发布时间：2020-05-30所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要:为了提高食用菌的成品率和大规模生产，需要了解食用菌厂房内环境分布总体状况以维持培养房内温度及其均匀性，以上海某食用菌厂房为研究对象，首先利用CFD软件建立三维模型、仿真，并对比模拟结果与试验结果，证明模拟数据的有效性和可行性，最终提出4种
摘要:为了提高食用菌的成品率和大规模生产，需要了解食用菌厂房内环境分布总体状况以维持培养房内温度及其均匀性，以上海某食用菌厂房为研究对象，首先利用CFD软件建立三维模型、仿真，并对比模拟结果与试验结果，证明模拟数据的有效性和可行性，最终提出4种方案，对不同方案模拟结果的对比，选取最优方案.结果表明:标高0.1，1.8和3.5m处平均温度与数值模拟结果差距1.0℃左右，基本比较吻合.其中方案1安装喷嘴装置，在改善培养房间的流场和温度场分布，提高房间内温度分布的均匀性的作用最为突出，但增加一定的能耗，并没有达到节能的目的.开展厂房内环境分布的研究与优化工作，给生产操作提出指导意见，在增加食用菌产量方面具有重要意义.
关键词:食用菌厂房;换热;数值计算;优化
21世纪后，食用菌生产在中国得到了蓬勃发展，形成了工厂化大规模的生产模式.食用菌工厂密集排列着装有食用菌培养瓶的箱体，厂房内环境温度及湿度的分布不均匀，增加了预测和控制的难度.食用菌需要合适的温度，如金针菇的合适温度在13℃附近，在高温下或低温均会影响食用菌生长缓慢或无产量，因此，合适的温度控制是食用菌工厂需要解决关键问题[1-2].
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食用菌工厂化的生产方式始于1947年，通过调控温湿度与通风等环境条件在荷兰实现双孢蘑菇的栽培，开启了草腐菌工业化的生产过程，到20世纪60年代初，日本率先实现了食用菌瓶栽的生长方式，在1965年建成了世界第一家现代食用菌生产工厂[3-4].20世纪90年代，技术密集型的瓶式栽培技术由台资金针菇企业率先引进，在袋料栽培技术的生产和技术上进行了创新和突破[5].
采用CFD模拟、优化培养房内换热和通风的研究可以追溯到20世纪80年代.1989年，OKUUSHIMA等[6]首次运用CFD软件研究单跨度斜顶的无作物温室的通风问题.但是受限于当时的计算机水平，网格部分不理想，最终的模拟结果和风洞试验不能较好吻合.2004年，BARTZANAS等[7]研究风动型温室，分析温室通风率变化对温室内温度场分布的影响.2006年，KHAOUA等[8]使用二维CFD模型，针对风速和屋顶通风口配置区域化的温室中气流和温度模式的影响进行了模拟研究.相比于国外研究，国内在温室环境的模拟研究中使用CFD技术较晚.李永欣等[9]以荷兰Venlo型玻璃温室作为研究对象，在自然通风工况下，用CFD软件研究分析了采用屋顶喷淋降温措施与外遮阳相结合的降温效果以及其他验证.王健等[10-11]则通过CFD数值模拟研究分析了单栋温室和连栋温室内部的流场，但缺少模拟结果的试验验证环节.吕书强[12]就关于窗口位置和尺寸对住宅室内自然通风的影响及效果进行了评价.上述研究均忽略或简化农作物存在的影响，关于农作物对温室内气流场的影响需要更深入且准确的研究.李永欣[13]将温室内的作物采用多孔介质模拟来近似处理，并考虑作物与环境之间的显热交换.谭胜男[14]选取荷兰Venlo型玻璃温室为研究对象，将CFD模拟方法运用到温室内考察温度场与湿度场的分布情况.沈敏[15]研究了食用菌厂房环境的模拟验证与优化，但优化方案相对比较单一，只对回风口和送风角度进行了优化，建模比较粗糙.
研究表明，运用CFD技术对温度内的气流场、温湿度场等环境条件进行模拟计算，可以实现参数的最优选择与控制，并提供优化措施改善温室内的温度分布场的均匀性.文中运用CFD技术研究如何控制食用菌厂房内的温度场，提出改进方案，降低厂房温差，以便利于食用菌的生长.
1食用菌厂房的暖通设计
文中以某金针菇厂房中期养菌室为原型进行研究.厂房长为65.0m，宽为37.2m，高为5.5m，中间走道宽为5.0m，风机安装在离地4.4m高的地方，金针菇箱体总高3.5m，采用瓶内栽培方式，瓶体采取累积叠加的形式摆放比较密集，如图1所示，厂房内空气流动如图2所示.
