淺層地?zé)釋﹄u舍溫度影響的CFD模擬

郭仁寧　張櫻珞　趙平衛(wèi)　郭瑩瑩

摘要：基于計算流體動力學(xué) （computational fluid dynamics，CFD模擬技術(shù)，采用層流模型對利用淺層地?zé)釣闊嵩吹碾u舍進行了二維溫度場求解，得出了雞舍內(nèi)部溫度分布圖，并與常規(guī)雞舍進行對比。結(jié)果表明，利用淺層地?zé)嶙鳛闊嵩?，在無其他熱源以及通風(fēng)的情況下，冬季室外溫度為-131 ℃時，室內(nèi)主要區(qū)域溫度為-70 ℃，比普通雞舍的溫度提高約20 ℃；初夏室外溫度為2000 ℃時，室內(nèi)主要區(qū)域溫度為1675 ℃，比普通雞舍的溫度降低約080 ℃。

關(guān)鍵詞：CFD模擬技術(shù)；雞舍；溫度場；淺層地?zé)?/p>

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0442-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2013-12-31

作者簡介：郭仁寧（1956—，男，遼寧省阜新人，碩士，教授，從事傳熱過程理論與節(jié)能技術(shù)研究。E-mail：guorenning123@163com。

根據(jù)《2009—2012年中國禽類養(yǎng)殖市場研究與發(fā)展前景分析報告》研究顯示，從當(dāng)前我國市場需求和家禽發(fā)展態(tài)勢來看，肉雞與蛋雞具有較強的競爭力和開發(fā)潛力。雞的發(fā)展以蛋雞和肉雞為主，其中土雞、優(yōu)質(zhì)黃羽肉雞更是優(yōu)勢雞種。目前，國內(nèi)眾多學(xué)者在環(huán)境對蛋雞、肉雞產(chǎn)蛋及生長的影響上進行了多方面的研究，結(jié)果表明雞舍的溫度、濕度、通風(fēng)都是直接影響蛋雞、肉雞的生長以及產(chǎn)蛋量的重要因素[1-3]。因此，雞舍溫控是獲得較高經(jīng)濟效益的重要措施之一。目前地源熱作為一種新型能源已經(jīng)被應(yīng)用于建筑業(yè)，并已經(jīng)成為建筑節(jié)能的一種重要方法 。利用淺層地源熱為雞舍提供溫控?zé)嵩纯梢杂行p少維持雞舍溫度穩(wěn)定所消耗的能源。

由于淺層土壤具有較差導(dǎo)熱能力以及較強的蓄熱能力，其溫度隨季節(jié)變化程度相對空氣溫度較小，且與空氣溫度存在較大溫差，可以為雞舍提供相對穩(wěn)定的溫控?zé)嵩?。本研究以后壁與淺層土壤相接雞舍為研究對象，采用Gambit軟件建立模型，并對其劃分網(wǎng)格，然后用Fluent軟件對雞舍內(nèi)部溫度場進行模擬，得出其溫度分布，對比普通雞舍溫度分布，分析淺層地?zé)釋﹄u舍溫度的影響。

1數(shù)學(xué)模型

在數(shù)值計算時認為空氣是連續(xù)、非穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的牛頓流體。空氣滿足理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRT，式中：R為常量；P為壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體的物質(zhì)量，mol；T為開氏溫度，。

計算區(qū)域控制方程滿足質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程。

（1質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程：

[HS2][J][SX（]ρt[SX]+div（ρu[DD（-1][HT7]→[DD]=0。

（2動量守恒方程：

[HS2][J][SX（]（ρut[SX]+div（ρuu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Px[SX]+Su；

[HS2][J][SX（]（ρυt[SX]+div（ρυu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Py[SX]+Sυ。

（3能量守恒方程：

[HS2][J]ρ[JB（（][SX（]Ht[SX]+ux[SX（]Hx[SX]+uy[SX（]Hy[SX][JB]=[SX（]λcp[SX][JB（（][SX（]2Hx2[SX]+[SX（]2Hy2[SX][JB]+Sh

式中：ρ為密度，kg/m3；μ為動力黏度，N·s/m2；P為壓力，Pa；u為速度，m/s；Su、Sυ是動量守恒方程的廣義源項：

[HS1][J]Su=Fx+sx，Sυ=Fy+sy。

而其中的sx和sy的表達式如下：

[HS2][J]sx=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]ux[SX][JB]+[SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υx[SX][JB]+[SX（]x[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]；

