基于真实几何结构的CFD植物微气候模型：单叶尺度热质平衡解析及其在垂直农业中的应用

针对植物工厂中传统多孔介质模型参数拟合复杂的问题，研究人员创新性地采用真实植物几何结构（含叶片与茎秆）建立CFD模型，首次实现单叶尺度热质平衡耦合计算。该模型整合太阳光线追踪算法（短波辐射）与表面辐射模型（长波辐射），在1500 mm×420 mm×800 mm模拟系统中验证显示：蒸腾速率模拟误差夜间10-15%、日间15%，叶温RMSE夜间0.4-0.6°C、日间0.5-1.6°C。该研究为优化垂直农业通风策略提供了高精度仿真工具。

　　

随着城市化进程加速，垂直农场和植物工厂作为城市农业的创新形式日益受到关注。这些封闭式种植系统通过精准控制环境参数实现全年生产，但其高能耗（尤其是人工照明）和微气候不均匀问题亟待解决。其中，空气滞留导致的饱和湿气环境会引发生菜叶尖灼伤等品质问题，而传统计算流体力学(CFD)模拟采用的多孔介质模型存在明显局限：依赖经验性参数如拖曳系数（不同研究对生菜取值相差16倍）、气动阻力等，且辐射传输采用Beer-Lambert定律近似处理，难以准确反映真实植物冠层中的复杂热质交换过程。

针对这些技术瓶颈，Wito Plas团队在《Biosystems Engineering》发表的研究中，开创性地构建了基于真实植物几何的CFD模型。该模型以罗勒为研究对象，通过三维扫描重建叶片与茎秆结构，突破性地实现了三个创新：(1) 单叶尺度热平衡与质平衡的耦合求解，赋予每片叶子独立温湿度参数；(2) 整合太阳光线追踪算法（Solar ray tracing）处理短波辐射与表面辐射模型（Surface to surface）处理长波辐射；(3) 在1500 mm×420 mm×800 mm的微型植物工厂环境中，通过昼夜对比实验验证模型精度。关键技术包括：基于光学扫描的植物几何重建、Fluent软件UDF（用户自定义函数）编程实现叶面热质平衡、多物理场耦合算法等。

【研究结果】

1. 叶片基础植物几何建模
   研究采用结构光扫描技术获取真实叶片形态，通过参数化调整解决植物自然变异带来的建模难题。相比传统多孔介质模型，该方法无需预设叶面积密度、孔隙率等经验参数，直接通过物理几何特征影响流场。

2. 夜间验证
   在无短波辐射条件下，模型模拟的整株蒸腾速率与实测值变异系数为10-15%，叶温的均方根偏差仅0.4-0.6°C。特别值得注意的是，模型成功捕捉到叶片边界层的水汽梯度分布，这是传统模型无法实现的微观解析。

3. 日间验证
   引入300 W/m²短波辐射后，蒸腾速率误差保持15%以内，叶温偏差增至0.5-1.6°C。分析表明温差主要来源于辐射在冠层内部分布的不均匀性，证实了射线追踪算法相比DO辐射模型的优势。

4. 底部送风案例
   与传统侧向送风对比，底部送风方案使冠层中部风速提高42%，显著改善叶面边界层更新效率。该案例展示了模型在评估创新通风方案中的独特价值。

【结论与意义】
这项研究首次在CFD中实现了植物单叶尺度的热质平衡闭环计算，其科学价值体现在三方面：(1) 方法学上摆脱了对拖曳系数、气动阻力等经验参数的依赖；(2) 微观尺度揭示了传统模型无法捕捉的叶面边界层特征；(3) 为垂直农业系统设计提供了高分辨率仿真工具。实际应用中，该模型可优化LED布局与通风策略，预计能降低植物工厂15-20%的能耗。作者特别指出，未来研究应扩展至多株竞争光照场景，并开发植物生长动态耦合模块。这项突破性工作标志着CFD在农业工程应用从宏观统计向微观机理的重要转变。