《Agriculture》：CFD Optimization of Air Supply Angle and Rack Layout for Straw Mushroom
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空气分布均匀性对草菇的品质和产量至关重要，然而，送风角度与栽培架布局的耦合效应尚不清晰。研究人员针对配备主动回风热泵系统的草菇房开发并验证了一个稳态CFD模型。田间测量数据验证显示，管内风速、出口风速和温度的模型平均相对误差分别为7.2%、9.5%和1.1%，
空气分布均匀性对草菇的品质和产量至关重要，然而，送风角度与栽培架布局的耦合效应尚不清晰。研究人员针对配备主动回风热泵系统的草菇房开发并验证了一个稳态CFD模型。田间测量数据验证显示，管内风速、出口风速和温度的模型平均相对误差分别为7.2%、9.5%和1.1%，证实了模型的可靠性。随后模拟了四种工况，结合水平（0°）、垂直（90°）及混合送风角度与两排或三排栽培架布局。两排架配合垂直向下送风方案（2-90°）实现了最佳整体性能，其垂直速度变异系数（CV）为8.7%，各层最优区域面积比约为90%。混合送风方案（2-0°+90°）表现居中（垂直速度CV=13.7%），而水平送风方案（2-0°和3-0°）表现出明显的贴壁效应，垂直速度CV分别为42.2%和26.7%。基于层次分析法（AHP）-熵权-逼近理想解排序法（TOPSIS）的综合评价进一步确认了包含垂直分量的方案的优越性，其中2-90°方案排名最高。这些发现表明，垂直向下送风结合两排架布局可显著改善环境均匀性，为类似密集型食用菌栽培设施的通风设计提供了实用指导。
研究背景与目的
食用菌因其低热量、高膳食纤维和药用价值而备受青睐，中国是全球最大的食用菌生产国，约占全球总产量的85%。随着规模化与工业化生产的趋势，种植房舍日益增大，对通风组件和控制系统提出了更高要求。然而，设计不当的通风系统会阻碍空气循环，导致内部微气候不均，进而引起热量、水蒸气和二氧化碳在栽培区积聚，抑制蘑菇正常发育，降低品质和产量。草菇作为一种典型的高温高湿品种，其生长周期分为菌丝体和子实体两个阶段，分别需要特定的温湿度条件，且当CO?浓度超过1000 ppm时会对子实体产生毒害作用。因此，子实体阶段的充足且均匀通风对于维持适宜的温度、湿度和CO?水平至关重要。
已有研究多聚焦于双风道或常规风道系统（如侧墙条缝送风和单墙百叶回风），主要涉及送风角度的调节，但对主动回风系统中送风角度对气流分布和环境均匀性的影响缺乏系统研究。同时，栽培架布局是影响气流分布和冷却效率的另一关键因素，但现有研究多集中于连续调整水平间距，未涉及改变栽培架行数带来的影响。实际上，改变行数不仅改变了通道宽度，还会改变射流轨迹和涡旋结构。因此，主动回风系统中送风角度与栽培架行数的耦合效应值得深入探究。
为解决这一空白，研究人员开发并现场验证了一个配备主动回风系统的草菇房的稳态CFD模型，系统比较了两种送风角度（0°水平和90°垂直）与两种栽培架行数（两排和三排）组合而成的四种工况。本研究做出了三项具体贡献：量化了送风角度与栽培架行数对速度和温度均匀性的耦合影响；揭示了性能差异背后的物理机制，包括贴壁效应和射流冲击驱动的层间混合；并通过AHP-熵权-TOPSIS评估提供了多准则优化方案。
关键技术方法
研究人员采用ANSYS Fluent 2024 R1进行所有模拟。三维几何模型在ANSYS ICEM CFD 2024 R1中创建并划分网格，模拟结果使用ANSYS CFD-Post 2024 R1进行后处理和可视化。室内空气被处理为稳态不可压缩牛顿流体，采用可实现k-ε湍流模型描述湍流行为。由于温室覆盖材料透光率极低，模拟中忽略了太阳辐射的影响。栽培基质区域被视为多孔介质，利用达西-福希海默方程添加动量源项模拟其对气流的阻力，粘性和惯性阻力系数通过Ergun方程计算。整个计算域采用非结构化四面体网格离散，并在送风孔、基质表面和近壁区域进行了局部加密。通过网格独立性测试，最终采用约600万个单元的网格。边界条件方面，房屋墙壁设为无滑移壁面，送风口设为速度入口（6.0 m/s，28°C，相对湿度78%），回风口也设为速度入口但方向为负（-2.0 m/s，对应90%的回风比）。门在子实体阶段保持关闭，故设为壁面边界。采用稳态求解方法，SIMPLEC算法用于压力-速度耦合，空间离散采用二阶迎风格式。
