水力循環(huán)高架設施栽培裝置優(yōu)化設計及試驗分析.pdf

年 第 期 第 卷 農機化研究 水力循環(huán)高架設施栽培裝置優(yōu)化設計及試驗分析 朱慶松 嚴露露 李玉斌 白東方 朱贊彬 信陽農林學院 河南信陽 摘 要 高架設施栽培模式提升了溫室作物的產量和質量 為此 針對固定式高架設施遮蔭問題 通過測定 等不同角度栽培裝置的光照遮陰變化情況 確定了基于光照因素的最優(yōu)高架栽培架式角度為 為了解決固定 式高架設施角度過大 底層作物光照不足等問題 利用溫室控溫管路系統(tǒng)中水的壓力 創(chuàng)新設計了一種以水輪機為動力的 自動循環(huán)高架裝置 分析了結構組成及工作原理 采用 軟件設計了三維模型 同時 通過 模擬分析不同 型號葉輪作用下的水力壓力和速度變化 確定了雙列直線型六葉輪為最優(yōu)葉輪選型 裝置是以水力產生動力使栽培槽圍 繞支架勻速轉動 為高架設施架式設計提供一種新思路 在創(chuàng)造良好光照條件的同時減少能源的消耗 具有較高的經濟效 益 在實際生產中具有一定的推廣應用價值 關鍵詞 高架設施栽培裝置 水力循環(huán) 優(yōu)化設計 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 收稿日期 基金項目 河南省新農科研究與改革實踐項目 信陽農 林學院青年教師科研基金項目 信陽農林學院科 技創(chuàng)新團隊項目 作者簡介 朱慶松 男 河南信陽人 副教授 碩士 通訊作者 朱贊彬 男 湖南婁底人 工程師 講師 碩士 引 言 高架栽培是指在不影響植株正常生長發(fā)育的條件 下進行的立體栽培 可充分利用溫室太陽能和空間 從 而增加土地利用率和單位面積產量 設施高架裝置 的相關參數(shù)對其性能影響較大 同時隨著社會經濟的 發(fā)展 高架栽培模式逐步成為農業(yè)園區(qū)觀光旅游業(yè)的 亮點工程 國內外相關學者對高架栽培裝置設計 基質攤鋪 移栽育苗等展開了研究 宗靜等 研 究發(fā)現(xiàn) 在日光溫室中 高架栽培上層植株溫濕度和光 照條件較好 而下層相對較差 張永豪 對 型和 型栽培架進行多方面的分析 發(fā)現(xiàn) 型架比 型架具 有較好的光照環(huán)境 周明源等 通過促成栽培得出草 莓高架栽培模式產量最高的結論 吳楊煥等 研究表 明 采用立架栽培模式種植的草莓 其葉面積指數(shù)與產 量二次曲線關系的相關性較好 鄭吉澍等 研發(fā)了一 種旋轉立體栽培架的補光系統(tǒng) 使栽培架的植物接受 均勻的光照 陳一飛等 研發(fā)了一種草莓立體栽培智 能控制系統(tǒng) 使草莓掛果期比傳統(tǒng)露地種植平均提前 天 產出平均增加 周子君等 研究了高架草 莓物聯(lián)網(wǎng)栽培模式 使草莓栽培便利化和遠程化 節(jié)省 了勞動力 可準確用藥施肥 大大增加草莓的產量和品 質 張豫超等 分析了各架型優(yōu)缺點 得知 層階梯 形架型結構層次豐富 種植密度高 具有較大的增產潛 力 適合大型草莓種植基地使用 并具有較高的觀光性 能 如果進一步改善 層的光照環(huán)境 提高光合利用 率 產量將進一步提高 但是 目前總體來說我國對于高架栽培的形式方 面還處于技術探索研究階段 絕大部分高架設施為靜 態(tài)設施 如圖 所示 大量研究發(fā)現(xiàn) 光照強度影響幼苗的芽 根鮮質量 及生長狀況 光質影響幼苗光形態(tài)建成 葉綠素合成 碳氮代謝及品質 由圖 可以看出 為了使農作物 充分光照 整體高架張開角度較大 而由圖 則可 以明顯看出 下層的農作物光照受到較大干擾 光照強 度不好 導致果實品質差 第 卷農機化研究第 期 圖 靜態(tài)栽培裝置 目前 我國常規(guī)高架架式種類較多 但整體技術水 平不高 缺乏架式設計的規(guī)范化依據(jù) 且固定式高架架 型設計角度大小缺乏驗證 阻滯了該模式的發(fā)展 