境污染不仅影响植物的生长发育，同时可以使污染物在植物体内堆积，威胁人类的身体健康[3]。在传统农业受阻的情况下，需要开发新型农业来满足人们对食品的需求。

2 植物工厂发展存在的问题

目前植物工厂内多采用栽培层架的方式，来增加生产面积，提高生产效率，但是栽培层架会对室内气流产生阻力，且层数越多阻力越大，从而影响植物的品质。

要实际得到植物工厂内各个位置的温度和风速，需要多次测量，且还需要不断调整进出风口的位置反复试验，这样不仅耗费大量资金，也消耗大量时间。另外，植物工厂的结构大多不相同，因此得到的实验结果也不能普遍应用。

计算流体力学软件（Computational Fluid Dynamics，CFD）是以电子计算机为工具的软件系统。CFD 软件可以准确模拟出植物工厂室内的温度和风速的分布，从而可以在植物工厂建设前模拟出室内环境，通过改变空调循环系统的进风口和出风口的位置，来得到最佳设计方案，在确保室内环境最佳的同时节约大量的时间和资金。

3 CFD 技术在农业领域的应用

3.1 CFD 技术在畜禽舍中的应用

在对畜禽舍的风速场研究中，对北京养猪育种中心公猪猪舍进行了模拟研究，用多孔介质替换漏缝地板，基于k-ε 湍流模型对空载的装猪猪舍内的温度场和风速场进行了模拟，并将模拟的结果与实际测量值进行比对验证，得出风速场的模拟值与真实值的相对误差在0.25%～30.8%，可以得出模拟值具有合理性。

3.2 CFD 技术在温室大棚中的应用

在温室大棚的研究中，李永欣[4]等对夏季Venlo 型温室的自然通风进行模拟，将温室内外遮阳、屋顶喷淋、室内植物和土壤等因素做了边界条件处理，模拟了在外遮阳和屋顶喷淋工作下的温室内空气温度的变化，得出温室内平均温度与试验模拟结果的平均值差为1.7℃，平均偏差为试验测试结果的5%,可以得出实验结果基本与实际测量值一致。

4 CFD 技术在植物工厂中的应用和展望

4.1 CFD 在植物工厂的应用

在植物工厂的应用中，刘焕[5]等利用CFD 软件建立人工光植物工厂的三维模型，并设计了侧进侧出式、侧进侧上出式、侧进上出式和上进侧出式四种气流循环方式，经过模拟分析得出侧进侧出式为最佳气流循环模式，相比于上进侧出式，侧进侧出式的风速增加0.51m/s、均匀性指标变异系数降低17%、平均温度降低0.5℃。

4.2 展望

由于我国植物工厂发展较晚且投资成本较高，目前CFD 技术并没有广泛应用于植物工厂中，但根据目前对植物工厂的研究可以得出，CFD 技术通过对空调循环系统的进出风口的布置，来模拟植物工厂内的温度场和风速场，这样就可以在建造植物工厂前通过利用CFD 技术的模拟结果，选择空调循环系统的最佳方案。同时，利用CFD 技术对室内温度场和风速场的分析，还可以得到各个传感器的最佳布置方案，更方便测量。