王晉偉，陳競楠，韓 冬，林志遠，黃晨馨，鄭書河，鐘鳳林，侯毛毛※

（1.福建農(nóng)林大學園藝學院，福州 350002 ；2.福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院，福州 350119；3.聚璜集團有限公司，廈門 361021；4.德州學院，德州 416012；5.福建農(nóng)林大學機電工程學院，福州 350002）

0 引言

植物工廠通過整合環(huán)境數(shù)據(jù)、監(jiān)測植物生長狀況，利用計算機進行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)環(huán)境控制與植物生長預測，最終進行環(huán)境控制實現(xiàn)植物的計劃性周年生產(chǎn)。其內(nèi)部溫度、氣流空間分布不均，兩側與中間栽培架間、同排栽培架不同層架間均存在一定溫差、氣流速度差[1]。氣流速度與進風口位置相關，進風口直接輻射范圍內(nèi)，氣流流動劇烈，氣流速度大，換氣效率高；而未處于進風口直接輻射范圍的區(qū)域，氣流流動緩慢、速度小，換氣效率低下。因此，進風口設置是解決氣流植物工廠內(nèi)局部環(huán)境因子差異大問題的關鍵。

植物工廠研究于20 世紀50 年代開始，前期以“營養(yǎng)液栽培”為主要方向，后轉向“人工模擬環(huán)境與控制技術”。自20 世紀 90 年代后，計算流體力學（computational fluid dynamics,CFD）技術開始應用于農(nóng)業(yè)領域，初始運用于動物畜禽類養(yǎng)殖環(huán)境氣流場、污染物揮發(fā)的模擬[2-5]，當前也運用于受控設施農(nóng)業(yè)（日光溫室、植物工廠）中的流體動力學[6]、熱力學和復雜的流體現(xiàn)象分析[7-9]，提高植物工廠內(nèi)部環(huán)境因子的均一性能夠明顯提高植物工廠生產(chǎn)水平。LEE 等[10]將CFD 技術應用于植物工廠內(nèi)部環(huán)境模擬，研究了風向、風速、通風口大小和栽培架對自然通風量和氣流分布的影響。ZHANG 等[11]利用CFD 比較了不同穿孔數(shù)空氣管向作物冠層表面送風的效果，得出帶有2 個穿孔的空氣管能夠提供0.42 m/s 的平均風速、變異系數(shù)為44%，可作為最佳穿孔設計。BAEK 等[12]在人工光型植物工廠中設計不同的空調(diào)、內(nèi)部風扇、外部風扇的開啟工況，使用CFD模擬植物工廠內(nèi)部氣流、溫度，觀測生菜生長狀況，研究結果表明同時開啟空調(diào)、內(nèi)部風扇、外部風扇能夠使工廠內(nèi)溫度保持穩(wěn)定，更加適宜生菜生長。綜上，采用CFD 模擬植物工廠內(nèi)部環(huán)境變化、優(yōu)化植物工廠設計對于提升植物工廠內(nèi)部環(huán)境均勻性和穩(wěn)定性有重要意義。然而，目前植物工廠內(nèi)部氣流循環(huán)模式研究多數(shù)以進、出風口位置、數(shù)量、角度為切入點，植物工廠氣流循環(huán)效果受內(nèi)部結構影響顯著，是否可以通過優(yōu)化氣流循環(huán)方式、改進內(nèi)部結構提升植物工廠內(nèi)環(huán)境因子分布均勻性，值得深入研究。

本文在側進上出氣流循環(huán)模式下，借鑒均流板原理設計了一款全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠并進行CFD 模擬，分析該類型工廠下溫度、氣流速度、CO2濃度、相對濕度、適宜風速占比、空氣齡、指定流線速度變化情況，以評價全網(wǎng)孔通風墻對植物工廠內(nèi)局部環(huán)境差異的改進效果。以期為植物工廠內(nèi)溫度、氣流空間分布不均，影響作物產(chǎn)量、品質等問題提供新的研究思路。

