賴景歡 林楚宏 藍啟航 陳新明 謝從虎

（1.中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510860；2.廣州擎天實業(yè)有限公司 廣州 510860）

引言

隨著城市化發(fā)展，城市中用于種植栽培的土地越來越少。為了體驗蔬菜種植的樂趣和享用有機安全的蔬菜，人們通常會選用家用智能種植機在室內(nèi)種植新鮮的蔬菜。家用智能種植機作為一種新興的家用產(chǎn)品，尚未有可遵循的國家標準和成熟設計。陳素娟等[1]介紹了一種室內(nèi)使用的家用智能種植機，它是采用水培種植技術，多層立體種植，營養(yǎng)液智能化循環(huán)管理，同時溫光自動化控制的栽培裝置。為了實現(xiàn)溫度自動化控制，種植機通常采用封閉式箱體結構，在箱體內(nèi)部設計有風道系統(tǒng)，在實現(xiàn)箱體溫控的同時，定期更換箱體內(nèi)的空氣，滿足蔬菜的生長需求[2]。

目前，種植機的風道設計沒有成熟的方案，如果僅僅通過實驗測試的方式來調(diào)整產(chǎn)品性能，會增加較多的時間和人工成本。利用CFD（Computational Fluid Dynamics）計算流體力學仿真獲取產(chǎn)品性能，并優(yōu)化原始設計方案，是目前主流的產(chǎn)品預研手段。

本文以應用水培種植技術的封閉式智能種植機為例，通過CFD 仿真對風道及箱體內(nèi)部的流場進行數(shù)值模擬，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)結果對出風口處風向導流結構的優(yōu)化以及風道內(nèi)風量分配結構的優(yōu)化、改善了箱內(nèi)多層立體空間的溫度均勻性，最后通過實驗測試驗證了本文方法的合理性和可行性。

1 風道結構簡化模型

本文研究的種植機箱體結構示意如圖1 所示，箱體內(nèi)部分為四層立體種植空間，每層空間頂部設有定時開啟的種植燈，底部設有種植盤，營養(yǎng)液在四個種植盤中循環(huán)流動。種植機設有蒸發(fā)器和加熱器進行控溫，使各種植層的營養(yǎng)液和空氣控制在（15 ～25）℃的溫度范圍。其中，空氣蒸發(fā)器和加熱器位于壓縮機倉模塊，采用貫流風機驅動，實現(xiàn)風道從下往上送風，通過開啟和關閉風門進行新風換氣或者空氣循環(huán)?？紤]到種植燈功率大、發(fā)熱量高，箱內(nèi)主要進行空氣制冷降溫，因此風道設計優(yōu)先滿足空氣制冷循環(huán)。

圖1 種植機箱體結構示意圖

基于上述空氣制冷循環(huán)的考慮，將種植機箱體結構簡化后，得到該種植機風道及箱體內(nèi)部的仿真模型如圖2 所示。圖中包括種植機風道，箱內(nèi)四層種植層，回風槽位以及蒸發(fā)器。貫流風機將位于下部的蒸發(fā)器冷氣抽送到種植機風道，經(jīng)由風道從下往上輸送至每一層種植空間（種植層L1、L2、L3、L4）；每層種植空間分別有一個出風口（C1、C2、C3、C4），冷氣經(jīng)出風口從右向左吹到種植空間，在此完成熱交換；然后經(jīng)過每層種植盤前后間隙及通風口向下流動，回流到回風槽位，最后流向蒸發(fā)器位置完成一個空氣制冷循環(huán)。

圖2 種植機風道及箱體內(nèi)部仿真模型圖

2 數(shù)學模型與計算

對于種植機風道及箱體內(nèi)部的流場仿真研究，為了減少數(shù)值模擬的計算量，在建立數(shù)學模型時，可以將種植機風道及箱體內(nèi)部的空氣近似為理想氣體、定常不可壓流動，并且在內(nèi)壁面上滿足無滑移邊界條件。流動過程滿足以下控制方程：

1）連續(xù)性方程

2）動量方程

式中：

u—X 方向上的速度分量；

v—Y 方向上的速度分量；

w—Z 方向上的速度分量；

ρ—密度；

p—壓力；

η—動力粘度；

g—重力加速度；

β—熱膨脹系數(shù)；

T—溫度。

本仿真計算模型選用RNG k-ε 湍流模型，壁面附近選用可擴展壁面函數(shù)。對連續(xù)性方程、動量方程等的求解采用SIMPLE 算法。對蒸發(fā)器運用多孔介質(zhì)模型。仿真計算模型網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，對各個區(qū)域進行自適應網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格數(shù)約為185 萬。基于測試數(shù)據(jù)，給定種植機風道進風面的平均速度5.05 m/s 為初始條件。

3 仿真結果分析

本文在原始方案基礎上進行優(yōu)化并做仿真分析對比?；诮Y構尺寸限制和外觀設計要求，所有方案的蒸發(fā)器和風機位置保持不變、并且四層種植層的出風口C1、C2、C3、C4 大小形狀保持一致。風道仿真的結果用流線圖和出風口速度矢量圖來表示，流線圖體現(xiàn)了箱內(nèi)氣體的流動狀況，出風口速度矢量圖直觀反映了各出風口的風速大小和方向。為了方便各層之間的風量比較，把圖表中的出風口流量換算為百分比形式。

