北方寒冷地區(qū)豬舍通風(fēng)流場(chǎng)模擬研究

王鵬鵬，王春光，宣傳忠，宗哲英，季 邦，靳 敏

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

在內(nèi)蒙古等北方寒冷地區(qū)，保溫和通風(fēng)是養(yǎng)豬場(chǎng)管理的主要任務(wù)，且溫度和氣流是影響豬只熱舒適度和養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益的重要因素[1]。豬舍內(nèi)有害氣體濃度超標(biāo)將會(huì)導(dǎo)致豬體免疫力下降,影響豬只的生產(chǎn)性能[2-3]，而通風(fēng)能夠帶走豬舍內(nèi)大量的有害氣體，使其舍內(nèi)濃度降低，為豬舍內(nèi)帶來更多的氧氣[4],但也會(huì)帶走豬舍內(nèi)大量的溫度，因此合理的通風(fēng)方式是保障生豬健康生活的前提。在確定通風(fēng)方式前，不確定因素多，受干擾程度大[5]，只有先進(jìn)行模擬分析，再進(jìn)行豬舍的建立及后期的實(shí)地驗(yàn)證，才能提高研究效率，降低成本，并且為今后研究提出一種新的思路[6]。

通過比例模型的建立，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)可視化技術(shù)呈現(xiàn)出流體速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)[7]，分析通風(fēng)狀況下的氣流分布，從而選取最佳的通風(fēng)設(shè)計(jì),更精確地模擬流體的變化特性,是一種可靠、精準(zhǔn)的新方法,具有較好的應(yīng)用前景[8-10]。景文淵利用CFD軟件對(duì)豬舍5種不同開窗方式下的氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn)：開窗方式相同時(shí)，開口率越大越有助于自然通風(fēng)[11]。佟國紅等利用CFD軟件對(duì)豬舍的氣流進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬，將模擬值與實(shí)地測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相對(duì)誤差在0.4%～11.4%之間[12]。林加勇等通過利用CFD對(duì)豬舍進(jìn)行了全漏風(fēng)地板公豬舍濕簾蒸發(fā)降溫效果及內(nèi)環(huán)境分布規(guī)律的研究，為豬舍的改造提供了理論依據(jù)[13]。鄧書輝基于CFD技術(shù)確定了開放式牛舍擾流風(fēng)機(jī)的安裝參數(shù)，得到最佳安裝傾角[14]。Seo等利用CFD模擬三維豬舍及豬體舍內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，結(jié)果表明減少入口面積可以使豬舍內(nèi)氣流場(chǎng)均勻[15]；Sun等對(duì)豬舍進(jìn)行二維建模模擬最小通風(fēng)條件下豬舍內(nèi)氣流和氨氣濃度的分布，結(jié)果表明湍流模型比層流模型更接近實(shí)測(cè)值[16]。

以上研究未對(duì)北方寒冷地區(qū)進(jìn)行分析，因而本文針對(duì)北方寒冷地區(qū)豬舍保溫和通風(fēng)等問題進(jìn)行分析對(duì)比優(yōu)化研究。通過CFD軟件模擬橫向和縱向兩種通風(fēng)模式下豬舍內(nèi)氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化，研究適合北方寒冷地區(qū)的通風(fēng)方式，并進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，提出了豬舍內(nèi)氣流組織的優(yōu)化方案，為豬舍內(nèi)最佳的通風(fēng)方式設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與方法

在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園區(qū)母豬舍實(shí)驗(yàn)基地，進(jìn)行模擬數(shù)值的分析驗(yàn)證?？萍紙@區(qū)位于內(nèi)蒙古包頭市薩拉齊(110.5°E，40.5°N)，是典型的北方寒冷地區(qū)，晝夜溫差大，冬季溫度低。豬舍選取地勢(shì)較高區(qū)域，保障豬舍順暢的通風(fēng)[17]，總建筑面積290.83m3，內(nèi)有1個(gè)觀覽室及兩個(gè)存儲(chǔ)室，放置雜物及設(shè)備。豬舍采用輕鋼結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)[18],內(nèi)部有吊頂。為增加保溫效果，墻體含有保溫層，內(nèi)部尺寸為24m(長(zhǎng))×8.6m(寬)×2.4m(高)，如圖1所示。內(nèi)部安裝臥床，兩列縱向布置，一列可放12頭母豬，中間過道寬2 000mm，兩側(cè)有通道，寬1 000mm，東墻到臥床距離2 000mm，西墻到臥床500mm，北墻開有7個(gè)50mm×50mm的窗戶，南墻有7個(gè)50mm×80mm的窗戶，臥床距離地面200mm。

