夏季肉牛舍濕簾風(fēng)機縱向通風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境CFD模擬

陳昭輝，馬一暢，劉 睿，郭 霏，劉繼軍※，楊食堂（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，北京 10019；2. 動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 10019；. 北卡羅來納州立大學(xué)計算機科學(xué)，羅利 27606；. 高安市裕豐農(nóng)牧有限公司，高安 0800）

夏季肉牛舍濕簾風(fēng)機縱向通風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境CFD模擬

陳昭輝1,2，馬一暢1,2，劉 睿3，郭 霏1,2，劉繼軍1,2※，楊食堂4
（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，北京 100193；2. 動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193；3. 北卡羅來納州立大學(xué)計算機科學(xué)，羅利 27606；4. 高安市裕豐農(nóng)牧有限公司，高安 330800）

為了研究濕簾風(fēng)機縱向通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于肉牛舍的夏季降溫效果，該試驗在現(xiàn)場環(huán)境指標實測的基礎(chǔ)上，采用計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的方法對濕簾風(fēng)機縱向通風(fēng)肉牛舍的氣流場與溫度場進行模擬，并對系統(tǒng)進行改進與優(yōu)化。模擬時將牛只按與實物原型等比例引入到模型中，結(jié)果表明：舍內(nèi)溫度分布均勻，但受牛體擋風(fēng)的影響，氣流分布不均，高風(fēng)速區(qū)主要集中在屋頂及飼喂走道，可達0.9～1.2 m/s；牛活動區(qū)域風(fēng)速較小，均小于0.6 m/s，不能滿足飼養(yǎng)標準。在75個風(fēng)速測定點剔除異常值后，氣流場的相對誤差范圍為0.16%～94.41%，平均相對誤差為34.53%，45個溫度測點的相對誤差范圍為0.09%～10.74%，平均相對誤差4.71%。通過溫度場吻合性結(jié)果確定模擬與實測有較好的吻合度。在不改變牛舍圍護結(jié)構(gòu)及舍內(nèi)構(gòu)造的前提下，對牛舍進行優(yōu)化，舍內(nèi)安裝導(dǎo)流板，使得溫度與氣流場的分布均勻性顯著提高，降溫效果更為顯著。該研究可為濕簾風(fēng)機牛舍的優(yōu)化設(shè)計和環(huán)境調(diào)控提供參考。

溫度；模型；流場；肉牛舍；濕簾風(fēng)機；縱向通風(fēng)；CFD

0 引言

肉牛耐寒不耐熱，高溫高濕環(huán)境易引發(fā)肉牛熱應(yīng)激，造成采食量和日增重的明顯下降[1-2]。因此，對于高溫地區(qū)，采取適宜的降溫措施十分必要。

濕簾風(fēng)機負壓通風(fēng)系統(tǒng)的降溫效率可達85%以上，是農(nóng)業(yè)設(shè)施中最有效、最經(jīng)濟的降溫方式[3-4]。20世紀50年代，Morris首先將濕簾風(fēng)機系統(tǒng)應(yīng)用于溫室并發(fā)現(xiàn)較好的降溫趨勢[5]。Huang等根據(jù)濕簾風(fēng)機系統(tǒng)的原理與要求，結(jié)合PLC理論設(shè)計了畜舍自動調(diào)控方案，很好地實現(xiàn)風(fēng)機自動啟閉[6]。Liao等通過對濕簾不同材質(zhì)進行比較，發(fā)現(xiàn)纖維濕簾設(shè)計更具降溫能力，適宜厚度為10～30 cm[7]。隨著理論研究的進一步深入，濕簾風(fēng)機降溫系統(tǒng)開始應(yīng)用于畜舍且效果較好。龔建軍等采用濕簾風(fēng)機降溫系統(tǒng)對妊娠豬舍在高溫季節(jié)的降溫效果進行分析，舍內(nèi)溫度均在25～29 ℃，熱空氣經(jīng)濕簾可降低7.06 ℃，受外界溫度變化影響小，且氣體濃度均在各標準范圍內(nèi)[8]。由于濕簾風(fēng)機降溫系統(tǒng)適用于密閉舍，因此該系統(tǒng)在中國夏季肉牛舍降溫方面應(yīng)用較少。

