發布時間：2020-05-30所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為了提高食用菌的成品率和大規模生產，需要了解食用菌廠房內環境分布總體狀況以維持培養房內溫度及其均勻性，以上海某食用菌廠房為研究對象，首先利用CFD軟件建立三維模型、仿真，并對比模擬結果與試驗結果，證明模擬數據的有效性和可行性，最終提出4種
摘要:為了提高食用菌的成品率和大規模生產，需要了解食用菌廠房內環境分布總體狀況以維持培養房內溫度及其均勻性，以上海某食用菌廠房為研究對象，首先利用CFD軟件建立三維模型、仿真，并對比模擬結果與試驗結果，證明模擬數據的有效性和可行性，最終提出4種方案，對不同方案模擬結果的對比，選取最優方案.結果表明:標高0.1，1.8和3.5m處平均溫度與數值模擬結果差距1.0℃左右，基本比較吻合.其中方案1安裝噴嘴裝置，在改善培養房間的流場和溫度場分布，提高房間內溫度分布的均勻性的作用最為突出，但增加一定的能耗，并沒有達到節能的目的.開展廠房內環境分布的研究與優化工作，給生產操作提出指導意見，在增加食用菌產量方面具有重要意義.
關鍵詞:食用菌廠房;換熱;數值計算;優化
21世紀后，食用菌生產在中國得到了蓬勃發展，形成了工廠化大規模的生產模式.食用菌工廠密集排列著裝有食用菌培養瓶的箱體，廠房內環境溫度及濕度的分布不均勻，增加了預測和控制的難度.食用菌需要合適的溫度，如金針菇的合適溫度在13℃附近，在高溫下或低溫均會影響食用菌生長緩慢或無產量，因此，合適的溫度控制是食用菌工廠需要解決關鍵問題[1-2].
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食用菌工廠化的生產方式始于1947年，通過調控溫濕度與通風等環境條件在荷蘭實現雙孢蘑菇的栽培，開啟了草腐菌工業化的生產過程，到20世紀60年代初，日本率先實現了食用菌瓶栽的生長方式，在1965年建成了世界第一家現代食用菌生產工廠[3-4].20世紀90年代，技術密集型的瓶式栽培技術由臺資金針菇企業率先引進，在袋料栽培技術的生產和技術上進行了創新和突破[5].
采用CFD模擬、優化培養房內換熱和通風的研究可以追溯到20世紀80年代.1989年，OKUUSHIMA等[6]首次運用CFD軟件研究單跨度斜頂的無作物溫室的通風問題.但是受限于當時的計算機水平，網格部分不理想，最終的模擬結果和風洞試驗不能較好吻合.2004年，BARTZANAS等[7]研究風動型溫室，分析溫室通風率變化對溫室內溫度場分布的影響.2006年，KHAOUA等[8]使用二維CFD模型，針對風速和屋頂通風口配置區域化的溫室中氣流和溫度模式的影響進行了模擬研究.相比于國外研究，國內在溫室環境的模擬研究中使用CFD技術較晚.李永欣等[9]以荷蘭Venlo型玻璃溫室作為研究對象，在自然通風工況下，用CFD軟件研究分析了采用屋頂噴淋降溫措施與外遮陽相結合的降溫效果以及其他驗證.王健等[10-11]則通過CFD數值模擬研究分析了單棟溫室和連棟溫室內部的流場，但缺少模擬結果的試驗驗證環節.呂書強[12]就關于窗口位置和尺寸對住宅室內自然通風的影響及效果進行了評價.上述研究均忽略或簡化農作物存在的影響，關于農作物對溫室內氣流場的影響需要更深入且準確的研究.李永欣[13]將溫室內的作物采用多孔介質模擬來近似處理，并考慮作物與環境之間的顯熱交換.譚勝男[14]選取荷蘭Venlo型玻璃溫室為研究對象，將CFD模擬方法運用到溫室內考察溫度場與濕度場的分布情況.沈敏[15]研究了食用菌廠房環境的模擬驗證與優化，但優化方案相對比較單一，只對回風口和送風角度進行了優化，建模比較粗糙.
研究表明，運用CFD技術對溫度內的氣流場、溫濕度場等環境條件進行模擬計算，可以實現參數的最優選擇與控制，并提供優化措施改善溫室內的溫度分布場的均勻性.文中運用CFD技術研究如何控制食用菌廠房內的溫度場，提出改進方案，降低廠房溫差，以便利于食用菌的生長.
1食用菌廠房的暖通設計
文中以某金針菇廠房中期養菌室為原型進行研究.廠房長為65.0m，寬為37.2m，高為5.5m，中間走道寬為5.0m，風機安裝在離地4.4m高的地方，金針菇箱體總高3.5m，采用瓶內栽培方式，瓶體采取累積疊加的形式擺放比較密集，如圖1所示，廠房內空氣流動如圖2所示.
