CN113283188B - 一种在扰流风扇作用下的植物工厂的流场计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及流场的计算领域，公开了一种在扰流风扇作用下的植物工厂的流场计算方法，包括如下步骤：S10，按照边界条件，采用动量方程和连续方程计算流场计算域的初始分布；S20，计算扰流风扇的扰流速度和流动流量qv；S30，通过扰流速度和流动流量qv将扰流风扇的射流作用简化为力F；S40，将力F设置为源项嵌入到流场计算域的动量方程，获得动量修正方程；S50，求解动量修正方程和连续性方程，获得每个网格的流场数据，S60,计算结果进行收敛判断；S70，输出收敛结果，本发明方法能够简化扰流风扇的扰流作用的计算步骤，加快计算速度。

Description

一种在扰流风扇作用下的植物工厂的流场计算方法
技术领域
本发明涉及流场的计算领域，特别是一种在扰流风扇作用下的植物工厂的流场计算方法。
背景技术
植物工厂是农业发展的高级阶段，代表着未来农业发展的方向。在植物工厂内，用具有特定分布光谱的LED灯来代替太阳光，LED灯散发出来的多余热量通过工厂的空调系统带走。当工厂内部存在多层模组架时，空间温度场不均匀性加剧，难以满足植物工厂中植物对温度场的精准需求。此时需要采取一定的措施如风扇扰流的方法来对局部超温地区进行降温。风扇位置、数量、风速档位等参数的最优选择可通过数值计算的方法来确定。
在计算扰流风扇的扰流作用时，传统CFD方法是将风扇叶片周围的区域同模组架流动区域进行同样的处理：网格划分、控制方程离散并进行离散方程的求解，最终获得风扇对流场和温度场的影响。由于叶片尺寸较小且形状不规则，因此其周围区域网格划分十分困难且较为繁琐；尤其当风扇数量增加时，工作量将成倍增加。
发明内容
为此，需要提供一种在扰流风扇作用下的植物工厂的流场计算方法，解决现有计算方法，计算量大，工作繁琐、计算效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种在扰流风扇作用下的植物工厂的流场计算方法，植物工厂具有多层种植层架，每层种植层架的侧边上固定有扰流风扇，扰流风扇朝向植物工厂内部，计算方法包括如下步骤：
S10，以每层种植层架为流场计算域，流场计算域进行网格划分，测定流场计算域的边界条件，按照测定的边界条件，采用动量方程和连续方程计算流场计算域的初始分布；
S20，计算扰流风扇的扰流速度和流动流量qv；
S30，通过扰流速度和流动流量qv将扰流风扇的扰流作用简化为力F，扰流速度/>和力F的关系如式1：
其中ρ表示空气的密度；
S40，将力F设置为源项嵌入到流场计算域的动量方程，获得动量修正方程；
S50，求解动量修正方程和连续性方程，获得每个网格的流场数据；
S60,判断每个网格的流场数据是否都小于收敛残差，若是执行步骤S70，若否，重新确定网格单元疏密程度，返回步骤S10；
S70，输出收敛结果。
进一步，所述植物工厂所在空间为栽培空间，所述栽培空间设有进风口和回风口，进风口向栽培空间内通入冷却空气，换热后的冷空气通过回风口从栽培空间流出，，S10中，边界条件包括出口边界条件和进风边界条件，进风边界条件为进风口的速度和温度，出口边界条件为回风口的压力，代入流场的控制方程和连续方程，解得植物工厂内部的速度、温度分布。
进一步，S10中，使用结构化或非结构化网格划分流场计算域，之后再计算流场计算域内的初始分布。
进一步，流场计算域经过网格划分之后，进行网格无关性验证，得到最优网格数，具体过程如下：
S11,在流场计算域内划分网格，网格的划分密度沿远离扰流风扇的方向逐渐降低；
S12,进行网格无关性验证，以阻力系数和气体轮廓为作为验证标准，取多组不同网格数的流域进行相同工况的计算，针对计算结果取稳定流场中的气体轮廓和阻力系数，前后两次预测结果均与实验结果差异小于预设值时，网格达到计算精度，此时为最优值，即得到最优网格数。