1 通風墻型植物工廠設計

1.1 設計目的

傳統(tǒng)植物工廠采用空調(diào)或者風機進行通風降溫，在空調(diào)或風機出風口附近氣流速度較大，易形成氣流渦流區(qū)（伯努利原理），導致植物生長一致性較差。本設計基于均流板原理設計全網(wǎng)孔通風墻，用于探尋植物工廠氣流循環(huán)穩(wěn)定性與均勻性的提升方法。

1.2 全網(wǎng)孔通風板結構設計

均流板能夠改善流體分布、提高流場均勻性，是均勻流體組織的一種重要方法，在水污染處理[13-15]、節(jié)流空化[16-17]、工業(yè)運輸管道[18]等方面應用廣泛。本研究以福建省漳州市云霄縣老區(qū)果場科技示范基地植物工廠為原型，基于均流板原理設計一種全網(wǎng)孔通風板，改善植物工廠通風。

如圖1 所示，全網(wǎng)孔通風孔板材質為304 不銹鋼，依據(jù)協(xié)調(diào)美觀、易于施工（鋼板鉆開孔直徑為0.0135-0.0360 m，0.020 m 較為常規(guī)）的原則，設計長1.800 m，高0.500 m，厚度為2 mm，小孔直徑為0.020 m，孔間距為0.035 m，首尾排小孔圓心距邊界均為0.025 m。計算得出孔隙率為0.249。

1.3 通風墻型植物工廠設計

圖2 為通風墻型植物工廠設計圖及測點位置。全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠包括外室體、空氣腔和內(nèi)室體。外室體規(guī)格與測量植物工廠的保持一致：長×寬×高為4.6 m×3.0 m×3.0 m，四周墻壁及屋頂采用聚丙乙烯夾芯板填充。內(nèi)室體規(guī)格長×寬×高為4.312 m×2.712 m×3.596 m，室內(nèi)栽培架布置為南北向均勻排布4 排栽培架，栽培架距東墻0.1 m，距西墻0.3 m，兩側栽培架之間留有3 條過道，栽培架間距為0.630 m。內(nèi)室體四周由2 mm 全網(wǎng)孔通風墻焊接而成，頂部由304 不銹鋼板焊接而成。外室體與內(nèi)室體間為空氣腔，內(nèi)實體頂部距外室體頂部距離為0.4 m，裝有雙面出風送風機，出風口處布置有散流罩。

圖2 全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠Fig.2 Full mesh ventilation wall type plant factory

圖3 三維建模及網(wǎng)格劃分Fig.3 3D modeling and meshing

所設計的通風墻型植物工廠的氣流循環(huán)方式為側進上出式。氣流經(jīng)頂部的多面出風送風機流出，在上層空氣腔內(nèi)由中心向四周流動，后進入內(nèi)、外室體間的空氣腔，穿過2 mm 全網(wǎng)孔通風墻進入栽培區(qū)域，后在內(nèi)室體頂部回風機工作所形成的內(nèi)室體負壓作用下，由下向上流動，經(jīng)出風口流出。

2 植物工廠CFD 模擬與驗證

為驗證全網(wǎng)孔通風墻對植物工廠內(nèi)部環(huán)境因子分布均勻性的提升作用，將無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠作為對照組，全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠作為試驗組，在相同條件下進行模擬，關注各環(huán)境因子變化情況。

2.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖1、圖2 所示的植物工廠結構尺寸數(shù)據(jù)，以地面為基準面，以工廠地面中心點為原點，以正北方向為X軸正向，正東方向為Z軸正向，垂直向上為Y軸正向，利用Solid Works 2017 對有全網(wǎng)孔通風墻和無全網(wǎng)孔通風墻植物工廠分別進行三維建模。無全網(wǎng)孔通風墻植物工廠建模時，在頂部中心處留有1.34 m×2.08 m（按照四排式栽培架通用送風機尺寸設計）矩形出風口，東西墻各設置5 個0.35 m×0.75 m 矩形進風口。全網(wǎng)孔通風墻植物工廠在建模時，將多面出風送風機視為長方體，在外室體頂面距兩側分別為1.28、0.85 m 處留有1.34 m×2.08 m×，0.40 m 的長方體進風口，出風口位于內(nèi)室體頂部中央，尺寸為1.34 m×2.08 m。外墻體與空氣腔合并建模，內(nèi)部其他空間和全網(wǎng)孔通風墻均單獨成塊建模，并用組合功能將外墻體和空氣腔、內(nèi)部空間、全網(wǎng)孔通風墻3 塊組合為一體，具體如圖 3 所示。