隨著計算機時代的來臨，基于計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的數(shù)值模擬方法已被用于預(yù)測估計畜舍內(nèi)的氣流、氣體濃度或其他環(huán)境因子情況[9-10]。為提高CFD模擬精確性，Blanes-Vidal等使用4種邊界條件模型對機械通風(fēng)雞舍的氣流場進行模擬，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整舍內(nèi)風(fēng)速可提高模型精確度，利于對舍內(nèi)氣流的預(yù)測[11]。盡管CFD數(shù)值模擬對動物生產(chǎn)的應(yīng)用已相當廣泛，然而對于CFD最先進的研究發(fā)展還沒有相應(yīng)綜述，且大多數(shù)模擬都沒有考慮舍內(nèi)動物的存在，或者是沒有將試驗動物等比例置于模擬畜舍內(nèi)，對于動物體的模擬也只是將動物簡化為發(fā)熱的板狀結(jié)構(gòu)[12-14]。為解決動物體模型問題，鄧書輝等對低屋面橫向通風(fēng)牛舍的氣流場進行CFD數(shù)值模擬，并將與實際等比例的奶牛模型引入到計算模型中，這對于準確模擬舍內(nèi)的空氣流動是非常重要的[15]。Li等通過對滿載豬舍的氣流分布進行數(shù)值模擬，總結(jié)出確保畜舍建模精確的驗證方法，為評價模擬結(jié)果準確性與精確性提供理論依據(jù)[16]。

由于濕簾風(fēng)機負壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)還未在拴系肉牛舍中采用，且卷簾牛舍較少用數(shù)值模擬的方法研究，故本試驗利用計算流體力學(xué)CFD的方法探究該系統(tǒng)肉牛舍的降溫效果以及溫度和氣流的分布狀況，并嘗試對模型進行改進，為該系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍原型

本試驗在江西省宜春市（28.25°N，115.2°E）的國家肉牛體系高安試驗站進行。該地區(qū)6—9月平均相對濕度約80%，溫濕指數(shù)（temperature-humidity index, THI）≥74的天氣約占72%，7、8月份全月THI都在78以上[17]。試驗牛舍為東西走向，長度54 m，跨度12 m，檐高4.2 m，雙列中走道布置，屋頂為雙坡彩鋼板屋面。南北墻通長設(shè)置2.7 m卷簾窗，窗臺高1.5 m。西側(cè)山墻設(shè)有寬3 m、高3.6 m的鐵門，兩側(cè)裝有4臺軸流風(fēng)機，風(fēng)機型號為EM50（蒙特空氣處理設(shè)備（北京）有限公司生產(chǎn)），額定風(fēng)量為38 048 m3/h，功率1.1 kW，風(fēng)機下端距舍內(nèi)地面0.5 m。東側(cè)山墻中間裝有長9 m，高1.8 m，厚150 mm的濕簾，被兩根直徑60 mm的構(gòu)造柱分為3部分（中間濕簾尺寸為2.66 m×1.80 m，兩邊濕簾尺寸分別為2.57 m× 1.80 m），濕簾下端距舍內(nèi)地面0.5 m（圖1）。

圖1 濕簾風(fēng)機降溫系統(tǒng)布置Fig.1 Arrangement plan of fan-pad cooling system

1.2 環(huán)境指標檢測

1.2.1 檢測方法

2014年7—8月對拴系飼養(yǎng)58（平均質(zhì)量500 kg）頭西門塔爾牛的試驗舍進行環(huán)境檢測，內(nèi)容包括溫度、相對濕度、風(fēng)速、圍護結(jié)構(gòu)溫度、肉牛體表溫度和體尺。對于風(fēng)速的測定：如圖2a、2b所示，選取肉牛躺臥、站立和上方區(qū)域進行測定，高度為0.6、1.2、1.8 m。使用1臺三維超聲波風(fēng)速儀81000，對75個風(fēng)速測點進行測定。對于溫、濕度的測定：距地面0.6、1.2、1.8 m處采用手持溫濕、度測定儀（Testo625）對45個溫度測點進行測定，同時2.3 m處懸掛溫濕度自動記錄儀（Apresys 179A-TH），每5 min自動記錄1次溫、濕度。對于圍護結(jié)構(gòu)溫度、肉牛體表溫度的測定：沿長度方向每隔6 m截取一個剖面，各剖面布點如圖2b，使用紅外熱像儀（Fluke Ti400）分別測定屋面、卷簾、墻體、臥床、飼喂走道的紅外溫度。對于進出口邊界條件的測定：如圖2c、2d，使用三維超聲波風(fēng)速儀81000測定進出口風(fēng)速，各點懸掛溫、濕度自動記錄儀測定濕簾與4臺風(fēng)機的進出口溫濕度。

