擋風(fēng)板對低屋面橫向通風(fēng)牛舍內(nèi)空氣流場影響的PIV測試

鄧書輝，施正香，李保明，丁 濤，李 浩

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擋風(fēng)板對低屋面橫向通風(fēng)牛舍內(nèi)空氣流場影響的PIV測試

鄧書輝1,2，施正香2※，李保明2，丁 濤2，李 浩2

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

低屋面橫向通風(fēng)（low profile cross ventilated，LPCV）牛舍內(nèi)的空氣流場由于受到舍內(nèi)建筑設(shè)施的影響而分布不均勻。為了研究舍內(nèi)擋風(fēng)板、矮墻、入口風(fēng)速、奶牛等對舍內(nèi)氣流的影響，分析目前LPCV牛舍內(nèi)氣流分布不均勻的原因，該文按模型/原型=1/15的比例制作了LPCV牛舍和奶牛的模型。計算結(jié)果表明原型牛舍在正常通風(fēng)情況下的雷諾數(shù)為4.92×105，只要模型入口風(fēng)速大于2.56 m/s，歐拉數(shù)不再隨著雷諾數(shù)的增加而改變，此時空氣流動已經(jīng)進(jìn)入自動模擬區(qū)，根據(jù)近似模型法理論，原型和模型中的氣體流動已經(jīng)進(jìn)入了自動模擬區(qū)，兩者的氣體流動是相似的。根據(jù)擋風(fēng)板、矮墻的設(shè)置情況、不同的入口風(fēng)速等設(shè)計了6種不同工況，采用粒子圖像測速（particle image velocimetry，PIV）技術(shù)分別對模型內(nèi)6種工況下的空氣流場進(jìn)行測試。結(jié)果表明：LPCV牛舍內(nèi)擋風(fēng)板和矮墻的同時設(shè)置是造成舍內(nèi)空氣流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的根本原因，擋風(fēng)板和矮墻單獨(dú)設(shè)置時都不會造成舍內(nèi)氣流分布的不均勻，但擋風(fēng)板能夠增加舍內(nèi)下方奶?；顒訁^(qū)域的氣流速度。舍內(nèi)奶牛的存在和入口風(fēng)速的大小都不會對舍內(nèi)氣流的分布造成影響。該研究可為LPCV牛舍內(nèi)擋風(fēng)板優(yōu)化設(shè)置提供參考。

流場；模型；粒子圖像測速；相似理論；奶牛舍

0 引 言

低屋面橫向通風(fēng)（low profile cross ventilated, LPCV）牛舍作為中國大型奶牛場的一種牛舍建筑形式近年來得到了廣泛應(yīng)用。LPCV 牛舍對環(huán)境的有效調(diào)控增加了奶牛產(chǎn)奶量，提高了飼料利用率和飼料投入產(chǎn)出比，提高了奶牛的生產(chǎn)性能，減少了奶牛肢蹄病的發(fā)病率。但實(shí)際運(yùn)行中廣泛存在舍內(nèi)氣流分布不均勻等氣流組織問題[1-2]。

粒子圖像測速（particle tracking velocimetry，PIV）一詞最早于1980年出現(xiàn)在文獻(xiàn)中[3]，在過去的近40 a中，PIV技術(shù)在空氣流場測試等方面得到了廣泛的應(yīng)用[4-8]。PIV技術(shù)的基本原理就是在要測試的流場中釋放示蹤粒子，用流場中示蹤粒子的運(yùn)動速度來代表相應(yīng)位置處的流體運(yùn)動速度。利用激光等片形強(qiáng)光束光源照射流場中需要測試的平面，用圖像采集系統(tǒng)記錄2次或多次曝光的示蹤粒子的所在位置，然后利用專門的圖像分析處理軟件計算得到各示蹤粒子的運(yùn)動位移，最后根據(jù)示蹤粒子位移和曝光的時間間隔計算出所測試流場中各點(diǎn)的流速矢量值[9-10]。