通過ICEM CFD 17.0 進行網(wǎng)格劃分，處理為六面體結構化網(wǎng)格。無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠在進出風口、LED 燈盤、栽培架附近的溫梯度變化較快，對其網(wǎng)格進行加密處理。經(jīng)網(wǎng)格獨立性檢驗，最終確認網(wǎng)格數(shù)量為1 012 365，網(wǎng)格質量為0.999。全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠劃分時將2 mm 全網(wǎng)孔通風墻創(chuàng)建為Fluid 類型，用于設置多孔介質模型。在進出風口、LED 燈盤、栽培架附近的溫梯度變化較快，通風墻附近存在較大壓降，故對其網(wǎng)格進行加密處理。經(jīng)網(wǎng)格獨立性檢驗，最終確認網(wǎng)格數(shù)量為1 245 456，最差網(wǎng)格質量為0.997。

2.2 多孔介質模型

在設計的全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠中，通風板上圓孔間距0.035 m，僅1.80 m×0.50 m 的通風板上分布著714 個小圓孔，若將所有圓孔全部進行保留，將會造成巨大的網(wǎng)格量，故需要進行簡化處理。

多孔介質是一種由多相物質共存的組合體，由固體骨架和孔隙組成[19-21]。骨架部分指固體部分，非骨架部分由液體、氣體或氣液共同填充。當氣流體流經(jīng)多孔介質物時，經(jīng)孔隙穿過，骨架會對氣流有一定阻礙作用，氣流經(jīng)過后速度減慢[22]。

多孔介質模型將多孔區(qū)域簡化為增加了阻力源項的流體區(qū)域，常用于流過填充床、濾紙、多孔板、布流器、管排等流動的模擬[23-26]。對于圓孔通風墻，TAO 等[27]用原始模型、多孔介質模型和多孔階躍模型對地鐵客室圓孔通風板模型進行模擬，結果表明多孔介質模型能夠很好的替代通風板的原始模型，其模擬最大誤差僅為4.71%。

多孔介質兩側存在一定壓差，壓差變化與速度等存在以下關系[20-21,28]：

式中Δp為通風板壓力損失，Pa；ρ為空氣密度，取值1.225 kg/m；C2為慣性阻力系數(shù)，m-1；Δn為通風板厚度，本文為4 mm；v為空氣速度，m/s；μ為空氣動力黏度，取值1.8×10-5Pa·s；α為面滲透率，m2。

本設計中，孔板厚度為2 mm，孔隙率為0.249。TAO 等[27]在中南大學試驗平臺所進行試驗通風板（模擬地鐵客室）厚度為2 mm，孔隙率為0.257，兩者通風板厚度相同，孔隙率接近，故采用其所取得通風板壓力損失擬合進行求解：

2.3 邊界條件設置與收斂設置

采用Fluent17.0 軟件對全網(wǎng)孔通風墻模型的邊界條件設置，將通風墻部分設置為單元區(qū)條件（cell zone conditions）下的流體（fluid），開啟多孔性區(qū)域（porous zone），設置慣性阻力系數(shù)為149 795 m-1，設置滲透率為1 005 556 m-2[27]，設置孔隙率為0.249（1.2節(jié)計算得出）。在邊界條件（boundary conditions）中，設置通風墻類型為“多孔躍遷（porous jump）”，輸入通風墻厚度2 mm。其余邊界條件參數(shù)設置相同，具體如表1 所示。