圖1 母豬舍外部和內(nèi)部照片

1.2 豬舍和豬只建模

研究橫向通風(fēng)與縱向通風(fēng)兩種方式下豬舍內(nèi)部溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)，豬舍內(nèi)部養(yǎng)殖了24頭母豬，小豬仔不考慮，進(jìn)行豬舍建模。由于臥床南北兩側(cè)鐵板對(duì)氣流有所阻擋，將其設(shè)為不透風(fēng)處理，且進(jìn)行絕熱處理；不考慮限位欄欄桿等對(duì)風(fēng)速、溫度的影響，忽略通過窗戶透過的太陽能量。

豬舍三維模型采用Gambit 2.4.6軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 豬舍和豬只三維圖

網(wǎng)格尺寸是影響計(jì)算機(jī)時(shí)耗和流場(chǎng)因子精度的關(guān)鍵參數(shù),網(wǎng)格質(zhì)量也影響著計(jì)算精度與計(jì)算效率[19-20]。利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)橫向與縱向通風(fēng)兩種模擬中的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格質(zhì)量較高。

1.3 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于任何復(fù)雜的湍流流動(dòng)，N-S方程均適用， 流體運(yùn)動(dòng)以及換熱控制方程如下：

連續(xù)方程(質(zhì)量守恒方程)的表達(dá)式為

(1)

其中，ρ為流體密度；t為時(shí)間；ui為流體速度沿i方向的分量。設(shè)空氣為不可壓流體(即ρ不變)，考慮到x、y、z三方向的速度分量，表達(dá)式為

(2)

動(dòng)量守恒方程表達(dá)式為

(3)

其中，p為靜壓力；τij是應(yīng)力矢量；ρgi是i方向的重力分量；Fi是由于阻力和能源而引起的其他能源。通過式(3)，可以推導(dǎo)出在x、y、z這3個(gè)不同方向的動(dòng)量守恒方程，表達(dá)式為

(4)

(5)

(6)

其中，p為對(duì)應(yīng)二階應(yīng)力張量；s為對(duì)稱張量；u、v、w分別為速度適量u在x、y、z方向的分量。

能量守恒方程表達(dá)式為

(7)

其中，h為熵；k為分子傳導(dǎo)率；kt為由于湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率；Sh為定義的體積源。

1.4 邊界設(shè)定

根據(jù)體重和體積的關(guān)系，估測(cè)豬體密度為1 100kg/m3[17],比熱設(shè)定為3 500J/(kg·k),導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為0.464W/(m·k)[21-22],生豬體溫設(shè)定為38℃，進(jìn)口風(fēng)速為1.5m/s，溫度為-10℃，墻體等其他位置設(shè)置為不導(dǎo)熱狀態(tài)，采用k-Epsilon中RNG模型，利用SIMPLE算法進(jìn)行三位穩(wěn)態(tài)模擬研究。在兩種通風(fēng)模式下，將進(jìn)風(fēng)口設(shè)定為victory-inlet，出風(fēng)口設(shè)定為outflow，除生豬外其他部分均為wall。

2 模擬分析

對(duì)于橫向通風(fēng)與縱向通風(fēng)兩種通風(fēng)方式，應(yīng)保證兩種方式下在豬舍內(nèi)的進(jìn)風(fēng)量相同，做到可以同等條件下對(duì)比。豬舍氣流出入口參數(shù)如表1所示。

表1 空氣出入口參數(shù)

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，對(duì)兩種不同通風(fēng)方式進(jìn)行了模擬對(duì)比。豬舍氣流場(chǎng)速度流線圖和矢量圖模擬圖如圖3所示。