因 此 結合國內現(xiàn)有高架栽培裝置的特點 通過對固定高 架型架不同角度的光照強度和遮陰面積進行比較 為 此類固定型高架的設計提供理論依據(jù) 為了解決因固 定式架型角度過大導致的占地面積過大問題 筆者利 用我國傳統(tǒng)水車的工作原理 設計一種水力循環(huán)驅動 型設施栽培裝置 此種架型角度可減小到 左右 本 文利用 仿真軟件對葉輪的選型進行模擬優(yōu)化 分析 固定式高架光照試驗及參數(shù)確定 試驗方法 試驗地點 試驗為高架栽培架不同角度光照指標測量和栽 培槽遮擋光照的模擬試驗 光照強度試驗在信陽農林 學院玻璃溫室內 南側溫室 進行 試驗裝置 試驗所使用的栽培架是自行設計并制作出來的 型架 主要材料為鍍鋅鋼管 最大的特點是能調節(jié)栽 培架角度的大小 型架的參數(shù)為寬 高 栽培架設置 層 行栽培槽 層間垂直水平相 距 最下面一層離地面 栽培架南北放置 試驗方法 分別測量 型架角度張開在 和 時的光照強度 將不同角度栽培架西側和東側所測量 的光照強度值分別計算出總和進行對比 同時 利用 軟件模擬不同角度栽培槽間遮陰區(qū)域的變化 將 遮光區(qū)域面積與光照區(qū)域面積進行對照 計算出不同 角度遮光率的大小 栽培架光照指標的測定和遮陰面積的模擬 栽培架不同角度光照強度測定 對 型架栽培槽中間位置分為 層及其 東側 西側共 個不同位置栽培的草莓進行光照強度 的測定 分別在早中晚每個時間段測量 次取平均 值 光照強度用 數(shù)字式照度計測定 準 確度 遮光區(qū)域模擬試驗 在日常生產中 因設施條件 栽植密度 株高等原 因造成遮光現(xiàn)象 日光溫室的采光屋面是太陽輻射進 入溫室內的唯一通道 改良前屋面的形狀和采光角度 可以增加日光溫室的透光量 遮光區(qū)域模擬試驗通過 使用 軟件進行 如圖 所示 在軟件中分別設置 栽培架角度為 主要模擬栽培槽上 部區(qū)域 層距為 垂直水平 將光照不能到達栽 培槽的時間段設為陰影區(qū)域 陰影區(qū)域越小照射栽培 槽的實際光照越多 圖 遮光現(xiàn)象示意圖 試驗結果分析 不同角度栽培架光照強度變化 固定式 型架在不同角度下光照強度有明顯變 化 如表 所示 其中 東側和西側栽培架 層光照總 和中的最高值分別為 角度均為 角度與光照條件的變化呈正相關關系 角度越大 光 照越好 角度 的栽培架比 的栽培架在 個時 間段東側的光照強度總和提高了 西側的栽培槽 第 期朱慶松等 水力循環(huán)高架設施栽培裝置優(yōu)化設計及試驗分析第 卷 光照強度總和提升了 角度是 的栽培架比 的栽培架在 個時間段東側的光照強度總和提高 了 西側的栽培槽光照強度總和提升了 高架栽培架各層之間的光照強度存在層間遮擋 現(xiàn)象 光照強度的大小隨著角度的增大呈現(xiàn)逐漸上升 的趨勢 上午西側位置除第 層受到較少遮擋外 其 他 層受遮擋面積較多 下午東側除第 層遮擋較少 以外 其他 層同樣受到較多遮擋 表 不同角度光照強度變化 時間 角度 東側西側 東側西側 東側西側 東側西側 注 光照強度是每側栽培架光照強度總和 在測量時受到遮陰棚影響 不同角度栽培槽遮陰區(qū)域變化 將圖 中陰影區(qū)域利用 軟件模擬 根據(jù)面積 的大小計算出不同角度所占的百分比 光照遮擋率 隨著角度的增加呈現(xiàn)下降趨勢 如圖 所示 試驗表 明 遮光率最大 占 遮光率最小 為 遮光率為 遮光率為 其中 與 遮光率相差 圖 不同角度遮光率的變化 固定式栽培架角度參數(shù)確定 角度會影響設施內的面積 角度張開越大 栽培 架底部面積會變得越大 為提高空間利用率 在設計 時需考慮架式張開的角度 根據(jù)光照強度的變化 比 整體光照強度高 左右 在光照遮擋方 面 和 相差 左右 在考慮光照及空間利用 率等方面 將 確定為 字型固定栽培架設計的適 宜角度 水力循環(huán)高架設施裝置設計 綜上分析 為了確保固定式 型架的光照強度 