圖2 環(huán)境指標測定點布置Fig.2 Arrangement plan of environmental testing points

各環(huán)境指標每天測定3次，測定時間10:00、14:00、18:00，此時為全天舍外溫度剛剛升高、溫度最高、溫度開始降低的時刻，且通過對各點同一時刻的溫濕度自動記錄儀數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)1 h內(nèi)溫度值差異不顯著，因此忽略測試時間對實測值的影響。舍內(nèi)環(huán)境指標測定布點如圖2a、2b（A為靠近濕簾端，E為靠近風(fēng)機端，1Aa表示第1列、第1排、1.8 m高測點）；舍外環(huán)境指標測定選取靠近試驗舍且避免陽光暴曬、避雨處作為采樣點。

1.2.2 試驗儀器

表1 試驗儀器表Table 1 List of test instruments

1.3 控制方程

任何流體的流動均遵循三大基本定律：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律[18-20]。計算流體力學(xué)是將以三大定律為基礎(chǔ)推導(dǎo)的微積分方程或偏微分方程轉(zhuǎn)換成離散代數(shù)的形式，然后求解這些代數(shù)方程以得到離散的空間和時間點上的流場數(shù)值。本模擬中不考慮通風(fēng)過程中的能量交換和組分變化，空氣簡化為不可壓流體，定常流動，則控制方程組簡化為

質(zhì)量守恒方程

式中p是微元體上的壓力，Pa；V是速度矢量，m/s；u、v、w分別表示流體質(zhì)點速度的3個分量，m/s；τxx、τxy、τxz分別是因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力的分量；ρ?為微元體上的體力；K為熱傳導(dǎo)率，W/(m·K)；T為流體溫度，℃；q為單位質(zhì)量體積熱的增長率；ρ為流體密度，kg/m3。

1.4 計算模型

1.4.1 牛舍模型

牛舍的3D模型如圖3所示，以牛舍地面上長度（54 m）的1/2和跨度（12 m）的1/2的交叉點為坐標原點進行三維模型創(chuàng)建，牛舍跨度方向為X方向， 垂直于地面方向為Y方向，牛舍長度方向為Z方向。牛舍為全封閉舍，舍內(nèi)氣流變化主要受卷簾密閉性、肉牛位置分布影響。為了節(jié)省計算機資源，增強試驗可操作性，對模型進行簡化處理，模型與實體建筑等比例創(chuàng)建，忽略牛舍中栓牛欄桿對氣流和傳熱的影響，忽略舍外風(fēng)速（漏風(fēng)等）對舍內(nèi)氣流的影響。

圖3 濕簾風(fēng)機縱向通風(fēng)系統(tǒng)牛舍三維幾何模型Fig.3 Three-dimensional geometric model of fan-pad evaporative cooling system of beef cattle barn

1.4.2 肉牛模型

肉牛的3D模型如圖4所示：由于牛舍中肉牛的存在對舍內(nèi)氣流場和溫度場均會產(chǎn)生一定的影響，因此將肉牛模型與實際牛體等比例創(chuàng)建引入到計算模型中，對于提高模擬的準確性十分重要。本文根據(jù)實測的10頭試驗牛的體高、體尺，等比例創(chuàng)建了肉牛三維模型?？紤]到肉牛的耳朵、尾巴、蹄等細小部位在劃分網(wǎng)格時需要大量的網(wǎng)格，而這些部位對舍內(nèi)氣流場的影響較小，為了節(jié)省計算資源，在不影響模型精度的前提下，創(chuàng)建模型時忽略了牛的這些部位。

