進風位置對縱向通風疊層雞舍氣流和溫度影響CFD模擬

程瓊儀，穆 鈺，李保明

進風位置對縱向通風疊層雞舍氣流和溫度影響CFD模擬

程瓊儀1，穆 鈺2，李保明3,4※

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，北京 100125；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院設施農(nóng)業(yè)研究所，北京 100125；3. 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；4. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

為提高雞舍夏季通風效率，改善舍內(nèi)環(huán)境條件，該文通過計算流體力學（computational fluid dynamics, CFD）模擬分別探究了進風口內(nèi)側(cè)加設導流板及不加設導流板時，進風位置對疊層籠養(yǎng)雞舍舍內(nèi)及籠內(nèi)氣流、溫度及分布的影響。雞舍模型通過現(xiàn)場試驗進行驗證。結(jié)果表明：在進風口內(nèi)側(cè)不加設導流板時，近進風口區(qū)域(距首個籠17.5 m之內(nèi)雞籠區(qū)域)籠內(nèi)平均風速隨著進風位置與雞籠間距離增加而增大，最大增幅為0.54 m/s。而當進風口內(nèi)側(cè)加設導流板時，不同進風位置時對籠內(nèi)平均風速相對差異小于10%。同時，隨著進風位置與雞籠間距離增加，近進風口處籠內(nèi)氣流分布均勻性增加，籠內(nèi)溫度呈降低趨勢且其分布趨于均勻。但進風位置對籠內(nèi)環(huán)境影響范圍有限，文中研究顯示，進風位置對氣流速度的影響范圍為距首個籠27 m之內(nèi)籠內(nèi)區(qū)域，對氣流分布均勻性的影響范圍為距首個籠45 m之內(nèi)籠內(nèi)區(qū)域，對溫度分布的影響范圍為距首個籠18 m之內(nèi)籠內(nèi)區(qū)域。研究表明，在疊層雞舍夏季通風系統(tǒng)進風位置設計中，應盡量設計在山墻，及保證進風口與雞籠區(qū)域無重合，使得進風氣流充分發(fā)展后進入雞籠，有助于減少籠內(nèi)通風弱區(qū)及渦流區(qū)域。

氣流場；溫度；計算流體力學；雞舍；進風位置

0 引 言

適宜環(huán)境條件對蛋雞生產(chǎn)至關重要，產(chǎn)蛋雞熱中性溫度為18～24 ℃[1]。而在中國某些高溫高濕地區(qū)，夏季雞舍內(nèi)部環(huán)境溫度可達到35 ℃，因此需進行降溫及機械通風。最常見的環(huán)境控制方式為濕簾降溫結(jié)合負壓風機進行縱向通風[2]，通過加強雞只對流散熱，形成風冷效應來排出余熱，建議風速為2.5 m/s[3]。而為了確保濕簾的降溫效率，根據(jù)濕簾厚度不同，建議過簾風速為1.1～1.7 m/s[4]。因此雞舍前端山墻面積并不能滿足進風口面積需求，在實際生產(chǎn)中，有部分或全部進風口設置在側(cè)墻上。但在疊層籠養(yǎng)雞舍中，進風口的具體開設位置尚未有相關標準或研究。

大量研究表明，進風位置對室內(nèi)環(huán)境有顯著影響[5]。Montero等發(fā)現(xiàn)，進風位置會影響換氣速率及氣流分布，當進風口同時位于側(cè)墻和屋頂時，通風速率最大[6]。Gebremedhin等[7]發(fā)現(xiàn)與氣流從單面?zhèn)葔蛱旎ò暹M入舍內(nèi)的情況相比，氣流從雙面?zhèn)葔M入時，舍內(nèi)氣流分布更為均勻。Seo等比較了進風位置對肉雞舍通風效果的影響，發(fā)現(xiàn)采用煙囪進風的雞舍，舍內(nèi)氣流分布和通風效率優(yōu)于其他雞舍[8]。高學平等研究表明，當進風位置處于散熱器中心高度或偏下位置時，室內(nèi)氣流分布最為均勻[9]。Lin等發(fā)現(xiàn)，當從房間中央進風時，室內(nèi)溫度分布更為均勻[10]。Bartzanas等同樣發(fā)現(xiàn)，當進風速度為3 m/s，溫度為28 ℃時，由于進風位置不同，舍內(nèi)換氣速率在10～58次/h波動，平均溫度在28.2～29.8 ℃波動[11]。進風位置通過影響氣流分布進而影響舍內(nèi)污染物濃度。王陽等試驗表明，側(cè)墻進風口高度對雞舍內(nèi)溫濕度，污染物濃度及分布有顯著影響[12]。Kang等發(fā)現(xiàn)，進風位置對房間下層氣流模式有顯著影響，與垂直進風相比，水平進風時室內(nèi)污染物濃度較低[13]。趙福云等發(fā)現(xiàn)當采用置換通風及天花板右側(cè)進風時，垂直溫差最小，通風效率最高[14]。并且相比于出風口，進風口對室內(nèi)環(huán)境影響更為明顯[15]。但對于疊層籠養(yǎng)雞舍而言，夏季進風位置對舍內(nèi)及籠內(nèi)環(huán)境影響尚未有相關研究。

