內(nèi)蒙古地區(qū)牛舍夏季通風(fēng)結(jié)構(gòu)改造研究

（通遼市開魯縣家畜改良工作站，內(nèi)蒙古通遼 028400）

0 引言

從20世紀(jì)70年代至今育肥牛技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展和完善已趨于成熟，并備受人們關(guān)注[1-3]?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)影響育肥牛生長(zhǎng)的因素主要有：育肥方式的選擇、育肥出欄時(shí)一起調(diào)控、育肥牛飼料的選擇、飼料添加劑的應(yīng)用、防疫措施以及建筑結(jié)構(gòu)等。而隨著我國(guó)科技的快速發(fā)展，優(yōu)質(zhì)飼料以及疫苗等供給充足，但對(duì)于一些地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)落后，從而阻礙育肥牛的飼養(yǎng)。而隨著人們對(duì)生活水平有了質(zhì)的提高，不僅對(duì)牛肉的口感有很大要求，營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題更為重要。因此快速培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)的育肥牛，才能不斷滿足人們的需求。

內(nèi)蒙古通遼市某育肥牛廠由于其通風(fēng)結(jié)構(gòu)單一導(dǎo)致牛舍內(nèi)部廢氣不能很好地排出，不僅對(duì)飼養(yǎng)人員有危害而，且會(huì)造成育肥牛情緒易躁動(dòng)、生長(zhǎng)育肥慢、易感染傳染病等一系列問(wèn)題，直接造成經(jīng)濟(jì)損失[4]。因此定性分析牛舍內(nèi)通風(fēng)狀況，通過(guò)改變牛舍結(jié)構(gòu)達(dá)到合理的通風(fēng)狀況是此次實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵[5]。文章采用數(shù)值模擬仿真方法，通過(guò)CFD數(shù)值模擬對(duì)比分析改造后育肥牛舍與原育肥牛舍的通風(fēng)狀況[6～8]，從而優(yōu)化解決傳統(tǒng)育肥牛舍通風(fēng)不良的問(wèn)題，旨在確保育肥牛安全的下改善牛舍結(jié)構(gòu)解決牛舍通風(fēng)不暢的問(wèn)題，促進(jìn)地方畜牧業(yè)的快速發(fā)展。

1 牛舍模型介紹及計(jì)算工況

1.1 模型介紹及網(wǎng)格劃分

針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)牛舍，根據(jù)實(shí)際尺寸取1/4體結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型。1/4體牛舍結(jié)構(gòu)地基長(zhǎng)為14200mm、寬為10000mm、背陽(yáng)面高為5000mm，向陽(yáng)面圍墻為石磚堆砌（不透風(fēng)），內(nèi)部對(duì)每頭肉牛進(jìn)行圍墻隔離高1200mm，石墻壁厚200mm，水平段管道直徑2000mm，牛舍背陽(yáng)面有兩個(gè)垂直地基高h(yuǎn)=1550mm的自然對(duì)流通風(fēng)口，每個(gè)通風(fēng)口截面積為S=2500000mm2，如圖1所示；改造1/4體牛舍結(jié)構(gòu)地基不變，向陽(yáng)面圍墻改為透風(fēng)鐵柵欄，內(nèi)部隔離圍墻向朝陽(yáng)面移動(dòng)S=800mm，牛棚上方加裝兩個(gè)方形抽氣口（呈一定傾角以防止雨水滴入），截面積為S=7000mm2，背陽(yáng)面改為四個(gè)圓形垂直地基高h(yuǎn)=400mm的強(qiáng)制對(duì)流通風(fēng)口，每個(gè)通風(fēng)口截面直徑為Φ=1200mm，如圖2所示：

圖1 原牛舍三維模型結(jié)構(gòu)