表1 邊界條件參數(shù)Table 1 Boundary condition parameters

采用SIMPLEC 算法進行求解，并采用單元最小二乘法（least squares cell based）法對控制方程進行離散。軟件中“其余選項”均選為二階迎風格式以保證計算精度，設置植物工廠中心點的壓力、速度、溫度、相對濕度、二氧化碳濃度等作為觀測指標。在殘差項設置上，除能量項設置為10-6外[29]，其余均設置為10-3，當殘差均小于設定值或進出口流量差小于1%且觀測指標趨于平穩(wěn)時視為計算結果收斂。

2.4 空氣齡自定義函數(shù)(user defined functions,UDF）

空氣齡（mean age of air,MAA）是衡量空氣新鮮程度的重要指標，指舊空氣被新空氣替代的速度[30]?？諝恺g控制方程張量表達式[31]如下：

式中ui為速度矢量，m/s；A為某點空氣齡，s；ΓA為空氣齡擴散系數(shù)，m2/s；μ為空氣分子動力粘性系數(shù)，Pa·s；Sc為施密特系數(shù)，μt為空氣湍流粘性系數(shù)；Sct為湍流施密特系數(shù)，參考ANSYS Fluent 幫助手冊，取值為0.7；v為運動黏性系數(shù)，m2/s；D為擴散系數(shù)；μs為動量黏性系數(shù)，m2/s。

在本試驗中引入空氣齡，平面內(nèi)各空氣齡差值越小，視為氣流越穩(wěn)定，分布越均勻?？諝恺g計算在模擬計算完成后單獨進行，殘差值小于10-6視為計算收斂。

2.5 CFD 輸出參數(shù)設置

為更好的觀測植物工廠內(nèi)部空間上各指標的分布情況，在X方向上選取X=-1.850 m、X=-0.625 m、X=0.625 m、X=1.850 m 4 個平面，在Y方向上選取Y=0.42 m、Y=1.12 m、Y=1.82 m 共3 個平面，在Z方向上選取在Z=-0.667 m、Z=0.633 m 共2 個平面，運用Tecplot 2019 做切片圖，導出面上數(shù)據(jù)及分布云圖，用CFD-Post 做速度矢量圖、流線圖。

2.6 模擬驗證

為檢驗CFD 及上述參數(shù)設計是否可以用于植物工廠內(nèi)部環(huán)境因子模擬，本研究以2.3 節(jié)的參數(shù)設計為基準，對無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠內(nèi)的溫度、氣流速度的模擬值、實測值及相對誤差情況分別進行分析。以測點位置對稱分布為原則，在單個栽培架每一層栽培區(qū)域東西方向上布置2 個測點，單個栽培架垂直方向上各層間測點布置一致（3 層距地面分別為0.42、1.12、1.82 m），共2×3×4=24 個測點，見圖2 測點位置。

研究采用多功能便攜式溫濕度儀（KIMO-AMI 310）測量植物工廠內(nèi)溫度、相對濕度、氣流速度和二氧化碳。該儀器各指標測量精度分別為：溫度±0.2 ℃、相對濕度±1.8 %RH、氣流速度±0.03 m/s、CO2±50×10-6；各指標分辨率分別為：溫度0.1 ℃、相對濕度0.1 %RH、氣流速度0.01 m/s。數(shù)據(jù)通過美國產(chǎn)坎貝爾 CR3000 數(shù)據(jù)采集儀，每隔30 s 記錄一組數(shù)據(jù)，測量30 min，測量60組數(shù)據(jù)，求取平均值標準差。

3 結果與分析

3.1 CFD 模擬結果驗證

3.1.1 溫度

無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠內(nèi)24 個測點的溫度模擬值、實測值及相對誤差值如圖4 所示。24 個測點中僅有4 個測點相對誤差超過3%，最高和最低相對誤差分別為3.54%、0.19%，各測點溫度模擬值與實測值平均相對誤差為1.69%，溫度模擬總體較為準確。