圖3 豬舍氣流場(chǎng)模擬圖

由圖3可以看出：橫向通風(fēng)時(shí)，氣流在一側(cè)的7個(gè)窗口進(jìn)入，另一側(cè)7個(gè)窗口流出，豬舍橫向距離比較?。挥捎陲L(fēng)壓原因，在豬舍內(nèi)部形成了7個(gè)主氣流，但是由于母豬臥床擋板等的作用，氣流發(fā)生一部分的發(fā)散現(xiàn)象，且在進(jìn)風(fēng)口附近均形成了渦流現(xiàn)象，在靠近出風(fēng)口附近速度較大?？v向通風(fēng)時(shí)，氣流從兩側(cè)的窗口進(jìn)入，在豬舍內(nèi)部形成了一股主氣流，并且速度逐漸增加，在出口位置速度最大，舍內(nèi)氣流平均速度較大，并且在進(jìn)風(fēng)口附近形成小部分的渦流。圖4為模擬豬舍截面處溫度云圖。

圖4 豬舍溫度場(chǎng)模擬圖

通過對(duì)比兩種通風(fēng)方式在同一截面處溫度云圖發(fā)現(xiàn)：橫向通風(fēng)時(shí)，在x=-7.75m截面云圖中，靠近出口處溫度較高，冷空氣在進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后吹向出口時(shí)，由于擋板阻擋了一部分冷空氣，再加上豬舍內(nèi)生豬為唯一熱源，對(duì)其進(jìn)行加熱，流向出口時(shí)溫度略微升高。縱向通風(fēng)時(shí)，在x=-7.75m截面，氣流從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，由于渦流及其截面后空氣流動(dòng)的影響，溫度在渦流中心處相對(duì)較高，靠近邊墻處小部分位置最高。對(duì)比兩種通風(fēng)方式y(tǒng)=-0.1m截面可以發(fā)現(xiàn)：橫向通風(fēng)時(shí)，每個(gè)豬舍臥床上方溫度基本一致，并且隨著氣流場(chǎng)形成的7股主氣流溫度云圖也展現(xiàn)出7股主溫度；縱向通風(fēng)時(shí)進(jìn)風(fēng)口附近溫度較低，隨著氣流的流動(dòng)及生豬的產(chǎn)熱加溫，溫度逐漸升高，在出口處溫度最高。綜合比較橫向通風(fēng)與縱向通風(fēng)兩種通風(fēng)模式發(fā)現(xiàn)：橫向通風(fēng)較縱向通風(fēng)氣流均勻性差、死角多、排污能力差，但橫向通風(fēng)風(fēng)速阻力大，保溫效果強(qiáng)?？紤]到我國北方寒冷地區(qū)晝夜溫差大，冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，建議在母豬舍通風(fēng)時(shí)采取橫向通風(fēng)加溫方式，以保證生豬健康成長(zhǎng)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)兩種通風(fēng)模式的模擬對(duì)比，在我國北方寒冷地區(qū)分娩母豬舍建議采取橫向通風(fēng)方式，為驗(yàn)證數(shù)值模擬與實(shí)地測(cè)量值的誤差大小，在試驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

豬舍采取橫向自然通風(fēng)，多以西北風(fēng)為主，以北窗窗口作為進(jìn)風(fēng)口，南窗窗口作為出風(fēng)口。風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。風(fēng)速測(cè)量?jī)x選用美國TSI-9565-p智能熱線式風(fēng)速測(cè)量?jī)x，儀器尺寸9.7cm×21.1cm×5.3cm，量程0.01～50m/s，精度為讀數(shù)的3%，分辨率為0.01m/s。

圖5 豬舍驗(yàn)證測(cè)量點(diǎn)

3.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬數(shù)值的準(zhǔn)確性，選取ZX平面上y=-0.2mm的等高面上21個(gè)點(diǎn)的測(cè)試值與模擬值進(jìn)行比對(duì)，如圖6所示。圖6中，21個(gè)測(cè)量點(diǎn)3次實(shí)際測(cè)量值與模擬值相對(duì)誤差分別為9.44%、12.23%、15.72%，相對(duì)誤差的平均值為12.46%，說明模擬與實(shí)測(cè)吻合度較高。