进一步，在S20中，包括如下步骤：
S21，选定一个距离扰流风扇所在截面d1、半径为d2的圆形截面；
S22，将圆形截面分为面积相等的n个圆环，在每个圆环边界上等距离的布置m个测点，则共有n*m个测点，每个测点测量得速度vi；
S23，以速度vi等于零的测点为扰流作用区的边界点，边界点所在的圆环以内的区域为扰流作用区的有效区域；
S24，将有效区域内的所有测点测得的速度vi取平均值得扰流速度
S25，速度与该有效区域面积Ai的乘积为qv。
进一步，所述d1和d2的关系为d2≥d1+d，d为风扇直径。
进一步，S40中，将力F折合为单位体积中的受力SF，SF作为源项添加在动量方程内，获得动量修正方程，射流孔的扰流作用区取为圆柱形，扰流作用区的底面面积为A，厚度为t，
SF与F的关系如式2：
SF在x，y，z三个方向的分量如式3-式5：
动量修正方程如式6-式8
其中vx、vy、vz为速度矢量三个坐标方向对应的分速度，x、y、z为计算建立的三个笛卡尔坐标，p为压力，μ为空气动力粘性系数。
进一步，扰流作用区的起始位置为扰流风扇的叶片所在截面，扰流作用区的底面面积A为扰流风扇所在截面的圆面面积，圆柱形的射流作用区的厚度t为N个网格的厚度，N为正整整。
进一步，S60中，收敛残差为1*10-4。
进一步，植物工厂的每层种植层架对应多个扰流风扇，多个扰流风扇在种植层架上间隔设置，扰流风扇的间隔为400mm-1500mm。
进一步，所述扰流风扇的风速限定为1-15m/s。
进一步，植物工厂上每层种植层架的高度为0.4-1.0m，所述扰流风扇固定在植物工厂每层种植层架的顶部。
上述技术方案具有以下有益效果：
本发明中将扰流风扇的作用简化为力F和质量流量并引入到传统的流场控制方程中，对初始的流场计算域进行校正，计算的结果不断的进行收敛，提高计算的准确性，同时，在整个方法中，无需对扰流风扇的扰流作用区进行网格划分，避免了大量的计算量，有效的简化计算步骤，提高了在扰流风扇扰流作用的流场的计算效率。
附图说明
图1为具体实施方式所述植物工厂的结构图。
图2为具体实施方式所述流场计算方法的流程框图。
附图标记说明：
1、植物工厂；2、扰流风扇。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本实施例提供一种在扰流风扇作用下的植物工厂的流场计算方法，本发明的流场的计算方法使用于植物工厂1上固定有扰流风扇2的情况，植物工厂1具有多层种植层架，每层种植层架的侧边上固定有若干个扰流风扇2，每层种植层架可以设置多个扰流风扇2，扰流风扇2的间隔为400-1500mm，扰流风扇2为电脑CPU散热风扇,扰流风扇2可以设置为风速可调节的风扇，扰流风扇2的输出风速在1-15m/s之间可调，植物工厂1上每层种植层架的高度为0.4m、0.5m、0.6m、0.8m或1.0m，适用于本发明的计算方法。
如图2所示，计算方法包括如下步骤：
S10，以每层种植层架为流场计算域，流场计算域进行网格划分，测定流场计算域的边界条件给定边界条件，采用动量方程和连续方程计算流场计算域的初始分布；
本发明实施例中，动量方程和连续方程如下：
动量方程组
连续性方程：
以植物工厂所在空间为栽培空间，所述栽培空间设有进风口和回风口，进风口向栽培空间内通入冷却空气，换热后的冷空气通过回风口从栽培空间流出，边界条件包括出口边界条件和进风边界条件，进风边界条件为进风口的速度和温度，出口边界条件为回风口的压力，代入上述流场的动量方程和连续方程，可以解得植物工厂内部的速度、温度分布。
本发明实施例中，计算流场计算域内的初始分布之前，流场计算域内进行结构化网格或非结构化网格划分，网格的划分方法可以为分解法、网格模版法和综合法。流场计算域网格划分完之后，进行网格无关性验证，得到最优网格数，具体的包括如下步骤：