模擬應(yīng)用Mashing平臺(tái)將網(wǎng)格初步劃分完成后，調(diào)整Relevance選項(xiàng)來(lái) 調(diào)整網(wǎng)格疏密程度，由于整體網(wǎng)格劃分較密，取1/4體，當(dāng)采用1/4體計(jì)算時(shí)根據(jù)模型特性需要對(duì)局部網(wǎng)格細(xì)化，選擇Proximity and Curvature選項(xiàng)，并將Relevance center選項(xiàng)勾選Medium，系統(tǒng)自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量分別為5，500，000和12，800，000左右。網(wǎng)格劃分之后的模型效果如圖1-3，圖1-4所示：

圖2 改造后牛舍三維模型結(jié)構(gòu)

圖3 原牛舍模型網(wǎng)格圖

圖4 改造后牛舍模型網(wǎng)格圖

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

本次模擬分析選用模型相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要太多的計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程。其具體參數(shù)的設(shè)定以表1-1的各項(xiàng)指標(biāo)為基準(zhǔn)

表1 Fluent標(biāo)準(zhǔn)k-ε參數(shù)

模型邊界條件的設(shè)置，首先由于一次風(fēng)進(jìn)入風(fēng)室時(shí)的進(jìn)口直徑以及速度的不同導(dǎo)致進(jìn)口參數(shù)不同故應(yīng)根據(jù)具體數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)定，根據(jù)文獻(xiàn)相關(guān)理論均可將其進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口（Velocityinlet），并根據(jù)湍流強(qiáng)度（Turbulent intensity）以及流體水力半徑（Hydraulic Diameter）來(lái)確定流體。冷態(tài)試驗(yàn)邊界條件的設(shè)定如下表：

表2 邊界條件參數(shù)

計(jì)算方程

文章通過(guò)k-ε雙方程模型計(jì)算冷態(tài)下循環(huán)流化床爐膛內(nèi)的流體流動(dòng)，其數(shù)學(xué)關(guān)系試為：

湍動(dòng)能耗散率：

其中Cu為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

當(dāng)流體為不可壓縮時(shí)Gb=0；當(dāng)流體為可壓縮時(shí)有：

湍動(dòng)數(shù)Prt取0.85；gi為重力加速度在第i個(gè)方向上的分量；β為熱膨脹系數(shù)，其定義為：

當(dāng)流體為可壓縮時(shí)：YM=0；當(dāng)流體為不可壓縮時(shí)有：

其中Mαt為湍動(dòng)能Mach數(shù)；αt為聲速，。

當(dāng)遇到流體為可壓縮時(shí)的流動(dòng)計(jì)算考慮與浮力有關(guān)的參數(shù)C3ε；當(dāng)流體主流方向與中立方向水平時(shí)，有C3ε=1；而當(dāng)而這方向垂直時(shí)，有C3ε=0。

根據(jù)以上分析，當(dāng)流體為不可壓縮流動(dòng)且不考慮源項(xiàng)時(shí)，Gb=0，YM=0

SK=0，Sε=0，這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型為：

這些方程可以用一下通用形式標(biāo)識(shí)，有對(duì)流項(xiàng)、非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)：

運(yùn)用梯度符號(hào)和三度，記為：

標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型控制方程見表3。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

改造前牛舍X-Y截面Z=6m流體速度分布平面如圖5所示，由于其通風(fēng)口及隔離欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致靠近牛舍左右墻體、牛舍中部部分位置，不能很好地通風(fēng)，牛舍內(nèi)廢氣不能快速排出。改造后的牛舍X-Y截面Z=6m流體速度分布平面如圖6所示，氣流整體分布相對(duì)均勻，且位于橫截面中部氣流相對(duì)較快，可使肉牛頭部始終處于新鮮空氣中；由于加裝四個(gè)強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)機(jī)，出口處氣流接近17m/s，可使肉牛排泄物產(chǎn)生的廢氣及濕空氣快速及時(shí)排出牛舍，增強(qiáng)牛舍清潔性、舒適性。