計算流體力學（computational fluid dynamics, CFD）廣泛應用于畜禽舍內(nèi)部環(huán)境研究。Seo等借助CFD找出冷風滲透為冬季豬只死亡率高的原因[16]。王鵬鵬等通過CFD模擬了橫向和縱向通風時豬舍空氣場分布規(guī)律[17]。王小超等利用CFD找出了豬舍冬季通風最適進風角度[18]。鄧書輝等借助CFD探究了擋風板和頸枷下矮墻對低屋面橫向通風牛舍流場和溫濕度場影響[19-20]。Mustafa等模擬了風管對平養(yǎng)肉雞舍環(huán)境的影響[21]。本研究同樣采用CFD模擬，對不同進風位置時雞舍內(nèi)部環(huán)境條件進行探究。

在CFD應用于籠養(yǎng)雞舍環(huán)境模擬時，由于其養(yǎng)殖密度大、建模復雜，需要進行模型簡化。現(xiàn)有研究在構(gòu)建模型時，會將整個雞籠區(qū)域（caged-hen occupied zone, CZ）簡化為固體。在此基礎上，江曉明等模擬了春秋過渡季節(jié)不同通風方式對密閉式半階梯籠養(yǎng)蛋種雞舍環(huán)境的影響[22]，Hui等研究了階梯籠養(yǎng)雞舍內(nèi)濕簾安裝位置對走道氣流影響[23]。但將CZ簡化為固體，會忽略籠內(nèi)與走道氣流交換，在一定程度上影響結(jié)果準確性。同時此簡化僅能研究雞舍走道情況，無法估測籠內(nèi)環(huán)境。雖然走道氣流對蛋雞生產(chǎn)有一定程度影響，但與其直接相關的為籠內(nèi)環(huán)境。針對此問題，Cheng等提出將CZ簡化為多孔介質(zhì)[24]，并且其可行性已得到驗證[25]。因此，本研究在將CZ簡化為多孔介質(zhì)的基礎上，以CFD方法探究在進風口內(nèi)側(cè)加設及不加設導流板時，不同進風位置對：1）籠內(nèi)氣流速度的影響；2）籠內(nèi)氣流變化趨勢及分布均勻性的影響；3）籠內(nèi)溫度及變化趨勢的影響。雞舍模型通過現(xiàn)場試驗進行驗證。以期為疊層籠養(yǎng)雞舍進風口設計提供技術支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 雞舍氣流及溫度現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試于種雞舍內(nèi)進行，種雞舍位于安徽省黃山市（29°74′81″N，118°17′11″E）。雞舍長105 m，寬15 m，山墻及屋脊高度分別為6 和7 m。墻面為240 mm厚磚墻，屋面為100 mm厚彩鋼聚苯乙烯夾芯板。雞籠為5列4層疊層籠，單個籠具尺寸為1.2 m×1.2 m×0.8 m，單列雞籠長度為90 m，首個雞籠距離前側(cè)山墻7.5 m。舍內(nèi)飼養(yǎng)雞只數(shù)量為28 717，母雞平均體質(zhì)量為2.0 kg，公雞為2.8 kg，公母比例為1：9。雞舍夏季采用濕簾降溫，負壓風機縱向通風，通風系統(tǒng)如圖1所示。雞舍通過在后端山墻安裝18臺風機（型號EF01000XXX，額定風量36 000 m3/h，功率1.1 kW·h，青島大牧人機械股份有限公司）提供負壓環(huán)境。為避免濕簾開啟后溫度驟降對種雞造成冷應激，增加進風氣流的均勻性，雞舍設置濕簾間，主要包括濕簾進風口、矩形進風小窗及導流板。矩形進風小窗（尺寸2 m×1 m）及導流板（尺寸2 m×1 m）設置在濕簾進風口內(nèi)側(cè)1.5 m處，為保證濕簾降溫效率及充分預熱低溫進風氣流，本測試中濕簾進風速度為1.2 m/s，導流板開啟角度為45°。進風氣流由濕簾降溫后通過矩形進風小窗，在導流板作用下方向發(fā)生改變，先經(jīng)雞舍頂部預熱，而后進入CZ?，F(xiàn)場測試采取“田”字型布點，選取雞舍中18個點進行溫度和氣流速度測定，分別采用溫度記錄儀（型號Testo 175 H1，量程?20～55 ℃，精度±0.4 ℃，德圖儀器國際貿(mào)易有限公司）及熱線式風速儀（型號KA32/41，量程0.1～30 m/s，精度（3%×讀數(shù)值±0.1）m/s，日本加野麥克斯儀器有限公司）進行測量，具體測點布局及測試方法與文獻[25]一致。

