DOI: 1011991/yykj201708002網 絡 出版地址 : http: / /knscnkinet/kcms/detail/231191U201710260847004html變風速條件下微型植物工廠傳感器優(yōu)化布置賈 鶴 鳴1， 張 森1， 朱 柏 卓1， 朱 傳 旭1， 邢 致 愷1， 楊 澤 文21 東 北 林業(yè)大學 機電工程學院 ， 黑龍江 哈爾濱 1500402 哈爾濱工程大學 自動化學院 ， 黑龍江 哈爾濱 150001摘 要 : 針對植物工廠內部傳感器依據經驗布置的局限性 ， 并且缺乏普適性和理論基礎的問題 ， 為實現傳感器最優(yōu)布置 ，提出一種基于計算流體力學的方式 。參照實物模型相關參數和合理的假設條件 ， 通過設置監(jiān)測點對微型植物工廠內部環(huán)境進行仿真 ， 對單熱源和監(jiān)測點位置進行仿真及分析 ， 根據模擬結果分析獲得最佳熱源位置 。在此研究基礎上通過調整不同風速 、分析仿真數據 ， 確定適合不同風速下的傳感器最優(yōu)布置面 ， 為微型植物工廠中的植物生體信息檢測提供更為精確的測量條件 。關鍵詞 : 微型植物工廠 ; 流體力學模擬 ; 傳感器優(yōu)化布置 ; 風速調整 ; 監(jiān)測點設置 ; 環(huán)境模擬仿真 ; 溫度流場模擬 ; 植物信息檢測中圖分類號 : TP273 文獻標志碼 : A 文章編號 : 1009671X( 2018) 0100707Optimal placement of sensors in a miniature plant under variable wind speedJIA Heming1， ZHANG Sen1， ZHU Baizhuo1， ZHU Chuanxu1， XING Zhikai1， YANG Zewen21 College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China2 College of Automation， Harbin Engineering University， Harbin 150001， ChinaAbstract: In view of the limitation of experimental arrangement of the sensors in a plant factory and the lack of uni-versal and theoretical basis， in order to achieve the optimal sensor placement， a method based on computational flu-id dynamics was put forward In the method， the related parameters of physical model and reasonable assumptionsare referred to， monitoring points are provided to simulate the internal environment of the plant factory， single heatsources and monitoring points are simulated and analyzed On basis of the analysis of simulation result， the locationof the optimal heat source is obtained， therefrom， by adjusting different wind speeds and analyzing simulative data，the optimal sensor placement faces for different wind speeds can be determined The results can provide more accu-rate measurement conditions for the information detection of