張開角度最優(yōu)為 雖然與非高架栽培相比其溫室 面積利用率得到了提高 但其占地面積仍然較大 目 前 國外已成功設計并運用了電力驅動高架栽培設 施 并已被引入到國內 圖 為某農業(yè)園區(qū)引進的高 架栽培設施 通過電力驅動高架設施栽培槽 可以循 環(huán)運轉 由于其主要作用為觀光旅游 故經濟成本較 高 因此 本文結合我國傳統(tǒng)水車的原理 優(yōu)化設計 了其結構 節(jié)約了能源 同時進一步優(yōu)化了溫室的熱 量傳導環(huán)境 圖 電驅動循環(huán)設施裝置 第 卷農機化研究第 期 總體結構 高架設施栽培架應根據(jù)設施空間設計適宜的長 度 高度及寬度 本設計栽培架底部長為 寬 高為 從側面看形狀為 字型 主要由 支架 滑道 傳動鏈 鏈輪 斜滑道 栽培槽 水輪機 調 節(jié)閥 營養(yǎng)液箱和水箱等組成 沿著支架兩側分別設 置 層放置栽培槽的托盤 如圖 所示 出水管 水箱 鏈輪 傳動鏈 主動鏈輪 水輪機 進水管 調節(jié)閥 支架及滑道 栽培槽 傳動鏈輪 傳動鏈輪 斜滑道 營養(yǎng)液箱 圖 型栽培架結構示意圖 工作原理 此高架栽培裝置主要運用水車轉動產生動力的 原理 將水從水輪機的進水口灌入并通過出水口排 出 使水車機內的葉輪轉動產生動能 動力由水車主 動鏈輪通過鏈傳動給傳動軸 經過傳動軸使栽培槽的 兩側受力均勻 并通過整個鏈輪組的轉動使栽培槽由 點至 點再至 點沿著支架滑道勻速地循環(huán)轉動 保證栽培槽能夠均勻地接受光照 調節(jié)閥的功能是 控制水流和栽培槽運轉速度 栽培架的下部除水箱外 還包括營養(yǎng)液箱 栽培槽循環(huán)轉動經過這個位置時可 以使栽培槽內基質浸沒配置好營養(yǎng)液 隨時滿足植物 生長的營養(yǎng)需求 本設計的創(chuàng)新點除了水力產生動 力以外 注入水輪機的水可以根據(jù)不同的季節(jié)設置灌 入熱水或者冷水 當水通過排水管道流動時 冬季可 利用熱水對溫室進行增溫 夏季可利用冷水進行降 溫 從而輔助提高或降低玻璃溫室內的溫度 葉輪 模擬選型 仿真軟件簡介 葉輪仿真試驗主要運用 軟件進行 目前 國內外學者利用 軟件對水力驅動開 展了大量數(shù)值模擬研究工作 軟件具有豐 富的物理模型 先進的數(shù)值計算方法和強大的前后處 理功能 可應用于從可壓到不可壓 從單相流到多相 流等幾乎所有與流體相關的領域 仿真結果精度高 不同葉輪選型 葉輪機械是一種主體為連續(xù)旋轉葉片 其能量在 流體等工作介質與帶有葉片的葉輪之間相互轉換的 動力機械 根據(jù)水力循環(huán)高架設施栽培裝置中水輪 機的實際情況 設計了單列水斗型三葉輪 雙列水斗 型六葉輪 單列直線型三葉輪和雙列直線型六葉輪 種不同的葉輪 模型 在 中的標準 模型 公式中 需要求解湍動能及其耗散率方 程 其中 湍動能輸運方程 方程是一個通過精確推 導得出的精確方程 耗散方程 方程是一個經驗公 式 是通過物理推理 數(shù)學上模擬相似原形方程得到 的經驗方程 基于非線性 模型的數(shù)值方法 可以 有效地再現(xiàn)湍流各向異性影響下的流動 標準 模型假設流動為完全湍流 分子粘性的 影響可以忽略 因此 標準 模型只適合完全是湍 流的流場模擬 模型可在 的 中選擇 并在下面的 中選擇 來設置 仿真模型建立 將二維葉輪簡圖導入 軟件中 在葉輪 外取適當大小的正方形作為計算域 設定上方為進 口 下方為出口 然后劃分網(wǎng)格 生成三角形網(wǎng)格 經 檢驗 網(wǎng)格沒有出現(xiàn)負體積 質量好 滿足后續(xù)仿真需 求 將劃分的網(wǎng)格模型導入 軟件中 選用基于 壓力法的求解器 選擇標準 兩方程的湍流模型 采用 算法 設置上方為 下方為 其余部分為 建立仿真模型 仿真模擬及分析 利用所建立的仿真模型 模擬在同樣水壓以及水 量下水輪機內葉輪周圍壓力場與速度場變化情況 如 圖 圖 所示 第 期朱慶松等 