國內(nèi)PIV技術(shù)在民用建筑室內(nèi)外流場的研究方面應(yīng)用較多，王偉等應(yīng)用PIV技術(shù)分別對通風(fēng)空調(diào)房間、高大廠房等空氣流動進(jìn)行測試[11-14]。設(shè)施農(nóng)業(yè)方面，王健等采用PIV技術(shù)對互插式連棟溫室在風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)時溫室內(nèi)外的空氣流場進(jìn)行了測試，比較了在時均流場狀態(tài)下，采用肩窗加側(cè)窗的溫室通風(fēng)方式與頂窗加側(cè)窗通風(fēng)方式的不同通風(fēng)效果[15-16]。國內(nèi)外也有學(xué)者采用模型試驗(yàn)方法研究牛舍的通風(fēng)和有害氣體排放[17-19]。崔乃文采用PIV技術(shù)對自然通風(fēng)奶牛舍模型內(nèi)采食通道和臥床空間上方氣流組織分布進(jìn)行了測試，研究了風(fēng)扇安裝角度對舍內(nèi)氣流的影響規(guī)律[20]。

國內(nèi)外的研究表明，PIV技術(shù)是測量空氣流場的重要技術(shù)手段，在進(jìn)行模型試驗(yàn)時要做到模型流動與原型流動的力學(xué)相似，相似準(zhǔn)則的選取是試驗(yàn)是否準(zhǔn)確的前提和關(guān)鍵，而目前學(xué)者在PIV試驗(yàn)中有關(guān)相似準(zhǔn)則的選取和證明涉及較少。

為了測量LPCV模型牛舍中空氣流場分布情況，研究舍內(nèi)擋風(fēng)板、矮墻、入口風(fēng)速、奶牛等對舍內(nèi)氣流的影響，分析目前LPCV牛舍內(nèi)氣流分布不均勻的原因，本文按模型/原型=1/15的比例制作了LPCV牛舍和奶牛的模型，應(yīng)用相似理論證明了原型與模型中的流動具有相似性；LPCV牛舍中空氣流場的變化主要體現(xiàn)在橫向斷面上，文中采用2D-PIV技術(shù)分別對模型內(nèi)6種工況下的空氣流場進(jìn)行測試，分析了擋風(fēng)板、矮墻、入口風(fēng)速及奶牛的存在對舍內(nèi)空氣流場的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 牛舍原型

本文中的原型牛舍位于中國華東地區(qū)，與文獻(xiàn)[1-2]中為同一棟牛舍。牛舍長376.6 m，寬90.8 m，脊高7.1 m，檐口高3.5 m。為增加舍內(nèi)奶?；顒訁^(qū)域的空氣流速，在臥床中間上方安裝了6列彩鋼板做成的擋風(fēng)板，下端距離地面2.1 m。為了防止投料時飼料進(jìn)入采食通道，在頸枷下面設(shè)有一道相對采食通道高度為0.5 m的矮墻。

1.2 模型設(shè)計

由于原型牛舍的寬度較大，考慮到模型制作的可能性和PIV系統(tǒng)的拍攝范圍，模型在寬度和高度方向的比例尺確定為模型/原型=1/15。由于LPCV牛舍采用橫向機(jī)械通風(fēng)模式，舍內(nèi)各環(huán)境參數(shù)在長度方向的差異可忽略不計，為了便于進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和模型制作，牛舍模型長度取為1.2 m。

為了便于PIV系統(tǒng)的拍攝，模型側(cè)面、頂面的材料為10 mm有機(jī)玻璃板，舍內(nèi)擋風(fēng)板為5 mm厚有機(jī)玻璃板，底面材料為木板上面鋪亞克力板。為了增加模型內(nèi)表面的當(dāng)量粗糙度，牛舍模型內(nèi)臥欄位置加鋪一層人造地毯。