plant body in the miniature plant factoryKeywords: miniature plant factory; hydrodynamics simulation; optimized layout of sensor; adjustment of windspeed; arrangement of monitoring point; environmental simulation; temperature flow field simulation; plant infor-mation detection收 稿 日期 : 20170802 網絡出版日期 : 20171026基金項目 : 國家自然科學基金項目 ( 31470714); 黑龍江省研究生教育創(chuàng)新工程項目 ( JGXM_HLJ_2016014) 作者簡介 : 賈鶴鳴 ( 1983)， 男 ， 副教授 ， 博士 通信作者 : 賈鶴鳴 ， E-mail: jiaheminglucky99 126com現代化植物工廠內部小氣候 控制愈發(fā)智能化 ， 各類 傳感器得到廣泛使用 。傳感器的位置及反饋量直接決定內部控制系統(tǒng)的準確性 。植物工廠內部環(huán)境復雜且不穩(wěn)定 ， 易受干擾 。傳統(tǒng)傳感器布置精確性不足極大的影響了控制系統(tǒng)的性能 。計算流體力學( computational fluid dynamics， CFD) 能夠準確預測植物工廠內部微氣候環(huán)境狀況并提供仿真結果 ， 這將有助于在植物工廠內部找到最佳傳感器的布置位置 。Okushima 1最先在溫室透風研究中選用了流體力學 仿 真方法 ， 并采用 k 湍流模型來驗證模擬內部流場是可行的 。Haxarie 等 2選 用 標準湍流模型模擬了溫室在自然送風條件下的內部微環(huán)境分布情況 。趙鳳啟 3通 過 CFD 數值模擬內流場確定乘用車排氣管氧傳感器布置位置 。丁文彥 4采 用 9 個溫 度傳感器 ， 在距地高度 12 m 處 ， 3 個一組構成 3個采樣通道 ， 將通道溫度的平均值視作溫室溫度 。吳元中等 5將 溫 室分區(qū)設置傳感器 ， 并在外部安裝探測儀來研究溫度 。國內外現有的 CFD 仿真及實驗大多未考慮變風速對內部流場的影響作用 ， 比較分析不同風速對微型植物工廠內部的傳感器優(yōu)化布書書書第 45 卷 第 1 期 應 用 科 技 Vol45 12018 年 2 月 Applied Science and Technology Feb 2018置的研究有待進一步開展 。本文以實驗室搭建的微型植物工廠模型作為研究對象 ， 借助流體力學仿真軟件 ， 參照實物模型相關參數進行合理假設 ， 建立仿真模型對內部環(huán)境進行仿真模擬 ， 根據模擬結果選擇合適熱源位置 ， 對單熱源最佳位置和監(jiān)測點位置進行仿真及分析 ， 最后探討了變風速條件下傳感器最優(yōu)布置位置 。1 CFD 理論基礎11 基本控制方程組111 質量守恒方程選擇 Boussinesq 假設 6， 對于不可壓縮均質流體 ， 質量守恒方程為ux+vy+wz= 0式中 u、v、w 分別是 x、y、z 方向的速度分量 ， m/s。112 動量守恒方程植物工廠內部空氣為牛頓流體 ， 可視為不可壓流體 7， 則動量方程可表示為( u)t+ div(Uu) =px+ div( ugradu)( u)t+ div(Uv) =py+ div( ugradv) refg 1 ( T Tref)( w)t+ div(Uw) =z+ div( ugradw)式中 : 是流體密度 ， 為氣體的熱膨脹系數 ， T 為當地開氏溫度 ， Tref是參考溫度 ， ref為該參考溫度下對應的空氣密度 ， U= ( u、v、w)是流體速度矢量 。113 能量守恒方程Boussinesq 假設中忽略了粘性耗散的影響 ， 則ST= 0，本文能量守恒方程形式為( T)t+ div(UT) = div(kcpgradT)12 湍流模型及數值計算湍流數值計算選用 ANS 方法 8。