圖5 原牛舍模X-Y截面速度分布平面圖

圖6 新型牛舍模X-Y截面速度分布平面圖

表3 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的控制方程

改造前牛舍Y-Z截面X=7m流體速度分布平面如圖7所示，牛舍氣流分布明顯不均勻，上部相對(duì)下部通風(fēng)較好，空氣流速相對(duì)較快，能快速排除廢氣；肉牛長(zhǎng)期置于牛舍下部由柵欄分隔的廢氣流通速度緩慢區(qū)，且牛舍中部位置空氣流動(dòng)最差。改造后牛舍Y-Z截面X=7m流體速度分布平面如圖8所示，氣流分布相對(duì)均勻，且下部流體流動(dòng)速度較上部稍高，由于新型牛舍頂部增加兩個(gè)方形進(jìn)風(fēng)口，可使棚頂廢氣很好側(cè)排出，增強(qiáng)牛舍潔凈度。

由圖

圖7 原牛舍模Y-Z截面速度分布平面圖

圖8 新型牛舍模Y-Z截面速度分布平面圖

綜上所述：新型牛舍結(jié)構(gòu)能夠合理解決內(nèi)部布風(fēng)不均勻問(wèn)題，增強(qiáng)空氣流動(dòng)，加快廢氣排放，確保舍內(nèi)溫濕度，減少熱應(yīng)激及細(xì)菌及病毒滋生，可進(jìn)行改造試驗(yàn)。

4 驗(yàn)證與結(jié)論

為驗(yàn)證其效果，2017年6月對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)某牛舍進(jìn)行通風(fēng)改造，驗(yàn)收結(jié)果見4-1表：

相關(guān)參數(shù) 改造前 改造后牛舍與外界出口環(huán)境相對(duì)壓差（Kpa） 0 0.2牛舍內(nèi)空氣流通速度（m/s） 0 1.15牛舍內(nèi)有害氣體含量NH3（ppm） 178 9牛舍內(nèi)有害氣體含量H2S（ppm） 81 2牛舍內(nèi)空氣溫度（℃） 36.38 28.14牛舍內(nèi)空氣濕度（%） 71.3 53.8

其中測(cè)量?jī)x器分別為：壓差計(jì)、S型皮托管、氨氣檢測(cè)儀、煙氣分析儀（測(cè)試硫化氫氣體）、溫濕度計(jì)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明改造后的牛舍具有：

（1）新空氣不斷從室外引入牛舍內(nèi)，形成微負(fù)壓從而增強(qiáng)了流體流通速度，加快新空氣的流入，降低肉牛周邊溫度，可提高肉牛的環(huán)境舒適度；

（2）改造后的牛舍，有害氣體NH3含量降低200倍、有害氣體H2S含量降低40倍，減少肉牛在廢氣中沉浸時(shí)間，增強(qiáng)肉牛抵抗力；

（3）改造后的牛舍，空氣濕度降低，且能使肉牛處在舒適的環(huán)境中，提高肉牛產(chǎn)肉率；

（4）該技術(shù)能有效減少人力消耗、肉牛的飼養(yǎng)成本、藥物治療費(fèi)用等，可增強(qiáng)牛肉口感，提高利用價(jià)值，經(jīng)計(jì)算投資回收期不足半年，值得大力推廣。

[1] 周超.夏季肉牛飼養(yǎng)管理技術(shù)[J].農(nóng)村養(yǎng)殖技術(shù)，2010，（13）：12.

[2] 李旭光，王立東，范立坤，等.內(nèi)蒙古地區(qū)冬季牛舍供暖仿真研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，（19）：214-217.

[3] 韓振俠.試析養(yǎng)殖育肥牛過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)畜禽種業(yè)，2015，（1）：93-94.

[4] 唐春梅，張承林.裝配式牛舍結(jié)構(gòu)淺析[J].黃牛雜志，2003，（5）：43-45.

[5] Wu B，Gebremedhin B K G. CFD development and simulation off low fields in ventilated spaces with multiple occupants [J]. Transactions of the ASAE，2001，44（6）：1839-1850.

[6] Bjerg B，Svidt S，Zhang G，et al. Modeling of air inlets in CFD prediction of airflow in ventilated animal houses[J].Computers and Electronics in Agriculture，2002，34（1/3）：223-235.