圖4 植物工廠內(nèi)各測點溫度模擬值、實測值及相對誤差Fig.4 Simulated value,measured value and relative error of temperature at each measuring point in plant factory

3.1.2 氣流速度值比較

圖5 展示了無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠內(nèi)24 個測點的氣流速度模擬值、實測值及相對誤差情況。24 個測點氣流速度模擬值與實測值平均相對誤差為3.54%，相對誤差值為0.78%～6.48%，其中2 個測點相對誤差超過5%，氣流速度模擬值與實測值的大小及變化趨勢較為一致。各測點中，P15 相對誤差最大，達6.48 %。氣流速度較低點相對誤差較大，可能與氣流速度較低的條件下儀器測量精度相對較低有關。總體而言，氣流速度模擬較為準確。

3.2 溫度場分析

表2 為有通風墻和無通風墻植物工廠溫度場分布情況。通過表2 可知，無全網(wǎng)孔通風墻條件下，平均溫度為21.8 ℃，高出全網(wǎng)孔通風墻型0.6 ℃；溫度分布變異系數(shù)4.65%高于全網(wǎng)孔通風墻型（2.27%），全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠溫度分布更加均勻。

圖6 為模擬所得溫度分布情況。無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠不同層高間，溫度分布存在差異，下層平均溫度明顯高于上中2 層。全網(wǎng)孔通風墻型4 個栽培架間溫度差異不明顯，兩側栽培架作物種植區(qū)域溫度分布均勻。中間2 個栽培架上、中2 層呈現(xiàn)單峰分布，中間高，四周低；底層呈現(xiàn)多峰分布。

圖6 植物工廠溫度場分布云圖Fig.6 Temperature field distribution cloud picture of plant factory

無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠出風口設置于頂部中心位置，進風口設置于工廠長邊兩側的墻上，氣流經(jīng)兩側進入后，無阻力阻擋，在頂部負壓風機的作用下，氣流迅速向上運動流出，難以向四周及下層流動，氣流對流換熱減少，導致下層平均溫度較高，空間上溫度分布不均勻。全網(wǎng)孔通風墻型改進了氣流運動軌跡，氣流經(jīng)出風口吹出，在重力作用下在空氣腔內(nèi)加速運動后，經(jīng)2 mm 通風墻由四周吹向內(nèi)室體中心，氣流流經(jīng)作物種植區(qū)域，對流換熱作用增強，降溫效果好，因此整體溫度較低，且整體分布更為均勻。

3.3 氣流速度場分析

圖7 展示植物工廠不同平面的氣流流速分布。其中，無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠出風口附近存在明顯的氣流速度梯度變化，氣流速度最大達4.0 m/s，底層及靠近栽培板面處存在空氣滯留區(qū)。幾乎所有栽培區(qū)均存在較明顯的氣流速度差異，氣流速度分布不均勻（圖7a）。全網(wǎng)孔通風墻型4 個層架間氣流速度差異不明顯，兩側栽培架作物種植區(qū)域（最上層不種植作物）氣流速度均勻分布于0.3～1.0 m/s 之間，中間2 個栽培架上、中、下3 層均存在少量區(qū)域氣流速度小于0.3 m/s（圖7b）。無全網(wǎng)孔通風墻型在進風口附近存在大量氣流過速區(qū)，最大速度可達3.47 m/s（圖7c）；而全網(wǎng)孔通風墻型3 層種植區(qū)域內(nèi)大部分處于適宜風速區(qū)，少量區(qū)域存在空氣滯留，在頂層栽培架上，在過道處存少量區(qū)域氣流速度超過1.0 m/s（圖7d）。全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠氣流速度變異系數(shù)為63.21%。整體而言，全網(wǎng)孔通風墻型氣流速度分布較側進上出式均勻。