金針菇屬于低溫、好氧型真菌，最佳生長溫度為13～14℃，在密封的廠房內，自然通風的氣流流動性較差，需要開啟風機保證氣流的流通性，使廠房內環境維持在金針菇適宜生長的范圍內.圖2中，藍色線為風機進口區域，紅色線為風機出口區域，下方為食用菌生長區.可以看出冷風從風機中水平吹出，并經導流板作用改變方向，垂直向下吹動，當到達地面時，向著溫度較高的金針菇生長區流動，進行降溫，最終從風機出口處流出，形成一個循環流動，達到整體降溫效果
2CFD模型
2.1物理模型
廠房布局為周期性布局，為簡化計算過程，數值計算過程均使用切片模型，切片長為6.0m，寬為37.2m，高為5.5m，每個切片共有6臺風機，每臺風機的進、出口面積均為0.27m2.為方便結構網格劃分，將廠房模型導流板由圓弧狀改為直板型，食用菌瓶體、箱體之間的細小縫隙忽略不計，作整體考慮，箱體占據的空間考慮為多孔介質區域，如圖3所示.
2.2計算方法及邊界條件
基于有限體積法的商業CFD軟件ANSYSFluent14.5，采用穩態求解.根據工廠操作經驗，風機運行時間為全天的2/3時間，因此在模擬中，假設風機運行的流量為其額定流量的2/3，保證風機模擬的換熱空氣體積與實際情況一致.將風機出口面積改為原始面積的2/3，保證風機出口流體的初始動量，使風機出口處冷風初速度與工廠測量值一致.將菇房內的空氣作為計算域，風機進口采用速度進口，初速度10m/s，出口為壓力出口.湍流模型選擇標準k-ε模型，近壁面采用“EnhancedWallTreatment”壁面函數，同時選擇“FullBuoyancyEffects”選項，強調壁溫作用和浮升力的作用，打開能量方程和重力項.食用菌箱體內部有木屑等所需生長土壤，為簡化食用菌箱體部分流場結構，將箱體部分流場設置為多孔介質，食用菌由于呼吸、蒸騰作用與周圍空氣交換的熱量以生長區域的能量源項形式輸入，將箱體部分設置為熱源，根據每瓶食用菌單位時間內平均發熱量為0.2W的條件，因此將食用菌箱體內熱源定義為30W/m3.前處理中涉及的溫度條件均按照實地測量值進行設置，風機進口處溫度為11.2℃，圖1中上下2個墻面溫度均為14.5℃，左側或右側墻面溫度為14.3℃，廠房頂部壁面溫度為12.0℃.計算設置的收斂殘差為0.0001，其中能量項的殘差為10-6.
2.3模擬結果
根據以上設置，對切片原始模型進行模擬、分析，得到模型垂直中切溫度分布云圖如圖4a所示.由圖4a中可以看出，培養瓶箱體上部分溫度分布比較均勻，約為13.0℃，下部分溫度梯度較大，食用菌廠房最大溫差為3.3℃，其中最低溫度為11.2℃，位于風機出風口的地方，最高溫度14.5℃，位于墻體壁面附近.食用菌生長區最大溫差為1.6℃，最高溫度為13.7℃，位于風機下方的箱體處，最低溫度為12.1℃，位于導流板下方.模擬結果廠房標高0.1，1.8和3.5m處平均溫度分別為12.9，12.6和12.5℃.
觀察空氣流動方向，分析速度分布云圖如圖4b所示.因在生長區域，空氣阻力較大，空氣流動速度低，所以后處理中速度標尺為0～2m/s，以便更清晰顯示生長區域速度分布情況.圖中可以看出從風機進口出來的冷氣水平吹出，由于導流板的影響冷氣沿導流板向下運動，對廠房內部的食用菌箱體進行降溫，當接近地面時速度明顯降低，由于底部的食用菌瓶體擺放比較密集，阻力較大，低速的冷氣難以穿透食用菌箱體.因此，在風機正下方的生長區域產生的熱量很難通過冷風帶走，與溫度分布云圖基本一致.
2.4試驗驗證
為了檢驗數值模擬的準確性，對食用菌廠房內實測溫度結果與數值模擬結果進行對比驗證.試驗場地為上海某食用菌廠房，采用手持式紅外溫度計測量墻面溫度，溫度精度為±0.5℃，采用熱線風速儀測量走道和箱體之間通道內空氣速度和溫度，風速精度為±0.01m/s，溫度精度為±0.1℃.試驗測量了1/4食用菌廠房的食用菌箱體之間各走道的溫度分布，分別測量了標高0.1，1.8和3.5m處的溫度.從試驗結果分析表明，風機正下方的走道處溫度最高，導流罩下方走道溫度最低，與實際情況(標高0.1，1.8和3.5m處平均溫度分別為14.0，14.0和13.0℃)相符合，與數值模擬結果相差1.0℃左右.綜上，可以認為數值模擬計算結果具有一定的可信度，可以反映真實的廠房溫度分布.
3改進方案數值預測
3.1改進方案
由上述原始模型的模擬結果可知，廠房內環境分布還不夠均勻，尤其是食用菌箱體下方的空氣流動較差，部分區域達不到食用菌的環境要求，不利于食用菌的生長.