模型內(nèi)部的臥欄、矮墻、風(fēng)機(jī)入口等均按模型/原 型=1/15的比例制作，由于模型中頸枷、立柱等尺寸過小，省略了頸枷、立柱、飲水槽、臥欄擋墻等部件。為了便于模型與通風(fēng)設(shè)備的連接，在模型的空氣入口和出口端分別加了長度為30 cm的延長段。

為了模擬奶牛存在時舍內(nèi)氣流分布情況，按模型/原型=1/15的比例設(shè)計制作了奶牛模型，模型里面采用塑料骨架，外面以絨布包裹，分為站立和躺臥2種姿勢，其數(shù)量與原型一致。

1.3 PIV試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要由PIV測試系統(tǒng)、LPCV牛舍模型、模型通風(fēng)系統(tǒng)和示蹤粒子發(fā)生裝置4部分組成。

1.3.1 PIV測試系統(tǒng)

PIV系統(tǒng)包含照明系統(tǒng)、圖像記錄設(shè)備、示蹤粒子和圖像處理算法4個主要部分[21-22]。本研究使用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)流體機(jī)械實(shí)驗(yàn)室的PIV測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由美國TSI公司生產(chǎn)，其中

光源系統(tǒng)：雙腔Nd：YAG脈沖激光器，輸出能量2′200 MJ/Pulse，最大工作頻率15 Hz，脈寬3～5 ns，輸出激光波長532 nm。

圖像采集系統(tǒng)：互/自相關(guān)CCD相機(jī)（TSI Power View Plus 4MP），型號630159，分辨率為2 048′2 048像素，最高采集頻率15 Hz，最短跨幀時間200 ns。

同步控制系統(tǒng)：同步器，型號610035，同步精度1ns。

圖像數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)：圖像數(shù)據(jù)分析和對PIV系統(tǒng)的控制采用的是INSIGHT 3GTM軟件，該軟件不但能實(shí)時控制PIV系統(tǒng)圖像的拍攝，還能實(shí)現(xiàn)對圖形的分析和顯示。流場顯示和圖像的后期處理采用的是Tecplot 360軟件。PIV試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 PIV試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3.2 模型通風(fēng)系統(tǒng)

模型通風(fēng)機(jī)選用4-72-3.2型離心式風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)風(fēng)壓792～1 300 Pa，風(fēng)量1 688～3 517 m3/h，風(fēng)機(jī)與牛舍模型空氣出口之間采用軟連接。為精確控制模型中的風(fēng)量，采用變頻器對風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行控制。

1.3.3 示蹤粒子發(fā)生裝置

選擇高品質(zhì)的示蹤粒子是試驗(yàn)取得成功的關(guān)鍵[23-24]。該文選用由舞臺煙霧發(fā)生器產(chǎn)生的煙霧作為示蹤粒子，其優(yōu)點(diǎn)是煙濃度可調(diào)，所產(chǎn)生煙霧能均勻分布到空氣中，粒子具有良好的跟隨性和散光性，可滿足試驗(yàn)要求。

為了使示蹤粒子能完全而均勻地進(jìn)入到模型中，采用鍍鋅鐵皮制作粒子發(fā)散裝置，該裝置一端與煙霧發(fā)生器出口相連，另一端開口與模型入口相當(dāng)，在其內(nèi)部安裝了篩子狀擋板，使從煙霧發(fā)生器射出的氣流速度接近于0，以減少對模型內(nèi)空氣流場的影響。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計

為了驗(yàn)證原型和模型中氣體流動相似性，在PIV試驗(yàn)之前進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

2.1 流動相似性原理

相似理論和量綱分析是開展流體力學(xué)試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，為了使模型中流體的流動能夠表現(xiàn)出原型中流體流動的特性和主要現(xiàn)象，并且可以從模型流動中預(yù)測出原型流動的結(jié)果，必須使模型和原型流動之間保持力學(xué)相似關(guān)系[25]。