圖4 肉牛模型及網(wǎng)格劃分Fig.4 Three-dimensional geometric model and meshing of beef cattle

1.4.3 網(wǎng)格劃分

模擬時，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在氣流進出口處對網(wǎng)格進行加密處理，以確保氣流場的精確模擬。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢測，確定最大網(wǎng)格尺寸為1 024 mm，風(fēng)機、濕簾等局部網(wǎng)格最大尺寸為256 mm，肉牛表面網(wǎng)格最大尺寸為128 mm，網(wǎng)格單元數(shù)量為1 711 124個。

1.4.4 材料定義

通過查閱相關(guān)資料和計算[21-24]，定義了圍護結(jié)構(gòu)和肉牛的密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。其中肉牛的密度為1 080 kg/m3，比熱為3 500 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.491 W/(m·K)，產(chǎn)熱量為280.607 3 W/m3；表2為維護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)。

表2 圍護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 2 Parameters of building envelopes materials

1.5 流體域及邊界條件

1.5.1 濕簾入口

為準確模擬空氣流經(jīng)濕簾時壓力損失與氣流速度之間的關(guān)系，濕簾區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)。進風(fēng)口設(shè)置為速度入口（velocity inlet），經(jīng)測定，過簾風(fēng)速分別為1.49、1.52、1.54 m/s，風(fēng)速角度垂直于邊界，初始溫度為300.87 K（27.7 ℃）。

由于隨著風(fēng)速的增加，通風(fēng)阻力也會顯著提高[25]。有限厚度的多孔介質(zhì)的黏性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)根據(jù)Darcy定律如下式所示[26-27]

式中Δppad為壓力降，Pa；1/α為黏性阻力系數(shù)，1/m2；C2為慣性阻力系數(shù)，1/m；μ為空氣動力黏度，Pa·s；vpad為過簾風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Δm為濕簾厚度，m。

牛舍濕簾的阻力特性曲線表達式為[15]

根據(jù)式（6）和式（7）計算多孔介質(zhì)的黏性阻力系數(shù)1/α和慣性阻力系數(shù)C2。

1.5.2 風(fēng)機出口

出風(fēng)口設(shè)置為基于壓力出口的排風(fēng)扇邊界（exhaust fan），由測定得：四臺風(fēng)機的風(fēng)速大小分別為3.77、3.89、3.82、3.91 m/s，并依據(jù)風(fēng)速推算出目標流量與壓強躍升量，如表3所示。

表3 排風(fēng)扇邊界條件Table 3 Boundary condition of fan

1.5.3 溫度邊界

流場中其他壁面均設(shè)置為無滑移的墻面邊界，熱力學(xué)邊界設(shè)置為溫度邊界條件，根據(jù)紅外熱像儀測定數(shù)據(jù)，具體設(shè)定數(shù)值如表4所示。

表4 溫度邊界條件Table 4 Boundary condition of temperature

1.6 數(shù)值求解

采用Fluent軟件進行數(shù)值求解，模擬選用realizable k-ε湍流模型，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)，控制方程采用基于有限體積的離散方法，壓力-速度耦合選用SIMPLE算法，動量和湍流動能選用二階迎風(fēng)格式。

2 結(jié)果與分析

2.1 CFD模擬驗證

2.1.1 氣流場的驗證

氣流場采用相對誤差作為模擬值精確度的衡量指標。相關(guān)研究對豬舍或LPCV牛舍進行CFD模擬過程中，測定點的平均相對誤差范圍多處于17.1%～30.8%之間，模擬值與實測值具有較高的吻合度[15,28-29]。

圖5a為本試驗各測定點風(fēng)速實測值與模擬值。通過對氣流場的吻合度分析發(fā)現(xiàn)，在75個風(fēng)速測定點中，E1a、E1b、E1c、A5a、E5a 5個測點實測風(fēng)速過小，判斷為異常值，認為是肉牛擋風(fēng)所致。剔除異常值后，氣流場的相對誤差范圍為0.16%～94.41%，平均相對誤差34.53%，略高于理想值。