因此，文中提出4種不同方案，尋求增強箱體底部空氣流動性并減小整體溫差的最優方案，各方案的溫度與速度云圖如圖5，6所示.
①方案1，在廠房內安裝布置一定數量的噴嘴降溫裝置，2個噴嘴出口均為口徑100mm的圓形出口，相距500mm，下方的圓形出口圓心距離地面1000mm.噴嘴裝置水平放置，垂直向上噴出.由于噴嘴設定的進口面積較小，需吹動較大空間的空氣，需較大的動能，因此噴嘴進口的速度設置較大，數值為25m/s，溫度12℃.②方案2，改變風機的原有安裝位置，風機前移3.6m，其他不變.③方案3，改變風機的進出口位置，進口位置不變，出口位置轉至下方，進出口面積保持不變.④方案4，在食用菌生長區添加橫向間隙，生長區域橫向平分3份，間距為100mm.
3.2數值模擬
根據上述4種不同方案進行數值模擬，并進行結果分析.
①方案1，噴嘴的作用主要是推動廠房內較高溫度處的空氣垂直方向的流動，不斷補充冷空氣，促進整體廠房的空氣流通循環，達到整體廠房降溫的目的.在食用菌生長區最高溫度約為13.0℃，最低溫度約為12.1℃，溫差0.9℃，且標高0.1，1.8和3.5m處的平均溫度分別為12.5，12.3和12.3℃，溫差不足1.0℃，與速度分布云圖(尤其箱體部位的速度分布)所體現的一致，但添加了噴嘴裝置，雖效果較為明顯，廠房內能耗有所增加，需要廠家權衡選擇.②方案2，改變風機的安裝位置的目的在于增加冷風到達地面的動能，以便更好地促進箱體部位的空氣流動.食用菌生長區最高溫度約為13.4℃，最低溫度約為12.1℃，溫差1.3℃，且標高0.1，1.8和3.5m處的平均溫度分別為12.6，12.5和12.5℃，優化結果不如方案1，較原始模型也有所改善，與速度分布云圖(尤其箱體部位的速度分布)所體現的一致.③方案3，改變風機的出口位置于正下方是為了降低冷風進入出口處的能耗，有利于廠房空氣循環的流通.在食用菌生長區最高溫度約為13.4℃，最低溫度約為12.1℃，溫差1.3℃，且標高0.1，1.8和3.5m處的平均溫度分別為12.5，12.5和12.4℃，優化結果基本與方案2相同，與速度分布云圖(尤其箱體部位的速度分布)所體現的一致.④方案4，在食用菌生長區添加橫向間隙，降低冷風在食用菌箱體生長區的阻力系數，有利于廠房空氣循環的流通.在食用菌生長區最高溫度約為13.6℃，最低溫度約為12.1℃，溫差1.5℃，且標高0.1，1.8和3.5m處的平均溫度分別為12.7，12.5和12.6℃，優化結果較原始結果成效最差，與速度分布云圖(尤其箱體部位的速度分布)所體現的也很一致.
模擬結果說明，根據原始模型的溫度分布云圖結果所表現出來的不足，提出4種優化方案都有所改善，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的優點在于優化效果明顯，缺點是能耗增加，所以需要權衡選擇.而方案2，3的優點在于耗能不變，布置變更簡單，但優化效果略差于方案1.在4種方案中，速度分布云圖表現的其分布情況基本與溫度分布云圖所對應，較原始模型底層速度幾乎為0的情況都有所改善，其中方案1改善最佳.總體而言，通過4種優化方案的模擬，結果可以看出:廠房內的氣體流通性增加，提高了廠房內環境分布的均勻性，更有利于食用菌的生長.
4結論
1)研究選擇標準k-ε湍流模型，將箱體部分流場設置為多孔介質，采用經驗數據及實測數據作為邊界條件及初始條件，通過對食用菌廠房的溫度場的數值模擬及分析，預測了廠房內空氣流動及溫度分布規律.與試驗結果的比較表明，標高0.1，1.8和3.5m處平均溫度與數值模擬結果差距1℃左右，基本比較吻合，因此數值模擬計算結果具有較好的準確性.
2)提出4種不同改進方案，通過數值模擬，得出溫度分布、速度分布云圖，食用菌箱體處各位置溫差進一步減小，且平均溫度降低，根據模擬結果，方案1安裝噴嘴裝置，在改善培養房間的流場和溫度場分布，提高房間內溫度分布的均勻性的作用最為突出，噴嘴的作用分析主要是推動廠房內較高溫度處的空氣垂直方向的流動，致使冷空氣的不斷補充，促進整體廠房的空氣流通循環，達到整體廠房降溫的目的.但如果在每個風機下面安裝噴嘴需要消耗大量的設備投入.維修和人力成本，同時增加一定的能耗，并沒有達到節能的目的.因此，后續的研究還可以繼續提升.——論文作者：李力，李紅 ，趙睿杰，向清江
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