對于不可壓縮流體的定常流動，如果模型流動和原型流動具有力學(xué)相似特性，必須保證它們的同名準(zhǔn)則數(shù)：雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、歐拉數(shù)等各自相等[26]，即

其中

式中下角標(biāo)表示模型，表示原型；為弗勞德數(shù)；為歐拉數(shù)；為雷諾數(shù)；為流體速度，m/s；為重力加速度，m/s2；為線性長度，m；為壓強(qiáng)，Pa；為密度，kg/m3；為運(yùn)動黏度，m2/s。

2.2 通風(fēng)模型試驗(yàn)的幾點(diǎn)假設(shè)

在進(jìn)行模型試驗(yàn)時，要求所有的邊界條件和初始條件都要與原型相似，這在現(xiàn)實(shí)中也是很難實(shí)現(xiàn)的。為了便于研究問題，本文作如下假設(shè)：

1）流體為不可壓縮流體

本模型試驗(yàn)以空氣作為流動介質(zhì)，在以空氣為介質(zhì)的試驗(yàn)中，當(dāng)風(fēng)速小于0.3倍馬赫數(shù)時，氣流壓縮性影響可以忽略不計[27]。本試驗(yàn)中，測得的最大風(fēng)速小于10 m/s，遠(yuǎn)小于0.3倍馬赫數(shù)，因此忽略氣流壓縮性的影響。

2）等溫流動

在實(shí)際的LPCV牛舍中，牛舍出口和入口之間會有不超過2 ℃的溫度差，舍內(nèi)垂直方向的溫度差很小，而且舍內(nèi)采用橫向機(jī)械通風(fēng)方式，由于熱壓而引起的自然通風(fēng)可忽略不計，因此假定舍內(nèi)空氣為等溫流動。

3）穩(wěn)態(tài)流動

舍內(nèi)氣流除風(fēng)機(jī)開啟和關(guān)閉的階段外，其余時間都處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，舍內(nèi)各點(diǎn)的壓力和流速等狀態(tài)參數(shù)不隨時間而變化，本試驗(yàn)只研究氣流在穩(wěn)定流動階段的舍內(nèi)氣流組織狀況。

2.3 近似模型法的確定

由于比例尺制約關(guān)系的限制，同時滿足所有相似準(zhǔn)則是非常困難的，因此完全相似的條件很難滿足，在進(jìn)行模型設(shè)計時，往往根據(jù)具體情況，忽略一些次要因素，只考慮起主要作用的力的相似性，使這些力對應(yīng)的相似準(zhǔn)則相同，忽略起次要作用的力[28]。

對于黏性流動，當(dāng)雷諾數(shù)增大到一定的數(shù)值以后，流體黏性力的影響相對減弱，如果繼續(xù)提高雷諾數(shù)，也不會再對流動性能和流動現(xiàn)象產(chǎn)生影響，此時盡管雷諾數(shù)發(fā)生的變化，但產(chǎn)生的黏性效果卻是基本一樣的，稱這種現(xiàn)象為自動模型化[23]。當(dāng)雷諾數(shù)相當(dāng)大時，湍流達(dá)到充分發(fā)展的階段，進(jìn)入了阻力平方區(qū)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的雷諾數(shù)范圍稱為自動模型區(qū)[26]。若原型和模型中的雷諾數(shù)都進(jìn)入了自動模型區(qū)，不滿足雷諾數(shù)準(zhǔn)則也會自動出現(xiàn)黏性力相似。

2.4 原型牛舍空氣流動中自動模型區(qū)的校驗(yàn)

本試驗(yàn)主要研究擋風(fēng)板對舍內(nèi)風(fēng)速的影響，因此選取擋風(fēng)板下通風(fēng)截面為研究區(qū)域，原型中擋風(fēng)板下通風(fēng)截面高1.62 m，寬24.0 m，當(dāng)量直徑3.04 m。