金针菇属于低温、好氧型真菌，最佳生长温度为13～14℃，在密封的厂房内，自然通风的气流流动性较差，需要开启风机保证气流的流通性，使厂房内环境维持在金针菇适宜生长的范围内.图2中，蓝色线为风机进口区域，红色线为风机出口区域，下方为食用菌生长区.可以看出冷风从风机中水平吹出，并经导流板作用改变方向，垂直向下吹动，当到达地面时，向着温度较高的金针菇生长区流动，进行降温，最终从风机出口处流出，形成一个循环流动，达到整体降温效果
2CFD模型
2.1物理模型
厂房布局为周期性布局，为简化计算过程，数值计算过程均使用切片模型，切片长为6.0m，宽为37.2m，高为5.5m，每个切片共有6台风机，每台风机的进、出口面积均为0.27m2.为方便结构网格划分，将厂房模型导流板由圆弧状改为直板型，食用菌瓶体、箱体之间的细小缝隙忽略不计，作整体考虑，箱体占据的空间考虑为多孔介质区域，如图3所示.
2.2计算方法及边界条件
基于有限体积法的商业CFD软件ANSYSFluent14.5，采用稳态求解.根据工厂操作经验，风机运行时间为全天的2/3时间，因此在模拟中，假设风机运行的流量为其额定流量的2/3，保证风机模拟的换热空气体积与实际情况一致.将风机出口面积改为原始面积的2/3，保证风机出口流体的初始动量，使风机出口处冷风初速度与工厂测量值一致.将菇房内的空气作为计算域，风机进口采用速度进口，初速度10m/s，出口为压力出口.湍流模型选择标准k-ε模型，近壁面采用“EnhancedWallTreatment”壁面函数，同时选择“FullBuoyancyEffects”选项，强调壁温作用和浮升力的作用，打开能量方程和重力项.食用菌箱体内部有木屑等所需生长土壤，为简化食用菌箱体部分流场结构，将箱体部分流场设置为多孔介质，食用菌由于呼吸、蒸腾作用与周围空气交换的热量以生长区域的能量源项形式输入，将箱体部分设置为热源，根据每瓶食用菌单位时间内平均发热量为0.2W的条件，因此将食用菌箱体内热源定义为30W/m3.前处理中涉及的温度条件均按照实地测量值进行设置，风机进口处温度为11.2℃，图1中上下2个墙面温度均为14.5℃，左侧或右侧墙面温度为14.3℃，厂房顶部壁面温度为12.0℃.计算设置的收敛残差为0.0001，其中能量项的残差为10-6.
2.3模拟结果
根据以上设置，对切片原始模型进行模拟、分析，得到模型垂直中切温度分布云图如图4a所示.由图4a中可以看出，培养瓶箱体上部分温度分布比较均匀，约为13.0℃，下部分温度梯度较大，食用菌厂房最大温差为3.3℃，其中最低温度为11.2℃，位于风机出风口的地方，最高温度14.5℃，位于墙体壁面附近.食用菌生长区最大温差为1.6℃，最高温度为13.7℃，位于风机下方的箱体处，最低温度为12.1℃，位于导流板下方.模拟结果厂房标高0.1，1.8和3.5m处平均温度分别为12.9，12.6和12.5℃.
观察空气流动方向，分析速度分布云图如图4b所示.因在生长区域，空气阻力较大，空气流动速度低，所以后处理中速度标尺为0～2m/s，以便更清晰显示生长区域速度分布情况.图中可以看出从风机进口出来的冷气水平吹出，由于导流板的影响冷气沿导流板向下运动，对厂房内部的食用菌箱体进行降温，当接近地面时速度明显降低，由于底部的食用菌瓶体摆放比较密集，阻力较大，低速的冷气难以穿透食用菌箱体.因此，在风机正下方的生长区域产生的热量很难通过冷风带走，与温度分布云图基本一致.
2.4试验验证
为了检验数值模拟的准确性，对食用菌厂房内实测温度结果与数值模拟结果进行对比验证.试验场地为上海某食用菌厂房，采用手持式红外温度计测量墙面温度，温度精度为±0.5℃，采用热线风速仪测量走道和箱体之间通道内空气速度和温度，风速精度为±0.01m/s，温度精度为±0.1℃.试验测量了1/4食用菌厂房的食用菌箱体之间各走道的温度分布，分别测量了标高0.1，1.8和3.5m处的温度.从试验结果分析表明，风机正下方的走道处温度最高，导流罩下方走道温度最低，与实际情况(标高0.1，1.8和3.5m处平均温度分别为14.0，14.0和13.0℃)相符合，与数值模拟结果相差1.0℃左右.综上，可以认为数值模拟计算结果具有一定的可信度，可以反映真实的厂房温度分布.
3改进方案数值预测
3.1改进方案
由上述原始模型的模拟结果可知，厂房内环境分布还不够均匀，尤其是食用菌箱体下方的空气流动较差，部分区域达不到食用菌的环境要求，不利于食用菌的生长.