圖7 植物工廠氣流場分布云圖Fig.7 Air flow field distribution cloud picture of plant factory

表3 展示植物工廠不同平面的適宜風速占比情況（0.3～1.0 m/s 為適宜風速）。由表3 可知，全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠相較于無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠的適宜風速占比整體提升了20.05 %，風速過速區(qū)比例降低19.32 %，兩側栽培架適宜風速區(qū)占比提升30.59 %，中間兩排栽培架適宜風速區(qū)占比提升9.5 %，兩側風速停滯區(qū)降低13.87 %，中間兩排栽培風速停滯區(qū)提升12.41 %。全網(wǎng)孔通風墻型明顯提升了適宜風速區(qū)占比。

表3 植物工廠長度方向適宜風速占比Table 3 Proportion of wind speed suitable in length for plant factories %

3.4 CO2 濃度場分析

圖8 為植物工廠的CO2濃度場分布。

圖8 植物工廠CO2 濃度場分布云圖Fig.8 Cloud image of CO2 concentration field distribution in plant factory

由圖可知，無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠CO2氣體自栽培板處向上隨氣流方向彌漫擴散，濃度梯度變化程度大，接進栽培板處濃度最高，隨高度上升濃度逐漸降低。在中間過道底層存在明顯的CO2聚集，濃度較高。全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠東西兩側栽培架CO2濃度場分布相對均勻；相比于栽培架中部，最上層CO2濃度場分布更為均勻；4 個栽培架中，中間2 個栽培架存在較大濃度梯度變化，由栽培板向上遞減。通過計算可得全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠CO2濃度變異系數(shù)為107.31%。

CO2濃度分布與氣流流動軌跡有關，無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠內(nèi)氣流軌跡單一，運動路程較短，氣流流動較少處濃度變化較大。全網(wǎng)孔通風墻的氣流流動軌跡改變了CO2濃度分布，氣流經(jīng)四周通風墻流入經(jīng)頂部出風口流出，氣流流動過程帶動CO2氣體，而全網(wǎng)孔通風墻的設計延伸了氣流的運動軌跡，有效提高植物工廠內(nèi)CO2濃度場均勻性。

3.5 相對濕度場分析

圖9 展示植物工廠不同平面相對濕度場分布。由圖可知，無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠的相對濕度整體低于全網(wǎng)孔通風墻型。無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠相對濕度的整體分布于47%～67%，在層架間分布與溫度分布類似，各個栽培區(qū)域內(nèi)濕度跨度梯度較大，底層平均相對濕度最低，為54.86%，整體分布不均勻。全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠兩側栽培架相對濕度均勻分布于61%～67%，靠近栽培板面相對濕度較低；中間兩排栽培架相對濕度分布存在一定差異，均勻性較兩側栽培架低。全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠相對濕度變異系數(shù)為5.87%。全網(wǎng)孔通風墻型兩側栽培架相對濕度分布均勻性相較于無全網(wǎng)孔通風墻型均有提升。

圖9 植物工廠相對濕度場分布云圖Fig.9 Cloud image of relative humidity (RH) field distribution in plant factory

3.6 不同類型植物工廠空氣齡分析

圖10 展示植物工廠不同平面空氣齡分布。由圖可知，無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠整體平均空氣齡為54.67 s，單個層架內(nèi)靠近東西墻兩側的空氣齡速度略微慢，中間部分空氣齡相當。全網(wǎng)孔通風墻型整體平均空氣齡為6.11 s，同排栽培架層間有明顯的差異，底層運動軌跡最長，空氣齡最大，換氣所需時間最長為7.5 s，依次向上降低。整體而言，全網(wǎng)孔通風墻型空氣齡僅為無全網(wǎng)孔通風墻型的1/9，全網(wǎng)孔通風墻有效提升空氣更新效率。

圖10 植物工廠空氣齡分布云圖Fig.10 Mean age of air (MAA) distribution cloud map of plant factories