由式（2）可得

式中d為當(dāng)量直徑，m。

對LPCV牛舍風(fēng)速的測試結(jié)果表明，舍內(nèi)6個擋風(fēng)板下的平均風(fēng)速為2.61 m/s[1]，舍內(nèi)空氣的運(yùn)動黏度取1.61′10–5m2/s，由式（3）計算得到雷諾數(shù)為4.92′105。

進(jìn)入自動模型區(qū)的臨界雷諾數(shù)取決于流動的空間結(jié)構(gòu)、壁面當(dāng)量粗糙度等因素，不同文獻(xiàn)中的取值也各不相同：機(jī)械通風(fēng)牛舍臨界雷諾數(shù)的范圍為2.6′105～4.5′105[19]，特長公路隧道通風(fēng)的臨界雷諾數(shù)為3.5′105[28]，工廠車間通風(fēng)的臨界雷諾數(shù)為0.5′105[26]，城市公路隧道通風(fēng)的臨界雷諾數(shù)為0.6′105[29]，礦井通風(fēng)的臨界雷諾數(shù)為0.7′105[9]。

根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為牛舍原型已經(jīng)進(jìn)入自動模擬區(qū)，只要模型流動的雷諾數(shù)也處于自動模擬區(qū)，就能自動實(shí)現(xiàn)流動的相似性。

2.5 模型牛舍進(jìn)入自動模擬區(qū)時臨界雷諾數(shù)試驗(yàn)

本試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

2.5.1 試驗(yàn)方案

流動相似第二定理指出：由定性物理量組成的相似準(zhǔn)則數(shù)，相互間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。對于黏性不可壓縮流體，3個準(zhǔn)則數(shù)之間存在著如下關(guān)系[26]：

當(dāng)所測試區(qū)域流體的雷諾數(shù)與歐拉數(shù)無關(guān)時，可以作為流動進(jìn)入自動模擬區(qū)的標(biāo)志[28]。

本文試驗(yàn)方案如下

1）依次改變所測試區(qū)域內(nèi)空氣流速，并按流速從小到大的順序記錄不同流速下的壓力差。

2）利用式（3）計算出不同流速下對應(yīng)的雷諾數(shù)。

3）利用式（5）計算出不同流速下對應(yīng)的歐拉數(shù)。

式中Δ為壓降，Pa。

4）當(dāng)雷諾數(shù)與歐拉數(shù)無關(guān)時，此時的雷諾數(shù)即為流動進(jìn)入自動模擬區(qū)時的臨界雷諾數(shù)。

2.5.2 通風(fēng)試驗(yàn)裝置

由于本試驗(yàn)要求對通過模型的風(fēng)速大小進(jìn)行調(diào)整，因而采用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室的農(nóng)業(yè)設(shè)施通風(fēng)設(shè)備性能測試試驗(yàn)裝置作為通風(fēng)氣流源，該設(shè)備能精確調(diào)整風(fēng)量的大小[30]。通風(fēng)試驗(yàn)裝置及牛舍模型如圖2所示。

圖2 LPCV牛舍模型通風(fēng)試驗(yàn)設(shè)備

2.5.3 試驗(yàn)條件

以模型空氣入口處為研究區(qū)域，入口截面高0.2 m，寬1.2 m，當(dāng)量直徑0.35 m。試驗(yàn)時進(jìn)入模型的空氣溫度為18.8 ℃、相對濕度18%，空氣密度=1.216 76 kg/m3、運(yùn)動黏度=1.48′10–5m2/s。

利用式（3）及式（5）計算得到的雷諾數(shù)及歐拉數(shù)如圖3所示。當(dāng)雷諾數(shù)>0.6′105時（模型入口風(fēng)速為2.56 m/s），歐拉數(shù)不再隨著雷諾數(shù)的增加而改變，此時可以認(rèn)為流動已經(jīng)進(jìn)入自動模擬區(qū)。