因此，文中提出4种不同方案，寻求增强箱体底部空气流动性并减小整体温差的最优方案，各方案的温度与速度云图如图5，6所示.
①方案1，在厂房内安装布置一定数量的喷嘴降温装置，2个喷嘴出口均为口径100mm的圆形出口，相距500mm，下方的圆形出口圆心距离地面1000mm.喷嘴装置水平放置，垂直向上喷出.由于喷嘴设定的进口面积较小，需吹动较大空间的空气，需较大的动能，因此喷嘴进口的速度设置较大，数值为25m/s，温度12℃.②方案2，改变风机的原有安装位置，风机前移3.6m，其他不变.③方案3，改变风机的进出口位置，进口位置不变，出口位置转至下方，进出口面积保持不变.④方案4，在食用菌生长区添加横向间隙，生长区域横向平分3份，间距为100mm.
3.2数值模拟
根据上述4种不同方案进行数值模拟，并进行结果分析.
①方案1，喷嘴的作用主要是推动厂房内较高温度处的空气垂直方向的流动，不断补充冷空气，促进整体厂房的空气流通循环，达到整体厂房降温的目的.在食用菌生长区最高温度约为13.0℃，最低温度约为12.1℃，温差0.9℃，且标高0.1，1.8和3.5m处的平均温度分别为12.5，12.3和12.3℃，温差不足1.0℃，与速度分布云图(尤其箱体部位的速度分布)所体现的一致，但添加了喷嘴装置，虽效果较为明显，厂房内能耗有所增加，需要厂家权衡选择.②方案2，改变风机的安装位置的目的在于增加冷风到达地面的动能，以便更好地促进箱体部位的空气流动.食用菌生长区最高温度约为13.4℃，最低温度约为12.1℃，温差1.3℃，且标高0.1，1.8和3.5m处的平均温度分别为12.6，12.5和12.5℃，优化结果不如方案1，较原始模型也有所改善，与速度分布云图(尤其箱体部位的速度分布)所体现的一致.③方案3，改变风机的出口位置于正下方是为了降低冷风进入出口处的能耗，有利于厂房空气循环的流通.在食用菌生长区最高温度约为13.4℃，最低温度约为12.1℃，温差1.3℃，且标高0.1，1.8和3.5m处的平均温度分别为12.5，12.5和12.4℃，优化结果基本与方案2相同，与速度分布云图(尤其箱体部位的速度分布)所体现的一致.④方案4，在食用菌生长区添加横向间隙，降低冷风在食用菌箱体生长区的阻力系数，有利于厂房空气循环的流通.在食用菌生长区最高温度约为13.6℃，最低温度约为12.1℃，温差1.5℃，且标高0.1，1.8和3.5m处的平均温度分别为12.7，12.5和12.6℃，优化结果较原始结果成效最差，与速度分布云图(尤其箱体部位的速度分布)所体现的也很一致.
模拟结果说明，根据原始模型的温度分布云图结果所表现出来的不足，提出4种优化方案都有所改善，其中方案1的效果最佳，在方案2和方案3其次，方案4的效果最差.方案1的优点在于优化效果明显，缺点是能耗增加，所以需要权衡选择.而方案2，3的优点在于耗能不变，布置变更简单，但优化效果略差于方案1.在4种方案中，速度分布云图表现的其分布情况基本与温度分布云图所对应，较原始模型底层速度几乎为0的情况都有所改善，其中方案1改善最佳.总体而言，通过4种优化方案的模拟，结果可以看出:厂房内的气体流通性增加，提高了厂房内环境分布的均匀性，更有利于食用菌的生长.
4结论
1)研究选择标准k-ε湍流模型，将箱体部分流场设置为多孔介质，采用经验数据及实测数据作为边界条件及初始条件，通过对食用菌厂房的温度场的数值模拟及分析，预测了厂房内空气流动及温度分布规律.与试验结果的比较表明，标高0.1，1.8和3.5m处平均温度与数值模拟结果差距1℃左右，基本比较吻合，因此数值模拟计算结果具有较好的准确性.
2)提出4种不同改进方案，通过数值模拟，得出温度分布、速度分布云图，食用菌箱体处各位置温差进一步减小，且平均温度降低，根据模拟结果，方案1安装喷嘴装置，在改善培养房间的流场和温度场分布，提高房间内温度分布的均匀性的作用最为突出，喷嘴的作用分析主要是推动厂房内较高温度处的空气垂直方向的流动，致使冷空气的不断补充，促进整体厂房的空气流通循环，达到整体厂房降温的目的.但如果在每个风机下面安装喷嘴需要消耗大量的设备投入.维修和人力成本，同时增加一定的能耗，并没有达到节能的目的.因此，后续的研究还可以继续提升.——论文作者：李力，李红 ，赵睿杰，向清江
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