一种食用菌菇房内的温度系统模型的分析方法与流程

本发明涉及食用菌栽培技术领域，尤其是一种食用菌菇房内的温度系统模型的分析方法。

背景技术：

工厂化能够实现食用菌的规模化、集约化、标准化和周期化生产，已经成为食用菌栽培的发展方向。食用菌工厂化生产，通过工业化技术手段，为食用菌生长发育提供合适的条件，这些条件主要包括营养条件和环境条件。食用菌菇房内的温度场和流场分布直接影响到食用菌的产量，目前一般采用人工智能化控制和模糊控制法对出菇房里的温度和流场情况进行监测和控制。但这些方法成本很高、局限性大，且不能全面的分析菇房的温度分布。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种食用菌菇房内的温度系统模型的分析方法，可以较准确的分析菇房内的温度场分布情况，实现菇房人工环境设备的优化设计和节能降耗。

为解决上述技术问题，本发明提供一种食用菌菇房内的温度系统模型的分析方法，包括如下步骤：

(1)网格划分；对菇房计算域整体进行网格划分，不锈钢架表面进行网格加密；

(2)设置边界条件；网格划分完成后，对整个计算域进行边界条件设置，将整个计算域定义为流体域区域；送风口采用质量流量进口边界条件，出风口采用自由出口边界条件，此条件对介质流入或流出无限制的一种边界条件，在有限元分析求解微分方程时作为特定求解条件，要求只限定出口压力而非限定出口流向及流量，求解问题时需符合实际情况，相对压力为标准大气压；

(3)数值模拟分析；在菇房室内与菇架垂直竖直平面、与菇架平行竖直平面和水平面三个方向分别截取若干个平面显示和分析室内的温度场和速度场的分布情况，对菇房的气流组织进行模拟，获取分析结果。

优选的，步骤(1)中不锈钢架板贴于后墙布置，空调送风孔位于前墙中间位置并与不锈钢架保持垂直。

优选的，整个房间的气流组织采用上送上回式，回风采用自然排风的方式，回风口布置在与送风孔同侧的墙角。

优选的，步骤(2)中，质量流量大小通过下式计算：其中G——菇房送风量，kg/s；Q——总冷负荷，kW；h_N——设计室内空气状态焓值，kJ/kg干；h₀——送风状态空气焓值，kJ/kg。

本发明的有益效果为：采用的CFD软件的数值模拟技术成本低，可以较准确的分析菇房内的温度场和流场分布情况，实现菇房人工环境设备的优化设计，节能降耗。

附图说明

图1(a)是本发明的与菇架平行竖直截面的温度云图。

图1(b)是本发明的与菇架平行竖直截面的速度云图。

图2(a)是本发明的与菇架垂直竖直截面的温度云图。

图2(b)是本发明的与菇架垂直竖直截面的速度云图。

图3(a)是本发明的水平方向截面的温度云图。

图3(b)是本发明的水平方向截面的速度云图。

图4是本发明的菇房气流流场示意图。

图5是本发明的气流流线图示意图。

图6是本发明的菇房内平均温度变化曲线图。

图7是本发明的出口温度变化曲线图。

图8是本发明的菇架监测点的温度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明中，在影响食用菌生长的环境参数中，空气温度和湿度是最重要的两个因子。这两个因子存在耦合关系，但一般情况下出菇房中的湿度都比较高，接近饱和状态，对温度影响较小，所以在菇房环境控制研究中可以只考虑温度因子。

一种食用菌菇房内的温度系统模型建立方法，它包括以下步骤：

S1、建立能量平衡方程：

将菇房温度内部空气看做一个整体，建立能量平衡方程：

式中：ρ_air为出菇房空气密度，标况下，空气密度为kg/m³；V为出菇房体积m³；C_air为空气中的热容量J/(kg·℃)，25℃时为1.012J/(kg·℃)；T_i为室内空气温度℃；t为时间s；Q_c为降温损失的显热W，令冷凝机组蒸发器外表面温度为T_e，传热系数为则Q_V为通风热交换量W；Q_lg为室内缝隙所损失的显热W，Q_rf为室内空气通过菇房覆盖层和围护结构与室外空气之间的显热交换量W；Q_rs为食用菌呼吸作用释放的显热W，令食用菌质量为M(g)，Q_rs与室内温度呈线性关系；