加熱時植物工廠內部可視為湍流運動 9， 所以選用可實現 k- 模型 ， 其對應湍動能 k 和耗散率 的輸運方程分別為 k( )t+ kUi( )xi=xj( u +utk)kxj +utuixjuixj+ujxi ( )t+ Ui( )xi=xj( u +ut)xj +c1E c22k + v槡式中 : xi、xj為坐標分量 ， Ui、Uj為速度分量 ， ut 為湍流粘度系數 ， v 為運動粘度系數 ， E 為時均應變張力 。經驗常數 : c2= 192;k= 10;= 12。2 微型植物工廠數值模擬模型21 物理模型及簡化211 基本假設1) 內部氣體為不可壓牛頓流體且滿足 Bouss-inesq 假設 ; 2) 近壁面處流體速度為零 ; 3) 熱風機送風溫度恒定 。212 模型簡化1) 培養(yǎng)箱與工作箱相互獨立 ， 氣密性良好 ， 加熱過程中忽略彼此間影響 ; 2) 忽略通風口及內部復雜設備 ， 僅考慮單熱風機 ; 3) 內部植物生長區(qū)的平均溫度為計算溫度 ; 4) 通過實測 ， 將植物工廠和熱風機簡化為立方體 。22 數值模擬模型221 選擇計算域選擇植物工廠內部空間作為計算域進行三維仿真 ， 如圖 1 所示 。計算域大小為 2 m×2 m×1 m，熱風機大小為 04 m×02 m，進出風口大小為 04 m×02 m。圖 1 微型植物工廠計算域222 網格劃分使用 Gambit 劃分網格 ， 選用結構化網格 ， 如圖 2所示 ， 步長選擇 05， 類型選擇 Hex， 形式選擇 Submap。圖 2 計算域網格劃分223 設置 CFD 參數和邊界條件1) CFD 參數計算模型 : 激活能量模型 ; 選擇可實現 k- 模型 10、增強型壁面函數 ( EWT);操作環(huán)境 : 重力加速度 981 m/s2， 方向為 y 軸負半軸 ;·8· 應 用 科 技 第 45 卷材料物性 : 培養(yǎng)箱壁面材料選用玻璃 ， 密度2 220 kg/m3， 比 熱 容 830 J/( kg ·)， 導 熱 率115 W/( m·) 熱風機壁面材料選擇 ABS 樹脂 ，密度 1 050 kg/m3， 比熱容 1 591 J/( kg·)， 導熱率 025 W/( m·) 。2) 邊界條件邊界條件與初始參數如表 1 所示 。表 1 邊界條件與參數設置邊界定義 邊界條件 參數設置熱風機出口 VELOCITY-INLET速度 14 m/s、溫度 31315 K湍流強度 5%水力直徑 1152 cm熱風機入口 OUTLOW熱風機壁面 WALL 絕熱培養(yǎng)箱壁面 WALL溫度 28715 K對流傳熱系數 64 W/( m2·K)培養(yǎng)箱底面 WALL溫度 28615 K對流傳熱系數 45 W/( m2·K)注 : 求解器參數 : SIMPLEC 二階迎風格式 ， 內部初始溫度設定 28815 K。3 變風速條件下植物工廠溫度場的仿真分析31 溫度場均勻性指標1) 設置監(jiān)測點在生長區(qū)選擇監(jiān)測點 ， 排 除 邊 緣 效 應 影響 1113。設定生長區(qū)在高度 0408 m 之間 ， 平面分別設為 y=04 m(平面 a) 、y=06 m(平面 b) 和 y=08 m( 平面 c) 且各設置 5 個監(jiān)測點 。平面 a 中監(jiān)測點 xz 坐標位置分布如圖 3 所示 。其余兩面監(jiān)測點分布同 a 面 。圖 3 平面 a 監(jiān)測點設置生長區(qū)平均溫度即 15 個監(jiān)測點的平均溫度 。仿真中監(jiān)測 15 個監(jiān)測點溫度的平均值 、標準差 、最小值及最大值 。2) 均勻性指標采用 15 個監(jiān)測點溫度的標準差衡量溫度場均勻性好壞 ， 標準差越小則均勻性越好 。均勻性指標如式 ( 1) 所示 。J =1NNi = 1( T Ti)槡2( 1)式中 : N 是監(jiān)測點個數 ， T_是所有監(jiān)測點的平均溫度 ，Ti是監(jiān)測點 i 的溫度 ， J 是所有監(jiān)測點的標準差 。32 單熱風機布置位置對溫度場均勻性的影響321 單熱風機最佳位置的選擇采用 Fluent 模擬單熱風機 6 種放置方案達到不同目標溫度時植物工廠內部溫度場分布情況 。