圖3 雷諾數(shù)與歐拉數(shù)關(guān)系曲線

綜上所述，模型和原型牛舍幾何相似，對雷諾數(shù)的計算結(jié)果表明，原型和模型中的氣體流動已經(jīng)進(jìn)入了自動模擬區(qū)，兩者的氣體流動是相似的。

3 PIV測試試驗(yàn)

進(jìn)行PIV試驗(yàn)時，首先釋放示蹤粒子，利用片形激光束照射流場中需要測試的平面，用圖像采集系統(tǒng)記錄2次曝光示蹤粒子的所在位置，然后利用專門的圖像分析處理軟件計算得到各示蹤粒子的運(yùn)動位移，最后根據(jù)示蹤粒子位移和曝光的時間間隔計算出所測試流場中各點(diǎn)的流速矢量值。

3.1 拍攝截面的選取

激光投射截面位于牛舍模型中間斷面上，拍攝區(qū)域選擇在對舍內(nèi)氣流分布影響最大的矮墻區(qū)域，其大小為280 mm′280 mm，位置如圖4所示。

圖4 PIV拍攝區(qū)域示意圖

3.2 方案設(shè)計

為分析擋風(fēng)板、矮墻、入口風(fēng)速及奶牛對空氣流場的影響，設(shè)計了如表1所示的6種不同工況。

表1 PIV測試方案

4 PIV測試結(jié)果與分析

4.1 正常情況下牛舍內(nèi)局部空氣流場

圖5a為工況1時測試區(qū)域的速度矢量場，此時擋風(fēng)板和矮墻都按牛舍原型正常設(shè)置，模型入口風(fēng)速4.0 m/s。由圖5a可見，氣流在矮墻的作用下流動方向發(fā)生了向上部空間的偏轉(zhuǎn)，在矮墻后部（原型中奶?；顒訁^(qū)域）形成一個低流速區(qū)域。與文獻(xiàn)[1]中數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖5 LPCV牛舍模型內(nèi)空氣流場氣流速度矢量PIV測試結(jié)果

4.2 無擋風(fēng)板時的舍內(nèi)空氣流場

在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速等參數(shù)不變的情況下，將模型中的擋風(fēng)板全部拆除，矮墻正常設(shè)置，拍攝并分析此時模型舍內(nèi)測試區(qū)域的空氣流場，如圖5b所示。由圖5b可見，舍內(nèi)氣流在遇到矮墻時流向并沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而且測試區(qū)域氣流流速均勻性較好。

4.3 無矮墻時的舍內(nèi)空氣流場

在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速等參數(shù)不變的情況下，將模型中的矮墻全部拆除，擋風(fēng)板正常設(shè)置，拍攝并分析模型舍內(nèi)測試區(qū)域的空氣流場，如圖5c所示。由圖5c可見，測試區(qū)域的氣流呈現(xiàn)上下2個不同的流場，下部流場氣流速度明顯高于上部。與圖5a相比，設(shè)置擋風(fēng)板后奶?；顒訁^(qū)域的氣流分布更加均勻。

由圖5a、5b、5c綜合分析可知，擋風(fēng)板和矮墻的同時存在是造成奶牛活動區(qū)域氣流流向和流速分布不均勻的主要因素，而擋風(fēng)板和矮墻單獨(dú)設(shè)置不會導(dǎo)致空氣流向的變化。

4.4 奶牛對舍內(nèi)空氣流場的影響

為了研究奶牛對舍內(nèi)空氣流場的影響，將奶牛模型按原型牛舍中的相同數(shù)量置于模型牛舍中，在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速等參數(shù)不變的情況下，拍攝并分析模型舍內(nèi)測試區(qū)域的空氣流場。圖5d為工況4時的測試區(qū)域速度矢量場，此時擋風(fēng)板和矮墻都正常設(shè)置并且有奶牛存在，模型入口風(fēng)速4.0 m/s。由圖5d可見，奶牛的存在并沒有對氣流的流動方向產(chǎn)生影響，但與圖5a相比，由于奶牛的存在，氣流繞過牛背時，氣流的高速區(qū)域向上發(fā)生了平移。