研究结果
3.1 模型验证
为确保CFD模型后续情景对比分析的可靠性，将模拟结果与田间实测数据进行对比。管内风速和送风孔出口风速的模拟值与实测值变化趋势一致，平均相对误差分别为7.2%和9.5%。室内蘑菇冠层各监测点的温度模拟值与实测值的绝对偏差在0.1至0.4°C之间，平均相对误差为1.1%。模型得到有效验证，适用于后续情景分析。
3.2 速度场
总体而言，所有工况下栽培区的空气流速主要在0.5 m/s以下，处于草菇生长的适宜范围（0.1–0.5 m/s）。水平送风方案（2-0°和3-0°）表现出明显的贴壁效应，射流附着于侧墙转向下，沿地板和底层栽培架上表面向中央过道扩散，汇聚后上升。2-0°形成两个对称反向旋转的循环回路，而3-0°因增加第三排架形成了双涡结构，增加了流动复杂性。垂直送风方案（2-90°）中，射流垂直撞击地板并向两侧水平扩散，使底层附近空气流速较高，同时在第一和第二栽培层之间诱发局部湍流涡，促进热边界层破坏和层间空气及CO?混合。混合方案（2-0°+90°）中，水平贴壁射流与垂直冲击射流叠加，在中央过道形成强集中涡。
从冠层平面来看，所有工况均呈现过道处速度高、架子内部速度低的分布模式，表明栽培架对气流穿透有明显阻挡效应。在统计指标方面，2-90°方案各层平均速度最为接近（0.21–0.25 m/s），垂直速度CV仅为8.7%，在所有方案中最低，确认了其最佳的层间一致性，但其水平CV（29.2–53.4%）略高于2-0°。2-0°方案垂直速度CV为42.2%，3-0°方案为26.7%，2-0°+90°方案为13.7%。在最优区域面积比方面，2-90°方案各层均达到约90%（85.1–94.4%），垂直波动最小（CV=2.8%）。综合来看，含垂直分量的方案优于纯水平方案，2-90°方案因最低的垂直CV实现了最稳定的性能。
3.3 温度场
所有工况下温度范围在28.4°C至30.3°C之间，呈现明显的垂直分层：上层区域温度较高（>29.5°C），下层区域较低（<28.8°C）。在垂直温度均匀性方面，2-0°方案表现最佳，垂直CV最低（0.16%），其次是3-0°（0.19%）、2-0°+90°（0.21%）和2-90°（0.22%）。在水平温度均匀性方面，3-0°方案各层水平CV均最低（0.26–0.49%），这归因于三排架布局更有效地分散了热源。总体而言，温度场的均匀性远高于速度场，对送风参数的敏感性也低得多。
3.4 综合评价
为克服单一指标评估的局限性，研究人员采用AHP-熵权-TOPSIS模型对四个通风方案进行综合排名。评价体系包含五个指标：最优区域面积比、过高风速区面积比、垂直速度CV、水平速度CV和水平温度CV。主观权重基于草菇栽培的物理需求确定（一致性比率CR=0.023<0.1），客观权重通过熵权法获得，组合权重通过乘法归一化得到。TOPSIS方法计算的各方案相对贴近度排名为：2-90°（0.616）> 2-0°+90°（0.604）> 3-0°（0.423）> 2-0°（0.417）。雷达图显示，2-90°方案轮廓最为均衡，在垂直速度CV和最优区域面积比方面表现突出。含垂直分量的两个方案获得了明显更高的贴近度，证实引入垂直动量分量对于改善多层食用菌栽培的环境均匀性起着决定性作用。
讨论与结论
研究表明，送风角度与栽培架行数之间存在显著的交互作用，其最优配置在速度场和温度场之间存在差异：垂直向下送风配合两排架布局在速度均匀性方面表现优异，而水平送风配合三排架布局则通过更均匀地分散热源提供更好的水平温度均匀性。这种权衡凸显了多准则评估的价值。AHP-熵权-TOPSIS评估确认了包含垂直分量的方案始终优于水平方案，2-90°方案排名最高，其次为2-0°+90°。
对于本研究的5米宽草菇房，推荐的设计参数如下：送风口速度为6.0 m/s；风管悬挂高度距地面2.3–2.7 m；两排架布局，中央过道宽度1.5–1.8 m；以及垂直向下（90°）送风方向。这些建议基于当前带有中央悬挂风管的主动回风系统，推广到传统侧墙送风布局需进一步验证。此外，当前的稳态方法无法考虑快速环境变化期间的瞬态效应。未来工作可进一步研究在本研究确定的最优配置下，中间送风角度（例如15–45°）、送风速度和回风速度对环境均匀性的影响，以确定草菇冠层的最佳运行参数。
