本文是一篇农业论文，本文首先设计了不同管孔直径、管孔数量和进风口风速的管道通风方案，得到了最优的管道通风方案。在此基础上进一步设计不同的管道高度、管孔倾斜度管道通风方案，以此增加作物冠层内部的气流，改善植物工厂作物冠层微环境，得到了最优的管道通风方案。
第一章绪论
1.1 研究背景
1.1.1 人工光植物工厂发展现状
近年来，随着人口的快速增长，人均耕地面积的不断减小，农业环境污染和食品安全等问题日益突出，植物工厂应运而生(杨秉珣 等，2017；张树芳，2020；李昊，2020)。植物工厂是在设施内通过精准的环境控制，实现农作物高效连续生产的农业方式，它利用计算机对植物发育过程中的环境条件，如温度、湿度、光照、CO2 浓度以及营养液等进行自动控制，是一种受自然条件影响较小的省力型生产(陈军，2013；杨其长，2011)。植物工厂运用了较多现代科技和手段，近年来已被公认为是目前设施农业的最高发展阶段，可以利用它衡量一个国家的农业技术水平，因此备受世界各国瞩目(余锡寿 等，2013；许东，2017；张成波 等，2004；杨其长，2019)。按对光能的方式主要分为太阳光植物工厂和人工光植物工厂，本文研究的植物工厂为人工光植物工厂。
人工光植物工厂（以下简称植物工厂）是指在几乎不受外界环境影响的完全封闭可控的条件下，采用人工光源和营养液栽培技术，使植物能够高效连续生产的一种农业系统(魏灵玲 等，2009)。其屋顶和墙壁采用不透光且隔热性好的材料，构建全封闭式的生态系统；内部用高压钠灯和发光二极管（LED）人工光源代替植物生长所需的阳光；整个生产过程不使用农药化肥，产品安全无污染；对设施内光照、温度、湿度、CO2 浓度及其营养液 EC(电导率)、pH 、DO（溶氧浓度）和液温等要素均可进行精确控制，明、暗期长短可自由调节，保证植物稳定生长；多层式立体栽培不受土地的限制，显著提升了土地利用效率(刘文科 等，2018；杨其长 等，2009；王伟丽，2018；KOZAI et al., 2002；仝宇欣 等，2014；李中鹏 等，2018)。
日本科学家从 1974 年开始了对植物工厂的研究；1983 年，在日本静冈县三浦农场出现了第一个用于生产实践的植物工厂；自 20 世纪 90 年代以来，新型光源、环境控制等关键技术得到突破，植物工厂得到快速发展，科技巨头如东芝、富士通、松下、夏普等开始进军植物工厂。截止2018 年底，日本已建植物工厂 300 座以上，从数量、面积、产量等维度来看，均为全球第一(魏蔚 等，2019)。与此同时，其他发达国家也纷纷对植物工厂进行探索研究，韩国 Lee I B 教授团队主要研究植物工厂内部环境的 CFD 模拟(LEE et al., 2013)，首尔大学孙祯翼教授团队主要研究营养液配方、光配方等对作物生长的影响。2020 年，韩国农村振兴院通过技术改良研发出新一代全天候植物工厂，并计划由韩国巡洋号破冰科考团送到南极基地。近年来，美国植物工厂相关技术日益成熟，开始利用植物工厂进行种苗、芽苗菜、嫩叶菜、大麻等经济效益较好的作物的生产，垂直空中植物工厂、太空植物工厂也已开始由设计图向现实转变(李鹏 等，2016)。荷兰在生产中较多运用 LED 光源，主要研究方向为种苗种植和植物补光(丁小明 等，2016)。英国诺丁汉大学陆春贵教授团队将集装箱植物工厂作为主要研究对象并积极推广，目前，我国一些科研院所和企业也开始对集装箱植物工厂进行研究并投入生产(孙朝华 等，2019)。
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1.2 CFD 在农业领域的应用
1.2.1 CFD 的发展现状
计算流体动力学 CFD 软件是预测流体流动、传热传质、化学反应及其相关物理现象的一门学科，是一种利于流体控制方程对流体问题的模型进行求解，并把结果图像化的仿真工具。CFD仿真的过程包括前处理、求解和后处理；前处理是建立研究对象的物理模型，通过简化后生成网格模型；求解是把网格文件导入求解软件 Fluent 中，对模型设置边界条件和参数进行计算；后处理是把求解后的结果运用后处理软件，根据个人需求进行图像化(陈忠购，2004; 周伟 等，2014)。在 20 世纪 60 年代，CFD 仿真技术逐渐成为一种工程研究和设计手段，最初应用于核工业和航空业，随着计算机技术的飞速发展，80 年代初，被引入到汽车制造业和化工领域，90 年代后才在一般工程设计中得到广泛应用。目前，CFD 主要应用于热能动力、航空航天、机械、土木水力、暖通空调、环境化工等领域(赵琴，2003; 董玉平，2003; BOURNET et al., 2007)。在农业领域方面，与温室或畜禽舍中气流的研究不同，由于植物工厂还没有广泛应用于农业生产当中，所以关于植物工厂气流模式的研究还很少。