4.5 入口風(fēng)速對舍內(nèi)空氣流場的影響

為了研究不同入口風(fēng)速對舍內(nèi)空氣流場的影響，分別設(shè)置了2種不同的入口風(fēng)速，在其他條件與工況1完全相同的情況下拍攝并分析模型舍內(nèi)測試區(qū)域的空氣流場。圖5e和5f分別為工況5、工況6時的測試區(qū)域速度矢量場，此時擋風(fēng)板和矮墻都正常設(shè)置，入口風(fēng)速分別為3.4和4.8 m/s。對比圖5a可知，當(dāng)入口風(fēng)速不同時，模型舍內(nèi)氣流場的流線并沒有發(fā)生明顯變化，但測試區(qū)域氣流的平均速度隨著入口風(fēng)速的增加而增加，這也再次證明了此時模型內(nèi)的流動已經(jīng)進(jìn)入自動模擬區(qū)。

本文LPCV原型牛舍在正常的運(yùn)行工況（文中工況1）下，舍內(nèi)擋風(fēng)板下的雷諾數(shù)為4.92′105，舍內(nèi)空氣流動已經(jīng)進(jìn)入自動模擬區(qū)；當(dāng)模型中入口風(fēng)速大于2.56 m/s時，歐拉數(shù)不再隨著雷諾數(shù)的增加而改變，此時流動也已經(jīng)進(jìn)入自動模擬區(qū)，兩者的流動具有相似性。文中分別選取3.4、4.0與4.8 m/s的不同入口風(fēng)速，旨在證明不同入口風(fēng)速對舍內(nèi)空氣流場的影響。本試驗(yàn)利用PIV系統(tǒng)測量了模型內(nèi)的空氣流場，沒有涉及溫濕度場。根據(jù)前期對LPCV牛舍夏季和冬季的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行的大量現(xiàn)場測試和CFD模擬結(jié)果，在牛舍風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量相同的前提下，舍內(nèi)冬季和夏季的氣流流向沒有明顯差異。

5 結(jié) 論

本研究采用粒子圖像測速技術(shù)對LPCV牛舍模型內(nèi)的空氣流場進(jìn)行了測試。得出以下結(jié)論：

1）LPCV原型牛舍在正常的運(yùn)行工況下，舍內(nèi)擋風(fēng)板下的雷諾數(shù)為4.92′105，舍內(nèi)空氣流動已經(jīng)進(jìn)入自動模擬區(qū)；當(dāng)模型中入口風(fēng)速大于2.56 m/s時，歐拉數(shù)不再隨著雷諾數(shù)的增加而改變，此時流動也已經(jīng)進(jìn)入自動模擬區(qū)，兩者的流動具有相似性。

2）PIV測試結(jié)果能很好地表現(xiàn)舍內(nèi)空氣流場的變化情況，擋風(fēng)板和矮墻的同時設(shè)置是造成奶牛活動區(qū)域氣流流向和流速分布不均勻的主要因素，氣流在矮墻的作用下流動方向發(fā)生了向上部空間的偏轉(zhuǎn)，而擋風(fēng)板和矮墻單獨(dú)設(shè)置則不會導(dǎo)致空氣流向的變化。

3）擋風(fēng)板和矮墻同時存在時，模型中奶牛的存在不會對舍內(nèi)氣流流向產(chǎn)生明顯的影響，但當(dāng)氣流繞過牛背時，氣流的高速區(qū)域向上發(fā)生了平移；不同的入口風(fēng)速沒有影響模型內(nèi)空氣流向，但模型內(nèi)氣流的平均速度會隨著入口風(fēng)速的增加而增加。