2.1.2 溫度場的驗證

溫度場也采用相對誤差作為模擬值精確度的衡量指標。相關(guān)研究對豬舍與LPCV奶牛舍的模擬中，實測值與模擬值的最大絕對誤差為1.4 ℃，平均相對誤差0.5%～2%之間，認為溫度的模擬值與實測值之間擬合度較高[28-30]，但是這些模擬多為空載試驗獲得的模擬結(jié)果。

圖5b為本試驗各測定點12:00時刻溫度實測值與模擬值的比較，通過對溫度場的吻合度分析發(fā)現(xiàn)，45個溫度測點的相對誤差范圍為0.09%～10.74%，平均相對誤差4.71%。

2.1.3 驗證結(jié)果分析

首先，經(jīng)過實際測定，該試驗肉牛舍平均溫度為31.06 ℃，屬于高溫環(huán)境，而牛的產(chǎn)熱量根據(jù)CIGR公式計算而來，由于高溫時牛的體熱調(diào)節(jié)導(dǎo)致產(chǎn)熱量增加但無法找到修正方法，故牛的實際產(chǎn)熱量高于計算值，這是造成溫度實測值偏高的主要原因；其次，該試驗舍為卷簾牛舍，其隔熱性能較豬舍與LPCV牛舍差，導(dǎo)熱性能快，從而造成溫度實測值偏高；最后，大多模擬采用空載畜舍進行吻合性驗證，或?qū)游矬w簡化為板狀結(jié)構(gòu)，且模擬中動物模型的位置是固定的，但實際飼養(yǎng)中肉牛的排列、走動、分布等時刻變化，這是影響風(fēng)速吻合性驗證不理想的主要原因。

雖然本試驗吻合性不理想，但圖5中實測值與模擬值表達的變化趨勢較一致，尤其風(fēng)速模擬為靠近濕簾端和風(fēng)機端風(fēng)速較高，而中間區(qū)域風(fēng)速較低，與實際趨勢吻合，因此認為該模型能夠模擬實際狀況下的風(fēng)速與溫度變化，可以基于此模型來預(yù)測濕簾-風(fēng)機降溫系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

2.2 模擬結(jié)果

由于牛體高約1.3 m，該模擬截取的Y=1 000 mm的截面恰為牛體高度的中部區(qū)域、X=3 000 mm的截面恰為牛體長度的中部區(qū)域，以此表示肉牛活動區(qū)域，對于實際生產(chǎn)具有代表性。

2.2.1 氣流場的模擬結(jié)果

根據(jù)舍內(nèi)Y = 1000 mm平面的氣流速度模擬結(jié)果，如圖6a所示，可知氣流由濕簾進入牛舍，高風(fēng)速區(qū)主要集中在飼喂走道，風(fēng)速為0.9～1.2 m/s，造成通風(fēng)資源浪費；除濕簾風(fēng)機附近區(qū)域風(fēng)速較大，中部的活動區(qū)域風(fēng)速小于0.6 m/s。如圖6b所示的模擬結(jié)果，在X = 3 000 mm平面上，氣流進入牛舍后迅速卷入牛舍上部，在牛舍上部形成高速區(qū)，風(fēng)速為0.6～1.2 m/s，而舍內(nèi)中部的肉牛附近風(fēng)速更低，風(fēng)速幾乎為0。

2.2.2 溫度場的模擬結(jié)果

根據(jù)圖6c所示的模擬結(jié)果，可知濕簾風(fēng)機縱向通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于肉牛舍具有較好的降溫效果，舍內(nèi)溫度可達28.0～30.6 ℃（301.15～303.75 K），利于夏季肉牛養(yǎng)殖。但牛舍的長度方向存在溫差，近濕簾端形成一塊低溫區(qū)，牛舍跨度方向溫度差異不明顯。圖6d模擬結(jié)果表明：牛舍高度方向的溫度差異不明顯，溫度集中在29.0～30.2 ℃（302.15～303.35 K）范圍，達到較好的降溫效果。結(jié)合實際測定情況，此時舍外實測溫度為36.8 ℃，舍內(nèi)肉?；顒訁^(qū)域?qū)崪y溫度為31.1 ℃，說明該系統(tǒng)降溫效果顯著。此外，圖中紅色區(qū)域表示由于肉牛產(chǎn)熱對牛舍空氣加熱產(chǎn)生的高溫部位。