S11,在流场计算域内划分网格，网格的划分密度沿远离扰流风扇的方向逐渐降低；
S12,进行网格无关性验证，以阻力系数和气体轮廓为作为验证标准，取多组不同网格数的流域进行相同工况的计算，针对计算结果取稳定流场中的气体轮廓和阻力系数，前后两次预测结果均与实验结果差异小于预设值时，网格达到计算精度，此时为最优值，即得到最优网格数；
S20，计算管道扰流风扇的扰流速度和流动流量qv；
具体的计算过程包括如下步骤：
S21，选定一个距离扰流风扇截面距离为d1、半径为d2的圆形截面，具体的，d2≥d1+d，d为风扇直径；
S22，将该圆形截面分为面积相等的n个圆环，在每个圆环边界上等距离的布置m个测点，则共有n*m个测点，每个测点测量得速度vi，测点的速度vi应沿着圆形截面半径增大的方向逐渐增加然后再减小；
S23，以速度vi等于零的测点为扰流风扇的扰流作用区的边界点，边界点所在的圆环以内的区域为扰流作用区的有效区域；
S24，将有效区域内的所有测点测得的速度vi加和取平均值得扰流速度
S25，扰流速度与该有效区域面积Ai的乘积为qv。
以风扇的直径为0.1m，种植层架高度为0.4m为例。
选定d1＝0.15m，d2＝0.25m，n＝5，m＝4，利用速度仪或粒子成像测速技术测量每个测速点的速度vi，测定得第四个圆环上的测速点为零。以该圆环为界限，以内的十二个测速点的速度进行加和并求取平均速，求得扰流速度S30，通过扰流速度/>和流动流量qv将射流孔的射流作用简化为力F，射流速度/>和力F的关系如式1：
其中ρ表示空气的密度，ρ的密度取值1.293kg/m3；
以扰流速度为例，
S40，将力F设置为源项嵌入到流场计算域的动量方程，获得动量修正方程；
本发明实施例中，将力F折合为单位体积中的受力SF，SF作为源项添加在动量方程内，获得动量修正方程，扰流风扇的扰流作用区取为圆柱形，射流作用区的底面面积为A，厚度为t，
SF与F的关系如式2：
SF在x，y，z三个方向的分量如式3-式5：
动量修正方程如式6-式8
其中vx、vy、vz为速度矢量三个坐标方向对应的分速度，x、y、z为计算建立的三个笛卡尔坐标，p为压力，ν为空气运动粘性系数。
扰流作用区的起始位置为扰流风扇的叶片所在截面，扰流作用区的底面面积A为扰流风扇的圆面面积，圆柱形的扰流作用区的厚度t为N个网格的厚度，N为正整整，具体的N的取值为2、3、4、5、6、7、8等，。
S50，求解动量修正方程和连续性方程，获得每个网格的流场数据；
S60,判断每个网格的流场数据是否都小于收敛残差，若是执行步骤S70，若否，重新确定网格单元疏密程度，返回步骤S10,收敛残差为1*10-4；
S70，输出收敛结果。
本实施例中，根据计算结果与实际流场计算区域的数据的残差来判断计算结果是否收敛，如果未收敛，则返回S10重新选择参数进行计算，重新计算的过程中，重新确定边界条件或网格单元的疏密程度，不断迭代计算下，使得流场计算域的计算结果收敛与实际的流场数据，由此不断提高计算结果的准确性，且本方案中，将扰流风扇对种植层架内的扰流作用进行单独分解，简化了计算过程，提高了流场计算效率，且通过收敛残差的判断，可以有效的控制计算精度，使得植物工厂可以通过扰流风扇的作用对种植层架内的局部超温地区进行精准的降温。
本发明方法基于SIMPLE算法，在计算过程先对流程计算域内进行初始化，之后通过计算扰流风扇对流场的扰动作用而对初始化的分布进行修正，其中扰动速度和扰流作用区参数的选择能够提高数值模拟的稳定性并且增加计算的收敛速度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在扰流风扇作用下的植物工厂的流场计算方法，其特征在于，植物工厂具有多层种植层架，每层种植层架的侧边上固定有扰流风扇，计算方法包括如下步骤：