水力循環(huán)高架設施栽培裝置優(yōu)化設計及試驗分析第 卷 圖 葉輪葉輪周圍壓力場 圖 葉輪葉輪周圍速度場 第 卷農機化研究第 期 由圖 可知 葉輪受到的升力與推力的合力要大 于阻力 水輪機是能夠運轉的 且雙列六葉輪受到的 合力明顯大于單列三葉輪 有助于提高裝置的自啟動 性能 由圖 可知 單列三葉輪并不存在相互干擾問 題 但在葉輪的背側流速有明顯改變 故在高流速的 環(huán)境下需要考慮葉輪背側的流動速度 相對于單列 三葉輪來說 雙列六葉輪周圍流速更低 但雙列六葉 輪存在一定的相互干擾問題 且雙列水斗型六葉輪比 雙列直線型六葉輪相互干擾問題更嚴重 因此 雙列 直線型六葉輪更適合水力循環(huán)高架設施栽培裝置中 水輪機 不同葉輪型式仿真結果分析如表 所示 表 不同葉輪型式仿真結果分析 葉輪類型最大正壓力 最大負壓力 最大速度 單列水斗型 雙列水斗型 單列直線型 雙列直線型 結論與展望 光照是農作物產量和品質形成的重要因素 通 過測量固定栽培架在不同角度時光照強度的大小及 利用 軟件模擬光照遮擋 確定將 作為固定栽 培架設計的適宜角度 設計出的新型栽培架是以水力產生動力使栽 培槽勻速轉動 繪制出了 型栽培架的二維圖和結構 示意圖 并分析了工作原理 為了使架式能夠更直觀 地表現(xiàn)出來 使用 軟件建立 型栽培架三 維模型圖 結合 軟件 對水輪機葉輪選型進行了模擬 分析 通過分析單列水斗型三葉輪 雙列水斗型六葉 輪 單列直線型三葉輪 雙列直線型六葉輪 種不同 型式葉輪模擬后的水流壓力以及速度分布情況 確定 了雙列直線型六葉輪為其最佳選型 因高架設施栽培裝置可實現(xiàn)標準化生產 空間 較大 便于機械手操作 可將智能采摘裝置以及基質 自動填充 機械化移栽等應用于高架設施栽培裝置 從而成為智能化程度較高的集成系統(tǒng) 參考文獻 王江山 劉繼展 趙升燚 等 高架草莓擺動式小型施藥機 設計與試驗 農機化研究 劉繼展 彭海軍 李男 等 高架栽培配套基質自動移動攤 鋪機設計與試驗 農業(yè)機械學報 王春玲 宋衛(wèi)堂 趙淑梅 等 型栽培架組合方式對光照 及草莓生長和產量的影響 農業(yè)工程學報 宗靜 劉寶文 草莓雙層高架栽培模式的氣象條件分析 北方園藝 張永豪 日光溫室辣椒立體栽培架型研究 鄭州 河南 農業(yè)大學 周明源 路河 王紅清 不同栽培模式對草莓生長發(fā)育的 影響 中國蔬菜 吳楊煥 門雪杰 周進 等 不同栽培模式條件下草莓生長 發(fā)育特性比較 北方園藝 鄭吉澍 鄧順華 李佩原 等 旋轉立體栽培架補光系統(tǒng)設 計 農業(yè)工程 陳一飛 路河 劉柏成 等 日光溫室草莓立體栽培智能 控制系統(tǒng) 農業(yè)工程學報 增刊 周子君 劉小波 葉志嬋 等 高架草莓物聯(lián)網(wǎng)栽培模式 應用研究 農業(yè)科技通訊 張豫超 楊肖芳 苗立祥 等 三種草莓立體栽培架型及 生產性能比較 浙江農業(yè)學報 紀開燕 郭成寶 童曉利 等 設施草莓立體無土栽培的 主要模式與發(fā)展對策 江蘇農業(yè)科學 李男 劉繼展 高架草莓移栽機控制系統(tǒng)設計與試驗 農機化研究 下轉第 頁 第 期劉淑芝 養(yǎng)殖 測溫定位電子耳標研究 基于智慧農業(yè)區(qū)塊鏈第 卷 吳平 彭志民 技術在出口活牛育肥養(yǎng)殖管理中的 應用 農民致富之友 王玲 鄒小昱 劉思瑤 基于 與 的羊場養(yǎng)殖 信息管理系統(tǒng) 農業(yè)機械學報 呂偉國 基于 物聯(lián)網(wǎng)和 的奶牛精細養(yǎng)殖信息 管理系統(tǒng) 長春 吉林大學 梁坤 張哲純 超高頻 系統(tǒng)在奶牛養(yǎng)殖管理中的應 用方案 農機化研究 羅洋 射頻識別前端模塊的設計 西安 西安電 子科技大學 王會杰 無源 標簽芯片前端模塊電路的研究 與設計 長沙 湖南大學 田金峰 工藝無源與半有源 標簽芯片射 頻模擬前端電路研究 天津 天津大學 上接第 頁