3.1 原始風道結構方案

原始方案的仿真結果如圖3 所示。從出風口速度矢量圖可以看出，出風口C4 的風速最大，出風口從下往上風速越來越?。幻總€出風口風向傾斜角度較大，斜向上的氣體很快與種植盤底部干涉。這樣的出風角度造成氣體流動受阻，很難直接吹到種植層的另一邊空間，最后造成流線圖中的種植空間流線紊亂，局部形成渦流轉動的現(xiàn)象。因此，需要繼續(xù)優(yōu)化出風口的風向導流結構，讓進入種植層空間的氣體流動更加順暢，使其形成良好的風路循環(huán)。

圖3 原始風道仿真結果

由表1 原始風道各出風口風量仿真結果可知，出風口C1 和出風口C2 流量占比共46 %，出風口C3 和出風口C4 流量占比共54 %?？紤]到冷氣自然下沉形成對流現(xiàn)象，冷氣在種植層L3 和種植層L4 會堆積更多，種植層L1 和種植層L2 的實際制冷效果會更差。最優(yōu)的方案應該是上部分流量占比要偏大，這樣才能形成四層種植空間較均勻的溫度分布。因此，需要對風道內(nèi)部風量分配結構進行優(yōu)化，增加出風口C1 和出風口C2 的風量比例。

表1 原始風道各出風口風量仿真結果

3.2 優(yōu)化風道結構方案

以上通過對原始風道的仿真分析，發(fā)現(xiàn)以下問題：

圖4 風道結構優(yōu)化前后對比圖

1）出風口氣體流動受阻，與種植盤干涉后形成紊亂氣流，風路循環(huán)效果差。

2）種植層L1 和種植層L2 流量占比小，箱內(nèi)上下部分的風量分配不合理。

針對以上問題點，對原始方案的風道結構進行優(yōu)化調(diào)整，旨在改善種植機的風路循環(huán)效果和整體溫度均勻性。因此，優(yōu)化方案對出風口導流結構（圖示標記A 處）由原始的斜角更改為過渡圓角，使出風角度更平緩；出風口導流格柵（圖示標記B 處）由原始的豎向改為橫向，增強風道中的氣流導向；風道中的風量擋板（圖示標記C 處）由原始的薄片改為圓弧臺階，減少流動風阻、改變風量分配。

優(yōu)化后的風道結構在相同的基準下進行仿真分析，得到的結果如圖5 所示。從出風口速度矢量圖可以看到，優(yōu)化方案的出風口風向傾斜角度較小，順著出風口出來的氣體能吹得更遠，同時減少了氣體紊亂現(xiàn)象。整個風路循環(huán)效果相對原始方案更加順暢。

圖5 優(yōu)化風道仿真結果

由表2 優(yōu)化風道各出風口風量仿真結果可知，通過結構優(yōu)化后，出風口C1 和出風口C2 流量占比得到提高，兩者之和共51.5 %；出風口C3 基本不變，出風口C4 減少至23.0 %，兩者之和共48.5 %。理論上，冷氣會在種植層L4 堆積，出風口C4 的流量占比偏小可以使整體溫度均勻。

表2 優(yōu)化風道各出風口風量仿真結果

4 優(yōu)化方案實驗驗證

本文根據(jù)優(yōu)化后的風道結構制作了手板樣機，并以此進行了實驗測試。其中，測試條件為環(huán)境溫度38 ℃，環(huán)境濕度75 %，空氣測溫點布置在各種植層空間中心點，各層種植盤加入營養(yǎng)液，在關燈狀態(tài)下進行拉溫測試。得到的測試結果如表3 所示。

表3 優(yōu)化風道測試結果

實驗結果顯示，在關燈狀態(tài)下，種植機箱內(nèi)平均溫度為23.45 ℃；種植層L1 的溫度最高，為24.00 ℃；種植層L4 的溫度最低，為22.70 ℃。各種植層之間的溫差在±1 ℃的范圍，此溫差對于種植機的產(chǎn)品設計而言可以滿足要求。

通過與優(yōu)化風道的仿真結果對比，發(fā)現(xiàn)仿真結果與實驗測試結果趨勢相符，表明針對種植機風道的結構優(yōu)化設計思路符合預期。

5 結論

本文通過CFD 仿真結果進行了種植機風道結構的優(yōu)化，僅僅對優(yōu)化后的風道進行手板制作和實驗測試，減少了反復制作手板測試的成本和時間；而且CFD 仿真結果與實驗測試結果趨勢相符，是一種有效的指導產(chǎn)品設計和預研的方式。

通過仿真結果和實驗測試結果對比，表明了：出風口處導流結構的優(yōu)化，改善了箱內(nèi)各種植層的風向流動，使箱內(nèi)風路循環(huán)更加順暢；風道中風量分配結構的優(yōu)化，使得種植機內(nèi)部空氣溫度更加均勻，箱內(nèi)整體的溫差偏差在±1 ℃。