4 氣流分析

在豬舍內(nèi)的空氣流場(chǎng)中主要問題是大部分氣流在豬舍上部流動(dòng)，對(duì)于生豬的附近氣流流動(dòng)較小。參考民用建筑氣流分布性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[23],利用以下公式來計(jì)算氣流不均勻性系數(shù)，即

(8)

(9)

其中，vh為高h(yuǎn)平面的氣流平均速度(m/s)；vi為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)速度值(m/s)；n為測(cè)量點(diǎn)數(shù)量；Jh為高h(yuǎn)平面的氣流不均勻系數(shù)，數(shù)值越大，不均系數(shù)越大。

生豬躺臥、站立時(shí)間不固定，為此選取平均值距離地面1 000mm高度為模擬點(diǎn)(即y=-0.2m)，氣流平均速度記作vy=-0.2m，氣流不均勻系數(shù)記作Jy=-0.2m。圖7為加置不同個(gè)數(shù)擋板y=-0.2m平面上的速度云圖。

圖6 測(cè)點(diǎn)實(shí)際值與模擬值對(duì)比

圖7 不同擋板數(shù)優(yōu)化模擬氣流圖Fig.7 Optimize simulated airflow graphs with different baffles

通過橫向通風(fēng)氣流場(chǎng)的模擬圖發(fā)現(xiàn)：大部分氣流主要集中于豬舍上部。為此，采取在豬舍內(nèi)加置擋板的優(yōu)化方案，將其上方氣流進(jìn)行阻斷繞流，從而提高豬舍y=-0.2m平面上的氣流均勻性。

數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在1個(gè)擋板情況下，雖然速度增大比較顯著，但氣流的均勻性卻在降低，故此種優(yōu)化不符合條件。當(dāng)加置2個(gè)擋風(fēng)板后，速度增大55.6%，不均勻系數(shù)降低33.9%，但相對(duì)加置3擋風(fēng)板速度不均系數(shù)降低53.2%，速度0.23m/s,也符合在冬季生豬周圍速度不超過0.25m/s的標(biāo)準(zhǔn)；盡管豬舍內(nèi)存在少量速度超過0.25m/s，但是那些角落距離生豬較遠(yuǎn)，因此可以考慮加置3個(gè)擋風(fēng)板來提高豬舍y=-0.2m平面的氣流均勻性。

5 結(jié)論

1)對(duì)于縱向通風(fēng)與橫向通風(fēng)兩種豬舍通風(fēng)方式，通過對(duì)氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的模擬發(fā)現(xiàn)：縱向通風(fēng)時(shí)，隨著空氣的流動(dòng)，再加上生豬為唯一熱源，空氣溫度不斷加熱，越靠近出口溫度越高，風(fēng)速越大；橫向通風(fēng)時(shí)，舍內(nèi)形成的主氣流在靠近出口處由于擋板作用氣流發(fā)生分散現(xiàn)象，對(duì)于溫度來說在臥床內(nèi)溫度比較穩(wěn)定。橫向通風(fēng)較縱向通風(fēng)死角較多，排污能力差，舍內(nèi)速度值較??；但溫度較平均，變化不大，適合北方冬季保溫。

2)通過對(duì)實(shí)地橫向通風(fēng)豬舍內(nèi)氣流場(chǎng)的模擬發(fā)現(xiàn)：大部分氣流在豬舍上部，生豬活動(dòng)區(qū)域氣流速度較小，不利于有害氣體以及污染物的排出。

3)通過數(shù)值模擬優(yōu)化對(duì)比發(fā)現(xiàn)：加置3個(gè)擋風(fēng)板后，y=-0.2m平面處的平均速度為0.23m/s，增大了27.8%，氣流均勻性提高53.2%。

4)通過對(duì)模擬值與實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：相對(duì)平均誤差為12.46%，模擬值與測(cè)量值有很好的符合程度，說明該模擬可靠。