[HS2][J]sy=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]uy[SX][JB]+[SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υy[SX][JB]+[SX（]y[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]。

式中：λ為第2黏度，一般可取λ=-2/3。假設(shè)空氣黏性為常數(shù)。

選取層流模型與以上控制方程形成封閉方程組，對組成的封閉方程組進行數(shù)值求解，獲得雞舍內(nèi)部溫度分布圖。

2物理模型

考慮雞舍具有高度對稱性，取其橫向剖面，將其簡化為二維模型：雞舍壁高2 m，地面距屋頂28 m，跨度6 m。雞舍后壁（模型中為左側(cè)1 m以下與土壤相接。屋頂人字坡材料選擇石棉板，雞舍墻壁選擇紅磚。石棉板厚度0015 m，墻體厚度02 m。將此類雞舍記為1號雞舍，雞舍壁面物性參數(shù)如表1所示；則記普通雞舍為2號雞舍。設(shè)定空氣為理想氣體，其密度隨溫度變化關(guān)系為：ρ=t0ρ0/t，式中：t0=27315 ，即 0 ℃；t為溫度，；ρ0=139 kg/m3。

[F（W8][HT6H][J]表1壁面物性參數(shù)[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W5，W8。3W]材料密度（kg/m3導(dǎo)熱率[W/（m·]比熱容[kJ/（kg· ℃]

[BHDG12]土壤2 5322000769

[BHDW]石棉板1 3686975816

紅磚1 4620490857[HJ][BG）F][F）]

3模型結(jié)果分析

31冬季保溫分析

參考相關(guān)文獻中的溫度[5]，設(shè)定冬季空氣溫度為 -131 ℃，1號雞舍地面溫度取1 ℃，由于左側(cè)壁面與土壤接觸，溫度自上而下不斷增加，因而選取其均值-1 ℃；2號雞舍地面溫度取-16 ℃。在無任何熱源情況下，對雞舍內(nèi)溫度和速度場進行模擬，雞舍冬季溫度隨寬分布如圖1所示。

[F（W12][TPGRN1tif][F]

比較圖1中2條曲線可以看出，在冬季外部溫度為-131 ℃、無任何熱源情況下，1號雞舍的主體空間溫度約為-7 ℃，2號雞舍主體空間溫度約為-9 ℃，兩者相差約 2 ℃；在靠近邊界熱源處，兩者溫度相差更多。2條曲線之間的溫度差異顯示，利用淺層地源熱可有效改善雞舍內(nèi)溫度環(huán)境，使雞舍在冬季能夠保持相對較高的溫度，進而節(jié)省冬季保暖所消耗的能源。兩者出現(xiàn)如此溫度差，一方面是由于1號雞舍存在著較高熱源，另一方面與雞舍內(nèi)自然對流有關(guān)。雞舍速度矢量圖如圖2、圖3所示。

[F（W9][TPGRN2tif][F]

[F（W8][TPGRN3tif][F]

模擬結(jié)果顯示，2種雞舍內(nèi)的空氣自然對流形式大致相同，都是左右分別形成2個漩渦；1號雞舍自然對流強度明顯高于2號雞舍。1號雞舍空氣上升速度高于2號雞舍，因此認為，1號雞舍室內(nèi)冷空氣與地面及左側(cè)墻壁換熱明顯好于2號雞舍。

2號雞舍內(nèi)的冷空氣僅與地面換熱，因而其溫度兩側(cè)速度均衡對稱，由于底部空氣溫度較高，所以其速度相對較大并向上運動，換熱過程已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)；室內(nèi)空氣溫度高于靠近四壁的空氣溫度，故靠近四壁的空氣向下運動，室內(nèi)空氣向上運動，形成對稱的漩渦狀流動，漩渦中心溫度趨于平穩(wěn)。

1號雞舍內(nèi)部冷空氣與左側(cè)下部及地面換熱，空氣速度明顯高于2號雞舍，因此換熱效果更加顯著，平均溫度高于2號雞舍?？拷谋诘睦淇諝庀蛳逻\動；左側(cè)下降至1 m與土壤相接處，空氣與土壤換熱，速度變小，溫度變高，轉(zhuǎn)化為熱空氣上升，左側(cè)換熱強度較大，所以上升速度較快，產(chǎn)生漩渦較小，上升氣流向左偏移，且中間沒有下降氣流。雞舍右側(cè)漩渦較大，漩渦中心溫度穩(wěn)定。整體可見，1號雞舍整體平均溫度高于2號雞舍。