S10，以每层种植层架为流场计算域，流场计算域进行网格划分，测定流场计算域的边界条件，按照测定的边界条件，采用动量方程和连续方程计算流场计算域的初始分布；
S20，计算扰流风扇的扰流速度和流动流量qv；
S30，通过扰流速度和流动流量qv将扰流风扇的扰流作用简化为力F，扰流速度/>和力F的关系如式1：
其中ρ表示空气的密度；
S40，将力F设置为源项嵌入到流场计算域的动量方程，获得动量修正方程；
S50，求解动量修正方程和连续性方程，获得每个网格的流场数据；
S60,判断每个网格的流场数据是否都小于收敛残差，若是执行步骤S70，若否，重新确定网格单元疏密程度，返回步骤S10；
S70，输出收敛结果；
所述植物工厂所在空间为栽培空间，所述栽培空间设有进风口和回风口，进风口向栽培空间内通入冷却空气，换热后的冷空气通过回风口从栽培空间流出，S10中，边界条件包括出口边界条件和进风边界条件，进风边界条件为进风口的速度和温度，出口边界条件为回风口的压力；在S20中，包括如下步骤：
S21，选定一个距离扰流风扇截面距离为d1、半径为d2的圆形截面；
S22，将圆形截面分为面积相等的n个圆环，在每个圆环边界上等距离的布置m个测点，则共有n*m个测点，每个测点测量得速度vi；
S23，以速度vi等于零的测点为扰流作用区的边界点，边界点所在的圆环以内的区域为扰流作用区的有效区域；
S24，将有效区域内的所有测点测得的速度vi取平均值得扰流速度
S25，扰流速度与该有效区域面积Ai的乘积为qv；
S40中，将力F折合为单位体积中的受力SF，SF作为源项添加在动量方程内，获得动量修正方程，扰流风扇的扰流作用区取为圆柱形，扰流作用区的底面面积为A，厚度为t，
SF与F的关系如式2：
SF在x，y，z三个方向的分量如式3-式5：
动量修正方程如式6-式8
其中vx、vy、vz为速度矢量三个坐标方向对应的分速度，x、y、z为计算建立的三个笛卡尔坐标，p为压力，μ为空气动力粘性系数。
2.如权利要求1所述的流场计算方法，其特征在于，S10中，使用结构化或非结构化的网格划分流场计算域，之后再计算流场计算域内的初始分布。
3.如权利要求2所述的流场计算方法，其特征在于，流场计算域经过网格划分之后，进行网格无关性验证，得到最优网格数，具体过程如下：
S11,在流场计算域内划分网格，网格的划分密度沿远离扰流风扇的方向逐渐降低；
S12,进行网格无关性验证，以阻力系数和气体轮廓为作为验证标准，取多组不同网格数的流域进行相同工况的计算，针对计算结果取稳定流场中的气体轮廓和阻力系数，前后两次预测结果均与实验结果差异小于预设值时，网格达到计算精度，此时为最优值，即得到最优网格数。
4.如权利要求1所述的流场计算方法，其特征在于，所述d1和d2的关系为d2≥d1+d，d为风扇直径。
5.如权利要求1所述的流场计算方法，其特征在于，扰流作用区的起始位置为扰流风扇的叶片所在截面，扰流作用区的底面面积A为扰流风扇所在截面的圆面面积，圆柱形的扰流作用区的厚度t为N个网格的厚度，N为正整数。
6.如权利要求1所述的流场计算方法，其特征在于，S60中，收敛残差为1*10-4。
7.如权利要求1所述的流场计算方法，其特征在于，植物工厂的每层种植层架对应多个扰流风扇，多个扰流风扇在种植层架上间隔设置，扰流风扇的间隔为400mm-1500mm。
8.如权利要求1所述的流场计算方法，其特征在于，所述扰流风扇的风速限定为1-15m/s。
9.如权利要求1所述的流场计算方法，其特征在于，植物工厂上每层种植层架的高度为0.4-1.0m，所述扰流风扇固定在植物工厂每层种植层架的顶部。
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