S2、菇房冷负荷获取的步骤，包括保温外墙的冷负荷和食用菌呼吸作用冷负荷：

S2.1、采用下述公式计算保温外墙的冷负荷：

其中，A--围护结构外墙包含屋顶的总换热面积；

λ₁,λ₂,λ--分别为内外层钢化板和聚合泡沫的导热系数，(W/m·K)；

δ₁,δ₂,δ--分别为内外层钢化板、聚合泡沫的厚度，m；

t_f1--室外计算温度；

t_f2--室内设计温度；

K--总换热系数(W/m²·K)；

α₁--室外空气与外墙的对流换热系数(W/m²·K)；

α₂--室内空气与内墙的对流换热系数(W/m²·K)。

由于钢化板的导热系数较大，不具有明显的保温作用，其热阻δ/λ可忽略不计，则有：

S2.2、获取食用菌呼吸作用冷负荷；

呼吸作用产热指食用菌呼吸作用与室内环境的热量交换。食用菌通过呼吸作用获得能量，并释放二氧化碳和水，同时释放出大量热量，其反应方程式如下：

C₆H₁₂O₆+6O₂→6CO₂+6H₂O+2803(kJ/h)

按食用菌内每千克糖分呼吸作用产热2803(kJ/h)计算；

S3、送风量计算的步骤；

通过下式计算空调送风量：

其中：G——菇房送风量，kg/s；

Q——总冷负荷，kW；

h_N——设计室内空气状态焓值，kJ/kg干；

h₀——送风状态空气焓值，kJ/kg干。

本发明中，食用菌栽培所采用的结构排布方式为：采用不锈钢架，每个菇房设置5个不锈钢架，架高2.5m，长5m，宽度为30cm，食用菌培养基分四层摆放，每6件一组，单架16组共96件。

本发明中，菇房计算域长6m，宽5m，高4m，5个不锈钢架板贴于后墙布置，空调送风孔位于前墙中间位置并与不锈钢架保持垂直，使空调气流平行于不锈钢架进行吹送。

本发明中，整个房间的气流组织采用上送上回式，回风采用自然排风的方式，回风口布置在与送风孔同侧的墙角。

一种基于食用菌菇房内的温度系统模型的分析方法，它包括以下步骤：

S1、网格划分的步骤：菇房计算域整体采用非结构网格的划分形式，不锈钢架表面进行网格加密处理，总节点数为2870045，总网格数为14820998；

S2、设置边界条件的步骤：网格划分完成后，对整个计算域进行边界条件设置，将整个计算域定义为流体域区域。对于送风口采用质量流量进口边界条件，质量流量大小通过式送风量计算公式求得，出风口采用自由出口边界条件，此条件对介质流入或流出无限制的一种边界条件，在有限元分析求解微分方程时作为特定求解条件，要求只限定出口压力而非限定出口流向及流量，求解问题时需符合实际情况，相对压力为标准大气压；

S3、数值模拟分析的步骤：在菇房室内与菇架垂直竖直平面，与菇架平行竖直平面和水平面三个方向分别截取若干个平面来显示和分析室内的温度场和速度场的分布情况，沿与菇架垂直的竖直平面方向上-2.2m、0m、2.2m处设置一截 面；沿与菇架平行竖直平面方向取-1.2m，0.1m，1.4m处各取一截面；沿水平方向在1.1m、2.2m、3.3m处各取一截面，对菇房的气流组织进行模拟，获取分析结果。以上步骤都属于CFD流体动力学仿真的内容。

由菇房的气流组织模拟结果可以看出，这种送风方案基本合理，温度和速度分布较均匀。当空调送风口以16℃进行空气吹送时，菇房的模拟得到的3个截面速度与温度云图分布如图1-3所示。从3个方向的截面速度分布云图看出，送风口附近的空气流速达到0.7～1.06m/s，且速度梯度变化较大。送风口以一个射流角向菇房内送风，冷气流由于重力作用的影响而沉降，中间一排菇架处在迎风面，因此冷气流对中间一排的菇架影响较大；气流在扩散的过程中速度逐渐降低，且在3个方向不同截面的流速大部分为低速区域，流速在0.2m/s左右。从图中可以看出送风口的气流对菇房有很大的影响，在安装送风口的这一侧(即背风面)的气流流速明显低于没有安装送风口的一侧(迎风面)；墙壁处的气流流速均高于远离墙壁的区域的气流速度。