根據(jù)模擬結(jié)果，形成2種雞舍的溫度差異的原因為：（1地面熱源存在溫差；（21號雞舍左側(cè)有1 m高的熱源，可以與左側(cè)空氣吸收熱量，而2號熱源左側(cè)為冷源，空氣在整個左側(cè)釋放熱量，使得空氣中的熱量損失比較大。

32初夏降溫分析

參考相關(guān)文獻中的溫度[5]，設(shè)定初夏空氣溫度為20 ℃，1號雞舍地面溫度取142 ℃，左側(cè)壁面與土壤接觸處取15 ℃；2號雞舍地面溫度取空氣溫度161 ℃。在無任何熱源情況下，對雞舍內(nèi)溫度和速度場進行模擬。雞舍初夏溫度隨寬分布如圖4所示。

[F（W11][TPGRN4tif][F]

比較圖2中2條曲線可以看出，在外部溫度為1850 ℃且無任何熱源情況下，1號雞舍的大部分空間溫度約為 1675 ℃，2號雞舍主體溫度約為1755 ℃。兩者相差約 080 ℃。由于土壤溫度變化隨空氣溫度變化程度相對較小，因此在外部溫度持續(xù)升高的情況下，溫差會繼續(xù)擴大；在靠近邊界熱源處，兩者溫度相差更多。配合夏季通風(fēng)，可有效降低雞舍內(nèi)部溫度。2條曲線之間的溫度差異顯示，在初夏利用淺層地源熱可降低雞舍內(nèi)溫度環(huán)境，使雞舍在夏季能夠保持相對較低的溫度，雞舍環(huán)境更加適合雞的生長、產(chǎn)蛋。

雞舍速度矢量圖如圖5、圖6所示。模擬結(jié)果顯示，夏季2種雞舍內(nèi)的空氣運動速度明顯低于冬季，這是由于初夏外界空氣溫度相對較高，空氣密度自下而上近似降低，不利于自然對流的形成。1號雞舍自然對流強度略高于2號雞舍自然對流強度。2種雞舍速度矢量圖的左側(cè)差異較大，這是因為1號雞舍左側(cè)墻壁存在1 m高的土壤冷源，進而使得1號雞左側(cè)換熱較為明顯。

冬季2種雞舍溫度相差約為2 ℃， 而初夏2種雞舍溫度

[F（W9][TPGRN5tif][F]

[F（W9][TPGRN6tif][F]

相差僅為08 ℃。在兩者淺層地?zé)崤c地表溫度的溫差相近的情況下，初夏2種雞舍溫度溫差明顯降低。此現(xiàn)象表明，夏季由于自然對流較難形成，從而降低了淺層地?zé)岬臏乜匦Ч?。但考慮到夏季雞舍能保持較大的通風(fēng)，因此其實際溫度差將大于08 ℃。

4結(jié)論與討論

本研究基于計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD模擬技術(shù)，在忽略其他環(huán)境因素、單獨考慮淺層地?zé)岬那闆r下，采用層流模型對利用淺層地?zé)釣闊嵩吹碾u舍進行了2-D溫度場求解，得出了雞舍內(nèi)部溫度分布與速度矢量圖，較為真實地反映了淺層地?zé)嵊绊懴碌碾u舍溫度分布。

通過對1號、2號雞舍在冬季和初夏的主體空間內(nèi)速度分布分析可知，冬季淺層地?zé)嵊绊懴?，雞舍的主體空間自然對流強度較高；左側(cè)墻壁1 m高的熱源，為換熱提供了高溫?zé)嵩?，使得空氣運動速度變大，有利于熱傳遞，空氣能夠較好地吸收熱量；熱空氣能迅速充滿雞舍主體空間。夏季淺層地?zé)嵊绊懴拢u舍的主體空間自然對流強度較弱。

通過對1號、2號雞舍在冬季與初夏主體空間溫度分布的對比分析可知，在冬季，淺層地?zé)峥商岣唠u舍內(nèi)部溫度，降低維持雞舍溫度的能源消耗；在夏季，淺層地?zé)嵩跓o通風(fēng)條件下對雞舍降溫能力較差，但夏季雞舍能夠保持良好的通風(fēng)環(huán)境，其降溫能力會得到加強。

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