1.2.2 CFD 技术在畜禽舍中的应用
由于畜禽舍的通风环境影响着畜禽的生长，越来越多的学者开始利用 CFD 技术模拟畜禽舍的气流通风环境、湿热环境和污染物浓度。李开泰(2017)采用 Navier-stokes 和 Species transport 方程组以及 RNG k-ε 湍流模型，运用 Fluent 16.0 软件对中国东南地区典型的限位饲养模式的怀孕母猪舍内气流速度、温度、相对湿度和 NH3浓度进行三维稳态模拟，以及具有代表性的集约化养殖场 NH3排放扩散模拟，发现不同的清粪方式对猪舍内环境质量以及不同主导风向对猪场产生的NH3 扩散有影响。余超(2019)结合 CFD 技术对中国东南沿海地区冬夏两季不同通风模式下商品兔舍的舍内热环境（风速、温度和湿度）进行了模拟，将模拟值与实测值进行对比，模拟效果良好。
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第二章 植物工厂通风管道结构设计与模拟
2.1 材料与方法
2.1.1 试验装置
试验单层栽培架位于中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所植物工厂内，尺寸（长×宽×高）为 1.4 m×0.7 m×0.4 m，采用带孔聚乙烯管道进行通风，管道直径为 0.05 m。本试验只考虑作物冠层和冠层上部空气层，常规栽培架灯板到栽培板的距离为 0.3 m，成熟期的生菜平均株高为 0.1 m。因此模型中作物冠层和冠层上部空气层的高度分别设置为 0.1 m 和 0.2 m。通风管道固定在栽培架外侧，管道管孔水平方向的中心线与空气层和作物冠层相交切线重合。在 Workbench的 Geometry 模块中建立栽培架模型（图 2-1），以模型东北角为原点 O（0,0,0）正南方向为 X 轴正向，垂直向上为 Y 轴正向，正西方向为 Z 轴正向。
图 2-1 试验栽培架结构图
2.1.2 试验设置
在植物工厂内使用带孔聚乙烯管道增加空气供给已变得越来越普遍，但在带孔管道设计中，管孔的直径、数量、形状、间距等因素都会影响空气流通率和气流速度。在 Well C(1994)的试验中得出，管孔截面积之和与管道口面积之比小于 1.5 时气流分布更为均匀。为满足合适的管孔径比，本研究通过计算设置了 3 组方案，所有方案的管道长度均为 1.4 m，管道其余参数见表 2-1，在 Workbench 的 Geometry 模块中创建了 3 组方案的管道模型（图 2-2）。通风管道的空气由进风口进入管道后经管孔流入作物冠层内部，进风口风速分别设为 2、3、4 和 5 m/s 进行模拟。Kitaya等(2003)研究表明，作物冠层平面的适宜风速范围为 0.3～1.0 m/s，因此，在本研究中将作物冠层平面划分为 3 个区域：停滞区（≤ 0.3 m/s）、适宜区（0.3～1.0 m/s）和高速区（≥ 1.0 m/s）。
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2.2 数学模型
2.2.1 CFD 建模与网格划分
在 Workbench 的 Geometry 模块中建立与植物工厂单层栽培架相同尺寸的模型，包括作物冠层、空气层和管道 3 个部分。将构建的模型导入到 Mesh 模块中，利用 Proximity and Curvature 方法进行网格划分（图 2-4），对管道部分进行网格加密处理，3 组方案模型的网格平均偏斜度和最大偏斜度分别为 0.732 5 和 0.74、0.747 5 和 0.76、0.722 5 和 0.74，网格数为 465 453～502 345（表2-2），网格质量均为优(李海峰 等，2012)。
图 2-4 栽培架的网格划分图
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第三章 基于作物冠层的植物工厂通风管道高度和角度模拟 .......................... 15
3.1 材料与方法 ............................... 15
3.1.1 试验装置 ................................... 15
3.1.2 试验设置 .......................... 15
第四章 植物工厂管道通风试验验证 ............................. 24
4.1 材料与方法 ............................