空氣齡與氣流流動有關，氣流流動激烈，流通性高，則空氣更新效率高，空氣齡小。圖11 展示了植物工廠的氣流流線圖。

圖11 植物工廠氣流流線圖Fig.11 Plant factory air flow diagram

從圖11a～11b 可知，無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠氣流自進風口進入后分2 種情況。上、中兩排出風口流出氣流在風機負壓作用下快速經(jīng)出風口流出，下排出風口流出氣流在底層栽培架內(nèi)自由流動形成渦流，難以從出風口排出，導致氣流流通性較差，空氣更新效率較低，空氣齡較大。全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠的氣流流動軌跡通透（圖11c～11d），兩側兩排栽培架作物栽培區(qū)域內(nèi)來自四個方向的氣流不斷單向流入，促使栽培區(qū)域內(nèi)的氣流不斷向過道流動，過道處垂直方向上無栽培板阻力，氣流在風機負壓作用下可以順利流出，因此整體流通性有明顯提高。中間2 排栽培架底層氣流流經(jīng)較少，可能是由于運動軌跡過長或者經(jīng)通風墻流入作物栽培區(qū)域時初速度較小，氣流流動過程中動量減少，在經(jīng)過過道時垂直方向分力大于水平方向分力，氣流垂直向上流動，無法穿越底層栽培區(qū)域經(jīng)中間過道流向出風口。

3.7 全網(wǎng)孔通風墻流線速度變化分析

為更好描述全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠作物栽培區(qū)域速度隨X軸方向的變化，在空間內(nèi)取L1～L6 流線（圖12a），用Tecplot 2019 導出流線上速度數(shù)據(jù)，用Origin 做流線變化圖，如圖12b 所示。整體而言，速度自邊緣向中心方向上，速度先增大后減小，在第一過道處有小幅提升，而后再迅速下降，隨著高度升高，速度降低。底層流線速度在X=-1.0 m 和X=1.0 m 處降低至0.3 m/s 以下，中層流線速度在X=-0.75 m 和X=0.75 m處降低至0.3 m/s 以下，而上層流線速度均處于0.3～1.0 m/s 內(nèi)。

圖12 全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠氣流流線-速度圖Fig.12 Flow line-velocity diagram of full-mesh ventilated wall type plant factory

為更好分析底層流線速度較低問題，取流線X方向做分速度（圖12c）。由圖可知，氣流經(jīng)通風墻吹出后呈現(xiàn)先加速后減速狀態(tài)，速度趨近于0，接近停滯狀態(tài)。經(jīng)通風墻流出平均分速度為0.28 m/s，而在中間兩排栽培架中點處平均分速度僅為0.05 m/s，底層平均分速度僅為0.04 m/s，速度降幅明顯。分速度不足導致該方向動能不足，因此氣流無法穿越底層栽培區(qū)域經(jīng)中間過道流向出風口，底層氣流存在氣流停滯，均勻性較低。

4 結論

本研究基于均流板原理進行通風墻型植物工廠循環(huán)送風系統(tǒng)設計，比較了有通風墻和無通風墻條件下植物工廠溫度、氣流速度、CO2濃度、相對濕度、空氣齡分布情況，及作物栽培區(qū)域內(nèi)6 條流線速度變化情況，主要結果如下：

1）無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠各測量點溫度、氣流速度模擬值與實測值平均相對誤差分別為1.69%、3.54%，模擬值與實測值變化趨勢基本一致，模擬結果可靠，可以將CFD 用于全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠各環(huán)境因子模擬；

2）全網(wǎng)孔通風墻設計改變原有氣流運動軌跡，增加了熱對流作用，促進溫室降溫，提升了溫度分布均勻性；

3）全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠增加了中下層氣流流量，緩解了原有結構的氣流停滯區(qū)域占比，適宜風速區(qū)域占比相較于無全網(wǎng)孔通風墻型提升20.05%，且明顯提升植物工廠內(nèi)CO2分布的均勻性；

4）全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠內(nèi)相對濕度優(yōu)于無全網(wǎng)孔通風墻型，其均勻性明顯提升；全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠的平均空氣齡僅為無全網(wǎng)孔通風墻型的1/9，為7.5 s，空氣更新效率有效提升。

全網(wǎng)孔通風墻結構對植物工廠內(nèi)環(huán)境因子分布均勻性具有明顯提升作用。