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植物工厂是指通过设施内高精度的环境控制,实现农作物周年连续生产的高效农业方式。它充分运用了现代工程、生物、环境和信息等手段,技术高度密集,近年来一直被国际上公认为是设施农业的最高发展阶段。在人工光植物工厂中,通风和空气循环下的强制对流可以控制作物生长环境并保持内部微气候环境均匀。目前利用计算流体力学软件(Computational fluid dynamics,CFD)进行植物工厂内部气流场、温度场模拟多是在空载植物工厂中进行,忽略了生菜植株和LED植物生长灯的情况,针对此问题分别设计试验研究了生菜空气动力学参数和LED植物生长灯的边界条件,并将得到的参数和边界条件运用到植物工厂气流场、温度场的环境模拟中,将模拟结果与空载植物工厂的模拟结果进行对比分析。1.利用风洞系统测定了生菜冠层的阻力系数(C_D),并求得在不同叶面积密度(L)的情况下生菜冠层渗透率(K)与动量损失系数(C_f)之间的关系。将生菜栽培板置于风洞试验段中间位置,分别测量风洞试验段竖直方向和水平方向不同测点位置的稳态压力与风速。通过已求得的参数得到CFD建模中建立生菜多孔介质模型需要的粘滞阻力系数与惯性阻力参数。结果表明:1)本试验测得的生菜冠层阻力系数为0.02;2)成熟生菜(L=32.5 m~2/m~3),其渗透率为0.04 m~2,动量损失系数为0.13;3)动量损失系数C_f取值分别为0.1～1.0,当叶面积密度L为10、20、30 m~2/m~3时,作物冠层渗透率K的取值范围分别为0.25～25.00、0.06～6.25、0.03～2.78 m~2;4)成熟生菜的粘滞阻力系数为25,惯性阻力系数为1.3。2.构建单层LED补光栽培架(原型),并根据原型在CFD软件中建立与其尺寸一致的栽培架三维模型。在模型中将LED补光灯分为反应器和灯罩两部分,反应器为LED补光灯的灯板,设置为热源边界条件,根据红、蓝灯珠数量及其对应的电光转化效率计算其单位体积散热量;灯罩为LED补光灯表面的塑料壳,具有保护灯珠的作用,设置为导热材料。将栽培架实测风速值、温度值分别与CFD软件模拟风速值、温度值进行对比,验证了在植物工厂CFD环境模拟中将LED补光灯反应器设置为热源、灯罩设置为导热材料的可行性。结果表明:1)栽培架三维模型中LED补光灯的单位体积散热量为34166 W/m~3;2)通过模拟值与实测值对比,30个测点实测风速值与CFD模拟风速值的均方根误差为0.06,46个测点实测温度值与CFD模拟温度值的均方根误差为2.63,模拟值与实测值吻合良好。在植物工厂CFD模拟中,将LED补光灯反应器设置为热源、灯罩设置为导热材料是可行的。3.由于试验植物工厂呈南北对称结构,本试验仅对植物工厂的一半进行模拟分析,将中间设为对称面,分两个案例对植物栽培架进行气流场、温度场的模拟。案例1为植物工厂中放置空载栽培架,案例2考虑生菜冠层和LED灯的散热量。结果表明:通过试验与分析,案例2(栽种生菜的栽培架)比案例1(空载栽培架)与实际情况更加吻合,因此在利用CFD进行植物工厂环境模拟时,应考虑作物冠层和LED灯具对于内部气流场、温度场的影响。