方案分兩類 ， 如圖 4 所示 。一類是放置在側壁面距地高度 08、06、04 m 處 ， 沿 y 軸負方向送風 ; 另一類是放置在底面距側壁 04、06、10 m 處 ， 沿 x 軸負方向送風 。圖 4 單熱風機位置目標溫度取 298 15 K ( 25 ) 、300 15 K( 27 ) 、30215 K( 29 ) 。仿真結果如表 2 所示 ，最大溫差及標準差變化趨勢如圖 5 所示 。表 2 仿真結果 K方案目標溫度最大溫度最小溫度最大溫差標準差a12981530015302153046430485305472944829654302121016831335301299118a2298153001530215300453013530317297232989430006322241311127117095a3298153001530215299163018530386297192985630084297329302112089081b1298153001530215299183011530315297122992630137216189178065052059b2298153001530215299223011030291297292994330137193167154064049052b3298153001530215299183019430302297243004130187194153115061043032·9·第 1 期 賈鶴鳴 ， 等 : 變風速條件下微型植物工廠傳感器優(yōu)化布置( a) 最大溫差( b) 標準差圖 5 最大溫差及標準差柱狀圖由表 2 可知 ， 不同目標溫度時 ， 生長區(qū)最大溫差及溫度標準差變化趨勢基本一致 。由圖 5 變化趨勢可知 ， 熱風機位于側壁面時 ， 隨著高度的下降 ， 最大溫差及標準差均下降 ; 位于底面時 ， 二者下降趨勢不明顯 。相同目標溫度時 ， 熱風機放置在底面比放置在側壁面時的最大溫差和標準差小 ， 內部溫度場均勻性較好 。針對同一方案 ， 不同目標溫度時 ， 隨著溫度的上升 ， 生長區(qū)最大溫差及標準差開始下降 ， 內部均勻性則呈上升趨勢 。目標溫度取 30215 K 時 ， 方案 6 均勻性最好 ， 此時最大溫差為 115 K， 標準差為032。分析表明方案 6 放置在底面中心位置較合理 ， 便于設置傳感器 。322 單熱風機最優(yōu)放置時傳感器的布置熱風機放置在底面時 ， 熱風機出口及回風口處溫度變化梯度較大 ， 但對生長區(qū)溫度均勻性影響較小 。選用方案 6， 比較生長區(qū)溫度場及上下壁面溫度場分布 ， 選取溫度分布均勻區(qū)域放置傳感器 。熱風機放置在底面時 ， 熱風機出口及回風口處溫度變化梯度較大 ， 但對于上部植物生長區(qū)溫度場均勻性影響較小 。圖 6 是溫度場矢量圖 ， 由于熱風機出風口位于左側 ， 會在左側區(qū)域形成高溫區(qū)域 ， 影響均勻性 ， 其余區(qū)域溫度穩(wěn)定 ， 變化趨勢小且分布相對均勻 。熱風以射流形式流出 ， 受重力及密度影響 ， 沿 x軸負方向運動同時向上移動 。熱風由于溫度較高會與周圍空氣進行對熱換流 ， 造成出口附近形成大面積高溫區(qū)域 ， 熱風到達側壁后沿壁面向四周移動 ， 在上升過程中與周圍冷空氣的對流換熱持續(xù)進行 ， 但是換熱量逐漸減少 。熱風到達頂部后熱風與周圍空氣的溫差變小 ， 此時重力影響大于熱浮力影響 ， 氣流開始向下移動并進入熱風機的進風口 。圖 6 平面 z=1溫度場矢量圖圖 7 為上 、下壁面溫度場分布云圖 。由圖 7 可知 ， 上下壁面溫度場分布差異性非常明顯 ， 溫度普遍偏低且均勻性較差 。上壁面最大溫差為 502 K， 相鄰等溫線最大溫差約為 07 K; 下壁面最大溫差為646 K， 相鄰等溫線溫差約為 071 K。圖 7 上 、下壁面溫度場分布云圖在距地高度 0208 m 設置 8 個水平截面 ， 間距 01 m。部分截面溫度場如圖 8 所示 ， 隨著高度的上升左側高溫區(qū)域呈下降趨勢 。在靠近壁面邊界的極小區(qū)域溫度較低 ， 但不影響生長區(qū)溫度場均勻性 。