余海波发表在吉林大学的论文
人工光型植物工厂凭借高效、节能、环境可控等优点,成为农业发展的重要趋势之一。同一植物工厂空间多蔬菜品种同步栽培、同一品种蔬菜不同生长阶段同步栽培可以更好地满足植物工厂用户的需求,有利于植物工厂技术在更多领域的推广应用。实现植物工厂空间分区域环境精准调控,是分区域栽培的重要前提。
本文以生菜为研究对象,以控制叶烧病发生率、提高生菜品质为目标,针对光强和气流两大环境因子,借助计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术,开展共同栽培苗期与生长期生菜的植物工厂的环境分区域优化研究。
具体工作内容包括如下几个方面:
(1)针对植物工厂苗期及生长期生菜同时栽培的情况,分别对苗期和生长期生菜进行了光强和气流的响应试验,确定不同生长阶段生菜的最佳环境因子适宜区间。利用主成分分析及通径分析,得到叶片水势是诱发苗期生菜叶烧病发生的主要生理生态因子,气孔导度和钙离子是诱发生长期生菜叶烧病发生的主要生理生态因子。基于层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP),综合评价不同光强和气流处理组的生菜综合品质指标“叶面积、叶烧病发病率(下文简称“叶烧率”)、株高、鲜重、相对叶绿素含量、还原型抗坏血酸(Ascorbic Acid,AsA)、可溶性糖、硝酸盐”。得到苗期生菜和生长期生菜的最佳环境因子适宜区间,植株处于环境因子适宜区间内时,综合品质最佳且叶烧病得到有效抑制。
(2)基于传热学和能量平衡理论,建立了以植物工厂墙体、栽培架、发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)光源、混合空气、作物和空调-新风系统为主要单元的耦合数值模型,并结合流体动力学理论,探究了植物工厂内部湿空气的传输和流动过程。本研究使用STAR-CCM+软件,采用切割体网格对计算进行离散化处理,使用Realizable k-ε湍流模型求解室内湿空气的湍流输运过程,并利用标准壁面函数法处理近壁区域气流流动,以达到计算迅速、收敛快速的目的。同时,针对植物工厂内湍流流动问题,应用了基于气流流动控制方程和组分传输方程的数值求解方法,可精准高效地描述植物工厂内部湿空气的分布,为优化植物工厂设计和环境控制提供有效的数值模拟手段。
(3)通过将生菜视为多孔介质模型,分别对苗期和生长期的生菜在低速风洞中进行了空气动力学试验。求解了苗期和生长期生菜在xyz三个矢量方向上的粘性阻力系数D和惯性阻力系数C2,并将这些参数输入到植物工厂CFD数值模型中。对苗期及生长期生菜多孔介质参数的求解,可以更准确地阐明植物工厂内部湿空气传输和流动规律。
(4)基于空载植物工厂的气流模拟结果,提出了按高低风速区间分区的栽培方案,实现苗期和生长期生菜混合闭环栽培。将苗期生菜栽培在低风速区,将生长期生菜栽培在高风速区。通过对植物工厂内各栽培区域进行环境因子调控,最大限度地保证不同生长阶段的生菜处于适宜生长区间内。试验结果显示,不同位置栽培架的湿度适宜区域占比标准差为19.4%,气流场适宜区域占比标准差为20.1%,温度场适宜区域占比标准差为22.5%。基于LED光源散热对于植物工厂各个环境因子的扰动,并提出扰动系数θ,定量分析LED光源散热对于湿度、气流及温度的扰动程度。结合生菜苗期和生长期对光强和气流响应试验结果及扰动系数θ,确定植物工厂光期的照明模式。
(5)为进一步优化各个栽培区域环境因子分布,在每个栽培架外侧安装差速风扇装置,光期差速风扇装置采用吸风工作模式,记作光期优化栽培模式TLOpt;暗期差速风扇装置采用吹风工作模式,记作暗期优化栽培模式TNOpt。优化后植物工厂各环境因子在各个栽培区域内的均匀性显著提升,其中TLOpt模式中,湿度均匀性系数UIRH为0.9212,UIV为0.9661,UIT为1。TNOpt模式中,湿度均匀性系数UIRH达到0.9564,均匀性系数UIV达到0.9986,温度均匀性系数UIT达到1。植物工厂通过交替采用TLOpt和TNOpt工作模式,苗期生菜综合品质评价得分为0.7281,生长期综合品质评价得分为0.6778,苗期及生长期生菜叶烧病均得到有效抑制。
本文探究了植物工厂条件下光强和气流对不同生长阶段生菜的综合品质和叶烧病发生的影响,利用AHP模糊综合评价方法对苗期和生长期生菜进行综合评价,得到不同生长阶段生菜的主要环境因子的适宜区间。基于计算流体力学CFD数值分析方法对植物工厂栽培空间进行合理规划,对栽培区域的LED光源进行合理布置,进而优化植物工厂各环境因子。本研究用于指导植物工厂生产,减少或避免生菜叶烧病的发生,为植物工厂的实现高产、高质、高效的生产提供理论和技术支撑。
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