圖6 截面氣流場與溫度場模擬結(jié)果Fig.6 Simulated results of airflow field section and temperature field section

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)改進

2.3.1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

為解決舍內(nèi)肉牛活動區(qū)域氣流較小的問題，該試驗提出設(shè)計走道及天花板導(dǎo)流板的改進措施，飼喂走道導(dǎo)流板長度3 m，距濕簾角度60°，每間隔6 m設(shè)置1塊天花板導(dǎo)流板，高度2 m。并對改進后的牛舍氣流場與溫度場進行模擬，驗證改進措施是否有效（圖7）。

2.3.2 改進后模擬結(jié)果與分析

由圖8a、8b可知，走道導(dǎo)流板有效地將氣流引向兩側(cè)，在肉牛體附近形成新的氣流高速區(qū)，風(fēng)速可達0.6～0.9 m/s；同時天花板導(dǎo)流板有效降低了屋頂高度，除了導(dǎo)流板之間有少量湍流外，大部分氣流不會流向屋頂上部，明顯提高舍內(nèi)肉?；顒訁^(qū)域的氣流均勻性。與改進前模擬結(jié)果對比，肉?；顒訁^(qū)域風(fēng)速提高0.3～0.6 m/s。由圖8c、8d可知，改進措施進一步擴大了低溫區(qū)范圍，舍內(nèi)溫度梯度差異不明顯。全舍溫度處于29.0～31.0 ℃（302.15～304.55 K），利于緩解肉牛發(fā)生熱應(yīng)激。

圖7 畜舍改進措施Fig.7 Optimization design of beef cattle barn

圖8 改進后氣流場與溫度場模擬Fig.8 Simulated results of airflow field and temperature field after optimization

鄧書輝等提出對LPCV牛舍的氣流組織改善措施：為防止氣流向牛舍上部偏轉(zhuǎn)，在飼喂通道內(nèi)側(cè)頸枷上方增加擋風(fēng)板，可將氣流重新導(dǎo)向下部空間，顯著增加采食通道和臥床區(qū)域的空氣流速[15]。呂潔等通過改變低屋面橫向通風(fēng)牛舍上部擋風(fēng)板的傾斜角度來改善牛舍內(nèi)空氣均勻度，并對其氣流場進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：當擋風(fēng)板與垂直方向夾角為60°時，牛舍中氣流分布最為均勻，牛只生存高度的氣流也最合適。由此可見，增加導(dǎo)流板的改善措施是可行的[31]。

3 結(jié) 論

本研究對濕簾風(fēng)機縱向通風(fēng)系統(tǒng)肉牛舍進行了三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場實際測量，得出以下結(jié)論：

1）計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬表明，牛舍內(nèi)氣流分布不均，飼喂走道與屋頂風(fēng)速高，可達0.9～1.2 m/s，肉牛活動區(qū)域風(fēng)速較低，均小于0.6 m/s。同時，舍內(nèi)溫度分布不均，濕簾端與風(fēng)機端存在溫差，不利于肉牛飼養(yǎng)。

2）運用建立的模型對該降溫系統(tǒng)進行優(yōu)化，即在飼喂走道和屋頂安裝導(dǎo)流板，改進后肉?；顒訁^(qū)域的風(fēng)速明顯提高，可達0.6～1.2 m/s。同時，低溫區(qū)范圍擴大，舍內(nèi)溫度差異不明顯，全舍溫度處于29.0～31.0 ℃（302.15～304.55 K），表明數(shù)值模擬效果較好，改善了肉牛的環(huán)境條件。

CFD模擬不作為一項精確描述某一事物的技術(shù)，模擬的結(jié)果表達的是一種趨勢。綜上所述，該模型可用于模擬舍內(nèi)氣流場與溫度場，為指導(dǎo)該形式牛舍的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

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Numerical simulation of environmental conditions for fan-pad evaporative cooling system of beef cattle barn in summer

