基于CFD的LED补光灯模型构建与验证

为明确植物工厂CFD环境模拟中LED补光灯的边界条件设置,构建单层LED补光栽培架(原型),并根据原型在CFD软件中建立规格一致的栽培架三维模型,对三维模型进行模拟分析,将得到的模拟值与原型实测值进行对比分析,验证LED灯边界条件设置的可行性。在模型中将LED补光灯分为反应器和灯罩两部分,反应器为LED补光灯的灯板,设置为热源边界条件,根据红、蓝灯珠数量及其对应的电光转化效率计算其单位体积散热量,灯罩为LED补光灯表面的塑料壳,起保护灯珠的作用,设置为导热材料,将三维模型的风速、温度模拟值与栽培架原型的实测风速值、温度值进行对比,结果表明:1)栽培架三维模型中LED补光灯的散热量为34 166 W/m3;2)通过模拟值与实测值对比,30个测点实测风速值与CFD模拟风速值的均方根误差为0.06,46个测点实测温度值与CFD模拟温度值的均方根误差为2.63,模拟值与实测值吻合良好。在植物工厂CFD模拟中,可以将LED补光灯反应器设置为热源、灯罩设置为导热材料。     

基于风洞系统的生菜空气动力学研究

针对目前利用计算流体力学软件(Computational fluid dynamics,CFD)进行植物工厂内部气流模拟仅在空载植物工厂中进行,忽略了生菜对气流存在阻碍的问题,采用风洞试验,对生菜冠层空气动力学参数进行研究。利用风洞系统测定了生菜冠层的阻力系数(C_D),并求得在不同叶面积密度(L)的情况下生菜冠层渗透率(K)与动量损失系数(C_f)之间的关系,将生菜栽培板置于风洞试验段中间位置,分别测量风洞试验段竖直方向和水平方向不同测点位置的稳态压力与风速。通过已求得的参数得到CFD建模中建立生菜多孔介质模型需要的粘滞阻力系数与惯性阻力参数。结果表明:1)本试验测得的生菜冠层阻力系数为0.02;2)成熟生菜(L=32.5 m~2/m~3),其渗透率为0.04 m~2,动量损失系数为0.13;3)动量损失系数C_f取值为0.1～1.0,当叶面积密度L为10、20、30 m~2/m~3时,作物冠层渗透率K的取值范围分别为0.25～25.00、0.06～6.25、0.03～2.78 m~2;4)成熟生菜的粘滞阻力系数为25,惯性阻力系数为1.3。     

基于CFD的植物工厂管道通风模拟及优化

针对植物工厂中传统通风模式难以实现内部气流均匀分布的问题,在满足合适的管孔径比情况下,通过计算设计了管道通风方案,利用计算流体力学CFD(Computational fluid dynamics)仿真软件对不同方案的作物冠层气流场进行模拟,探究管孔直径、管孔数量及进风口风速对作物冠层气流分布的影响,确定最佳管道通风方案。结果表明:所有的管道通风方案气流均匀性均优于传统通风模式,且进风口风速为3m/s的25孔管道通风方案最佳,此时作物冠层表面平均风速为0.55m/s,适宜区(风速范围为0.3～1.0m/s)面积占冠层表面总面积的86.1%。