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Influence of baffle on air flow field in low profile cross ventilated cattle barn analysis based on PIV test

Deng Shuhui1,2, Shi Zhengxiang2※, Li Baoming2, Ding Tao2, Li Hao2

(1.163319,; 2.100083,)

Low profile cross ventilated (LPCV) cattle barn has been widely used in large-scale dairy farms in China in recent years. The effective control of the indoor environment of cattle barn has significantly improved the production of the cattles. However, there are problems with airflow pattern in practice, such as uneven air distribution inside the barn. Particle image velocimetry (PIV) technology has been widely used in indoor airflow pattern investigation and similar aspects, and it was applied to study the influences on the indoor airflow pattern from the baffle, parapet, inlet air velocity and cows in this study. Based on the similitude theory, the influence of fluid viscous force is relatively weakened for viscous flow when the reynolds number increases to a specific value, after that, although the reynolds number is continuously increased, it will not affect the airflow pattern, the resulting viscous effect can be the same regardless of the changes in the reynolds number, this phenomenon is called automatic modelling of fluid. Based on this principle, the reynolds number of both the prototype and model cattle barn were calculated to fit the criteria of automatic modelling of fluid which meant that the airflow in the prototype and model could enter the automatic simulation zone and the airflow pattern of the prototype and model cattle barn was similar. A model/prototype ratio in 1/15 was selected and applied in this study, and the scaled models of LPCV cattle barn and cows were to investigate the airflow pattern inside the cattle barn. The airflow patterns under 6 working conditions were tested by particle image velocimetry using this scaled model. The tested cases included the cases with/without the baffle, cases with/without the parapet, cases with/without the cow models, and cases under 3 inlet air velocities 3.4, 3.8, and 4.0 m/s. Due to the limited capture area of the camera, the zone in a dimension of 280 mm′280 mm close to the parapet where was considered to be the most critical area was chosen for the investigated region. It was found that the baffle and the parapet in the LPCV were the cause of the deflection of the airflow in the cattle barn, the airflow entered the animal occupied area in the lower part of the barn under the guidance of the baffle, then the airflow direction was deflected to the upper space inside the barn with the influence from the parapet. Meanwhile, a low-velocity region was formed in the rear of the parapet, and this phenomenon happened only when both the baffle and parapet were installed simultaneously. When the baffle and the parapet were installed singly, the uneven distribution of the airflow in the barn was not observed, the baffle increased the airflow velocity at the lower part of the barn where the animal occupied. The presence of the cow models in the barn and the inlet wind speed had no significantly influence on the flow direction of the airflow in the whole barn, However, due to the presence of cows, when the air flow went around the cow's back, the high-speed area of the air flow shifted upward, and the average speed of the air flow increased with the increase of the inlet speed. This study provides references for the optimal design of the airflow pattern inside the LPCV cattle barn.

flow fields; models; PIV; similarity theory; dairy building

2018-07-10

2018-11-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助（2018YFD0500700）；國家奶牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項(xiàng)目（CARS-36）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目

鄧書輝，副教授，博士，主要從事健康養(yǎng)殖過程環(huán)境與控制研究。Email：dsh@vip.sina.com

施正香，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事畜禽養(yǎng)殖工藝與環(huán)境研究。Email：shizhx@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.023

S817.3

A

1002-6819(2019)-01-0188-07

鄧書輝，施正香，李保明，丁 濤，李 浩.擋風(fēng)板對低屋面橫向通風(fēng)牛舍內(nèi)空氣流場影響的PIV測試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(1)：188－194. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.023 http://www.tcsae.org

Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, Ding Tao, Li Hao. Influence of baffle on air flow field in low profile cross ventilated cattle barn analysis based on PIV test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 188－194. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.023 http://www.tcsae.org