Chen Zhaohui1,2, Ma Yichang1,2, Liu Rui3, Guo Fei1,2, Liu Jijun1,2※, Yang Shitang4
(1. College of Animal Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. State Key Laboratory of Animal Nutrition, Beijing 100193, China; 3. Computer Science, North Carolina State University, Raleigh 27606, America; 4. Yufeng Agriculture Co., Ltd. Gao’an 330800, China)

Although fan-pad tunnel ventilation evaporative cooling system is energy efficient and environmental friendly, which consists of a fan on one sidewall and a pad on the other sidewall, is rarely applied in beef cattle barn. The cooling efficiency of the fan-pad evaporative system can reach more than 85%. With the advent of the computer age, computational fluid dynamics (CFD) technology is widely used to predict the movement of air or other environmental factors. In order to study the effects of fan-pad evaporative cooling system applied in beef cattle barn in summer, the CFD technique was used to simulate airflow and temperature distribution inside the barn, based on the environmental index measurement, to improve and optimize the effect of the system. The barn building was 54 m long, 12 m wide and 4.2 m at height, window sill height was 1.5 m, and electric curtain was 2.7 m high. There were 58 beef cattle averaged 500 kg of weight included in the study. In the simulation, the beef cattle were introduced into the model according to equal proportion, a realizable k-ε model was built, and the SIMPLE (semi-implicit method for pressure linked equation) was used for the pressure velocity coupling. Measurements experiments were implemented from July to August, 2014. Seventy-five measurement points were dispersed uniformly in the building at 3 different heights as 0.6, 1.2 and 1.8 m above the bed floor, which respectively represented the lying down area, activity area and head above. For each measurement point, both air velocities and temperatures were recorded, using a three-dimensional anemometer and a temperature and humidity instrument respectively. Measurements were conducted at 10:00, 14:00 and 18:00. These measurement indices were used for the validation of the anastomosis. Meanwhile, the velocity and the temperature of fan and pad were also measured. The temperatures of walls, floors and ceiling were recorded by thermal infrared imager (Fluke Ti400), which were used for modeling. After the simulation was completed, the results showed that the temperature distribution was uniform, but affected by the beef cattle in the barn, and the air distribution was uneven, the high air velocity area was mainly concentrated in the roof and feeding aisle with 0.9-1.2 m/s, and the wind speed of beef cattle activity area was less than 0.6 m/s, which could not meet the feeding standards. The CFD model was validated via comparison with the field experimental results at the same locations by the sensors. Comparison between simulations and measurements showed that the relative errors were 0.16%-94.41% after 5 outlier elimination, the average relative errors were 34.53%. For the 45 temperature measuring points, the relative errors were 0.09%-10.74%, the average relative error was 4.71%, which indicated that there was a good fit between field measurement and numerical simulation. Without changing the envelope and indoor barn structure, a guide plate was arranged inside, making the uniformity of the temperature and airflow field in the room improved significantly and the cooling effects more significant. Therefore, this study can provide references for the optimization design and environment regulation of fan-pad evaporative cooling system of beef cattle barn.

temperature; models; flow; beef cattle barn; fan-pad evaporative cooling system; tunnel ventilation; CFD

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.028

S823.9+2

A

1002-6819(2017)-16-0211-08

陳昭輝，馬一暢，劉 睿，郭 霏，劉繼軍，楊食堂. 夏季肉牛舍濕簾風(fēng)機縱向通風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(16)：211-218.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.028 http://www.tcsae.org

Chen Zhaohui, Ma Yichang, Liu Rui, Guo Fei，Liu Jijun, Yang Shitang. Numerical simulation of environmental conditions for fan-pad evaporative cooling system of beef cattle barn in summer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 211-218. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.028 http://www.tcsae.org

2017-03-29

2017-07-07

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項基金南方地區(qū)草食家畜舍飼小氣候調(diào)控技術(shù)研究（201303145）；國家肉牛耗牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-38）

陳昭輝，男，浙江樂清人，副教授，研究方向為畜牧環(huán)境工程。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，100193。Email：chenzhaohui@cau.edu.cn?！ㄐ抛髡撸簞⒗^軍，男，吉林榆樹人，教授，研究方向為畜牧環(huán)境工程。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，100193。Email：liujijun@cau.edu.cn。