水平截面 y=02 m， y=03 m中部出現多個溫度區(qū)域 ， 均勻性明顯較差 ， 隨著高度的上升 ， 中部低溫區(qū)逐漸減少 ， 當高度達到 05 m 時兩塊低溫區(qū)基本消失 ， 當高度超過 06 m 時 ， 右側開始出現高溫區(qū)域 ，均勻性開始下降 。( a) y=02 m·01· 應 用 科 技 第 45 卷( b) y=03 m( c) y=04 m( d) y=045 m( e) y=05 m( f) y=055 m( g) y=06 m( h) y=07 m圖 8 部分截面溫度場分布云圖縮小截面間距 ， 比較水平截面 y= 045 m、y =05 m、y= 055 m 溫度場均勻性 。截面中部區(qū)域溫度場差異性體現在回風口一側邊緣低溫區(qū)的范圍 。y=045 m 平面低溫區(qū)域較大 ， 3 個截面最大溫差分別為 256、216、215 K， 相鄰等溫線溫差分別為 06、056、054 K。水平截面 y = 055 m 平面上 ， 生長區(qū)溫度場均勻性最好且形成的溫度區(qū)域少 。由于出風口溫度較高 ， 造成熱風機高度以下區(qū)域溫度較高 ， 溫差大 ， 因此在垂直面設置傳感器不合理 ， 應水平布置 。若考慮內部作物位置 ， 則傳感器布置時應在平面 y=055 m上居中合理選點 。仿真實驗也驗證了經驗布點時傳感器盡可能居中布置的做法 。33 不同風速下生長區(qū)溫度場分布在方案 6 基礎上 ， 提供不同風速 ， 比較水平截面y=045 m、y=05 m、y=055 m 溫度場均勻性 。只改變風速 ， 目標溫度取 30215 K。風速范圍選擇 1226 m/s， 梯度選擇 02 m/s。溫度場標準差變化趨勢如圖 9 所示 ， 仿真結果如表 3 所示 。圖 9 標準差變化趨勢改變風速內部溫度場均勻性也會改變 。由圖 9可知 ， 同一溫度下 ， 隨著風速的增加 ， 3 個截面溫度場的最大溫差及標準差均出現下降趨勢 。當風速小于 18 m/s 時 ， 截面 y=055 m溫度場最大溫差及標準差始終最小 ， 符合最優(yōu)布置標準 。當風速大于18 m/s時 ， 3 個截面的標準差曲線圖出現交叉 ， 最佳布置面發(fā)生變化 。為使布置面適用于多數風速 ， 設置風速 25、3 m/s仿真 ， 部分截面溫度云圖如圖 10 所示 。風速為 25 m/s 時 ， 截面 y=065 m溫度場最均勻 ; 高度·11·第 1 期 賈鶴鳴 ， 等 : 變風速條件下微型植物工廠傳感器優(yōu)化布置小于 065 m 時 ， 隨著高度上升右側邊緣低溫區(qū)域面積逐漸減小 ， 高度達到 065 m 時 ， 低溫區(qū)域幾乎消失 ; 高度大于 065 m 時隨著高度上升 ， 左側高溫區(qū)域面積變大影響均勻性 。風速為 3 m/s 時 ， 截面 y=06 m 溫度場最均勻 ; 高度小于 06 m 時 ， 右側靠近角落邊緣會出現低溫區(qū)域 ; 高度大于 06 m 時右側會出現 2 條高溫區(qū)域 。表 3 不同風速仿真結果風速 /( m·s1)水平截面 最大溫度 K 最小溫度 K 標準差12y=045 my=050 my=055 m30393303743035930103300943005207304804814y=045 my=050 my=055 m30392303733036130122301013004806404903716y=045 my=050 my=055 m30382303733036230194300893004906606005118y=045 my=050 my=055 m30388303723036030118300733006205905104820y=045 my=050 my=055 m30384303743036330123300763004305204504722y=045 my=050 my=055 m30382303713036130132300713004005204504724y=045 my=050 my=055 m30376303713037230130300653004405004304626y=045 my=050 my=055 m303753037630381301233007630054044048036( a) 