Математическая модель температурного поля конвективного теплообмена в фитотроне

Высококачественные исследования в области агроинженерии требуют точного подхода к контролю параметров микроклимата в фитотроне, особенно температуры. Распределение температуры при различных режимах работы фитотрона требует дополнительного научного исследования. В основе разрабатываемого устройства лежит техническое решение раздельного нагрева растений и их корневой системы за счет разделения объема воздуха на камеру выращивания растений и камеру нагрева почвы. Целью исследований является получение уравнений температурного распределения воздушных масс в фитотроне с учетом конвективного теплообмена в камерах выращивания растений и нагрева почвы. Среди рассмотренных методов моделирования, подходящих для решения данной задачи, выбран метод разделения переменных. Для математического моделирования температурного поля в камере фитотрона применили аналитический метод решения уравнений конвективного теплообмена, основанный на уравнении Навье-Стокса. В ходе теоретического исследования разработали математические модели температурных полей в камерах фитотрона, которые демонстрируют отклонение от средней температуры менее 5%, что достаточно для точного создания контролируемого микроклимата. В дальнейшем математические модели будут проверены методами компьютерного моделирования и натурными испытаниями на экспериментальной установке с учетом агротехнологических требований. Результаты расчета могут быть использованы при проектировании систем автоматического управления нагревательными элементами и вентиляции фитотронов различных типоразмеров.

1. Moon-Sun Y., Myung-Min O. Air and root zone temperature for growth of coastal Glehnia Seedlings. Korean journal of horticultural science and technology. 2023;41:177-187. https://doi.org/10.7235/HORT.20230017

2. Scafaro A., Posch B., Evans J. et al. Rubisco deactivation and chloroplast electron transport rates co-limit photosynthesis above optimal leaf temperature in terrestrial plants. Nature Communications. 2023;14:2820. https://doi.org/10.1038/s41467-023-38496-4

3. Bamatov I.M., Adaev N.L., Tsagaraeva E.A., Taymaskhanov Kh.E., Amaeva A.G. Improving the efficiency of health technology and primary in vitro propagation of pine strawberries. Proceedings of Gorsky State Agrarian University. 2020;57(4):183-191. (In Russ.)

4. Savko T.D., Potapkina K.E., Pivrik K.I., Tokmakova T.N. Influence of environmental factors on evaporation (transpaction) of water by leaves of plants. XXII Mezhdunarodniy Bios-Forum 2017. 2017;2:300-303 (In Russ.).

5. Gusennikov E.N., Yuran S.I. Conceptual design for a combined controlled-environment agriculture system for home use. In: Sovremennye tendentsii tehnologicheskogo razvitiya APK: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference dedicated to the Decade of Science and Technology and the 300th Anniversary of the Russian Academy of Sciences. 2024:253-256. (In Russ.)

6. Ammosov D.A., Vasil’ev V.I., Vasil’eva M.V., Stepanov S.P. Multiscale model reduction for a thermoelastic model with phase change using a generalized multiscale finite-element method. Theoretical and Mathematical Physics. 2022;211(2):181-199. (In Russ.) https://doi.org/10.4213/tmf10244

7. Pavlov M.V., Karpov D.F. Solution of the boundary value problem of heat and mass transfer using the Fourier method of finite integral transform for radiant soil heating conditions. Prirodoobustrojstvo. 2024;1:18-24. (In Russ.) https://doi.org/10.26897/1997-6011-2024-1-18-24

8. Nee A.E., Kim K.B. Lattice Boltzmann method for heat conduction problems with chemical reactions. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2021;83(3):191-197. (In Russ.)

9. Senkov A.G. Automatic control of air temperature in the greenhouse considering the weather forecast data. Informatics. 2021;18(3):59-67. (In Russ.) https://doi.org/10.37661/1816-Q3Q1-2Q21-18-3-59-67

10. Yuran S.I., Gusennikov E.N. Phytotron with a system of contactless heating of soil in pots: Patent for utility model No. 232987 Russian Federation, IPC A01G 9/24, 2025. (In Russ.)

11. Sannan S., Jerca I.O., Badulescu L.A. A CFD study of the fluid flow through air distribution hoses in a greenhouse. Chemical Engineering Transactions. 2023;100:385-390. https://doi.org/10.3303/CET23100065

12. Bazgaou A., Fatnassi H., Bouharroud R. et al. CFD modeling of the microclimate in a greenhouse using a rock bed thermal storage heating system. Horticulturae. 2023;9(2):183. https://doi.org/10.3390/horticulturae9020183