菇房模拟得到的截面温度如图1-3所述，菇房内的温度总体分布在20～24℃之间，基本达到了菇苗生长的适宜温度。菇房温度在整体上分布比较均匀，距离地面的高度越低，温度的梯度越明显，且随着高度的降低从而温度也随之减小。从菇架三种不同截面温度、速度场分布可以看出，由于菇架采用标准化设计，且排列比较规整，使得菇架层与层之间温度分布均匀，温度梯度变化较小；菇架上方的温度相对较高，架子下平面温度最低，上平面在出风口处的温度较同一高度上其他位置的温度低；在架子的中间各层平面上气流由于受到架子与地面的阻挡作用而改变方向后在各层架板之间穿流，因此达到菇苗附近空气更换的目的，而地面附近温度场较为复杂，流线分布密集。

图4为菇房气流流场，送出的冷射流呈直线状，扩散角度很小；从图中可以看出，送风口和出风口的流速最大，送风口气流在中间的一排和地面的流速较大，流速在0.7-1.2m/s；由于菇架和地面对室内气流有阻碍作用，气流流速从中间一排向两侧依次减小；还可以看出，靠近出风口一侧墙壁的风速明显比另一侧墙壁的气流流速大，且靠近墙壁两排架子之间的气流分布均匀，速度变化梯度相对较小。

图5为气流流线图，沿菇房的中轴线，整个流场具有很强的对称性，各对称面的气流流型几乎相同；射入的冷射流在菇房内扩散开来，扩散的气流受到架子 和墙壁表面的阻挡而改变流向；冷气流遇到中间架子分为两股气流，冷气流由于菇架的阻碍，使得大部分气流不能通过菇苗之间的间隙继续前进，而在空气重力的作用下不断向菇房地面方向移动，碰到地面后向四周扩散开来；另有一部分气流在下沉的过程中穿过菇架，最终气流通过出风口流出菇房。还可以看出，离送风口较远的气流流速和靠近送风口的气流速度差距较大，是由于气流穿过架子和碰到地面之后速度明显减小，最终稳定后的气流速度变化梯度相对较小；在每排菇架之间，气流形成明显的漩涡。

当菇房内的初始温度30.04℃，目标温度为21℃，空调送风质量流0.159kg/m³时，室内的平均温度的变化如图6所示。从图中可以看出，在开启空调后的23min左右室内的温度趋于稳定，基本达到目标温度；在通风的前10min，室内温度下降较快，这主要是通过空调不断吹入冷空气与室内较热的温度进行交换传递热量的过程。在整个菇房的预冷过程中，菇房内平均温度曲线主要分为两个阶段：迅速下降期(前10min)和缓慢下降趋于平缓期。在迅速下降期，主要是冷风和室内环境进行传递的过程；平缓下降趋于平缓期主要是室内环境和外界环境进行交换，最终达到一个与外界平衡的状态，在这个阶段温度不再随时间的变化在出现大的波动。出口温度变化曲线图如图7所示，菇房出风口的温度呈现先升高然后迅速下降，最后慢慢趋于平缓的趋势。在空调开启的前3min中内出口温度稍微有所上升，是由于菇房内的初始平均温度为30.04℃，运行空调的一段时间，冷射流与热空气相混合交换，冷空气不断向下移动，而热空气逐渐上移，室内的部分热气流的会从出风口流到外界。在接下来的20min内，出口温度下降迅速，由于室内的热气流和冷气流产生了明显的热传递的过程；最后出口温度下降趋于平缓，这是室内温度和外界温度达到一个平衡的状态菇架监测点的温度变化曲线图如图8所示，横坐标代表时间，纵坐标表示热力学温度，用CFX模拟菇房的3个不同监测点的在预冷23min过程中的温度曲线图。实测的菇房的平均温度为30.04℃，分别取靠近出风口一侧的前三排的第二层、第二列的菇苗为监测点。从上图可以看出，这三个菇苗监测点的温度下降趋势整体上呈现一致性，温度先迅速下降然后趋于缓慢。中间一排温度在前10min温度相比去另外两排的温度要低，且在开始阶段温度陡降，是因为中间一排靠近空调进风口，冷气流最先到达中间一排并发生热传递，此时温度场分布不够均匀，但是随着空调开启时间的增 加，中间一排温度与其他两排的差距缩小，菇房的温度场分布逐渐变得均匀。温度场趋于稳定时，温度总体分布在20-21℃之间。最高温度出现在靠近出风口第一排的第一层、第二列，温度值为21.09℃；最低温度出现在第三排(即中间一排)的第一层、第四列。由于出风口冷射流最先与中间一排的菇苗接触，而第一层、第四列的菇苗正好处在迎风面。还可以看出，这三排的温度从上层到下层依次下降，且第一排各层的温度高于对应的其他两排的温度。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。