風速 25 m/s 時 ， 平面 y=06 m( b) 風速 25 m/s 時 ， 平面 y=065 m( c) 風速 25 m/s 時 ， 平面 y=07 m( d) 風速 3 m/s 時 ， 平面 y=05 m( e) 風速 3 m/s 時 ， 平面 y=06 m( f) 風速 3 m/s 時 ， 平面 y=07 m圖 10 部分截面溫度云圖·21· 應 用 科 技 第 45 卷3 個截面高度取平均值即選用平面 y=06 m 作為傳感器布置面 ， 傳感器位置可選用監(jiān)測點的位置 ，也可以根據作物占據空間等實際情況在該平面合理調整 。4 結束語借助 CFD 軟件對溫度環(huán)境進行模擬 ， 定性考慮內部溫度場分布 ， 將傳感器布置在生長區(qū)溫度場均勻性良好的的中間位置 ， 可以提高傳感器的精確性并減少其使用數量 。由于植物工廠自身保溫能力有限 ， 內部微環(huán)境易受外界環(huán)境變化影響 。通過溫度云圖會發(fā)現僅考慮熱風機時 ， 熱風機進 、出風口兩側區(qū)域溫差大 。因此對于更精確的布置 ， 可考慮增設內循環(huán)風扇及內部微氣候的實時變化 。參考文獻 : 1 王福軍 計算流體動力學分析 : CFD 軟件原理與應用 M 北京 : 清華大學出版社 ， 2004: 150156 2 趙鳳啟 ， 李守成 ， 時巖 基于 CFD 數值模擬的氧傳感器位置研究 J 機械 ， 2013， 40( 1): 4144 3 金玲 ， 劉妍華 CFD 在溫室室內環(huán)境研究中的應用 J 安徽農業(yè)科學 ， 2012， 40( 7): 44164418 4 邢蘭 傾斜式日光溫室冬季熱環(huán)境的模擬研究 D 哈爾濱 : 哈爾濱工業(yè)大學 ， 2006: 5054 5 陳教料 ， 胥芳 ， 張立彬 ， 等 基于 CFD 技術的玻璃溫室加熱環(huán)境數值模擬 J 農業(yè)機械學報 ， 2008， 39( 8):114118 6 程秀花 ， 毛罕平 ， 伍德林 ， 等 玻璃溫室自然通風熱環(huán)境時空分布數值模擬 J 農業(yè)機械學報 ， 2009， 40( 6):197201 7 劉雁征 ， 滕光輝 CFD 軟件在溫室傳感器優(yōu)化布置中的應用 C / /農業(yè)工程科技創(chuàng)新與建設現代農業(yè) 2005年中國農業(yè)工程學會學術年會論文集第五分冊 廣州 :中國農業(yè)工程學會 ， 2005: 2024 8 譚勝男 基于 CFD 的現代化溫室環(huán)境數值模擬與優(yōu)化研究 D 南京 : 南京農業(yè)大學 ， 2013: 1822 9 程秀花 溫室環(huán)境因子時空分布 CFD 模型構建及預測分析研究 D 鎮(zhèn)江 : 江蘇大學 ， 2011: 4042 10 李兆力 溫室微氣候數學建模與動態(tài)模擬 D 天津 :天津大學 ， 2004: 3337 11 賈鶴鳴 ， 宋文龍 基于松弛序列法的溫室傳感器優(yōu)化布置研究 J 森林工程 ， 2015， 31( 5): 8285 12 羅孟德 ， 賈鶴鳴 ， 趙文科 ， 等 微型植物工廠營養(yǎng)液循環(huán)控制系統(tǒng)設計 J 科技創(chuàng)新與生產力 ， 2017( 5):7074 13 賈鶴鳴 ， 朱傳旭 ， 宋文龍 ， 等 基于嵌入式控制器的微型植物工廠系統(tǒng)設計 J 森林工程 ， 2017， 33( 4):5864本文引用格式 :賈鶴鳴 ， 張森 ， 朱柏卓 ， 等 變風速條件下微型植物工廠傳感器優(yōu)化布置 J 應用科技 ， 2018， 45( 1): 713JIA Heming， ZHANG Sen， ZHU Baizhuo， et al Optimal placement of sensors in a miniature plant under variable wind speed J Ap-plied science and technology， 2018， 45( 1): 713·31·第 1 期 賈鶴鳴 ， 等 : 變風速條件下微型植物工廠傳感器優(yōu)化布置