圖1 雞舍夏季通風系統(tǒng)示意圖

1.2 CFD模擬

1.2.1 模型驗證

在笛卡爾坐標系中建立雞舍全尺寸模型，模型按照與實測種雞舍1∶1進行建模，以雞舍寬度為方向，取值范圍為?1.5～16.5 m，長度為方向，取值范圍為?1.5～105 m，高度為方向，取值范圍為0～7 m。網(wǎng)格、數(shù)值模擬方法及邊界條件與文獻[25]一致，入口設置為速度入口，速度取實測值1.2 m/s，測量方法如文獻[25]所示，出口設置為壓力出口[26]。CZ被簡化為多孔介質(zhì)，在方向黏性阻力系數(shù)分別為7 461.11，22.2，8 400 m2，慣性阻力系數(shù)分別為0.675，1.54，1.25 m，CZ熱產(chǎn)生速率為284.1 W/m3。雞舍壁面設置為無滑移壁面邊界。進風溫度及雞舍各壁面溫度取值與文獻[25]完全一致。將模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試值進行對比，模擬與實測風速相對差異為9.5%，溫度相對差異為0.1%，各點具體差異如文獻[25]所示。因此認為此模型用來模擬雞舍環(huán)境可信。

1.2.2 不同進風位置對雞舍環(huán)境影響模擬

實際生產(chǎn)中，為降低濕簾開啟后舍內(nèi)溫度驟降對雞的冷應激，濕簾內(nèi)側(cè)導流板被廣泛使用。但其會降低近進風區(qū)域氣流分布均勻性[25]。因此在合理調(diào)控濕簾啟閉，解決溫度驟降問題的基礎上，可考慮去掉導流板。本試驗探究了在進風口內(nèi)側(cè)加設導流板及無導流板時，不同進風位置對雞舍內(nèi)部環(huán)境影響。

1）進風口內(nèi)側(cè)加設導流板及無導流板時，雞舍不同進風位置幾何模型

圖2為進風口內(nèi)側(cè)加設導流板（圖2a）及無導流板（圖2b）時，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，選取的4類進風位置情況下雞舍外圍護結(jié)構(gòu)示意圖。據(jù)Cheng 等的研究表明，在雞舍天花板下加設導風板可增加CZ氣流速度，提高低溫進風氣流的利用效率[25]。因此本研究在雞舍全尺寸模型基礎上，從首個雞籠對應的天花板位置開始，在天花板下方每間隔12 m加設高度為1 m的屋頂導風板,共加設8塊屋頂導風板。

不同進風位置時進風口具體參數(shù)見表1及圖2。a1進風位置與現(xiàn)場測試種雞舍一致，進風口位于濕簾間，在進風口內(nèi)側(cè)加設進風小窗及導流板。a2在a1基礎上，將側(cè)墻位置的部分進風口移至山墻。a3在a2基礎上，側(cè)墻進風口位置發(fā)生改變。a4是在a3基礎上，增加進風口與首個雞籠間距，使雞籠與進風口無重合。即將側(cè)墻及山墻進風口整體向雞舍外側(cè)（?方向）移動14.3 m。b1、b2、b3和b4分別是在a1、a2、a3和a4基礎上，去掉了濕簾間及進風口內(nèi)側(cè)導流板，即進風口設置在側(cè)墻及山墻上。以上不同進風位置情況下進風總面積相同，且所有案例中位于側(cè)墻的進風口關于雞舍長軸呈軸對稱。

表1 不同進風位置情況下雞舍圍外護結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖2 進風口內(nèi)側(cè)加設導流板和無導流板時不同進風位置情況下雞舍外圍護結(jié)構(gòu)示意圖

2）網(wǎng)格，計算方法和邊界條件

依照試驗雞舍尺寸進行1∶1建模。對于圖2 a1－a3，在笛卡爾坐標系中模型尺寸范圍為：在方向從?1.5～16.5 m，在方向從?1.5～105 m，方向從0～7 m；對于圖2 b1－b3，模型尺寸范圍為：在方向從0～15 m，在方向從0～105 m，方向從0～7 m；對于圖2a4，尺寸范圍為：在方向從?1.5～16.5 m，在方從?15.8～105 m，方向從0～7 m；對于圖2b4，模型尺寸范圍為：在方向從0～15 m，在方從?14.3～105 m，方向從0～7 m。模型以非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散，網(wǎng)格尺寸與模型驗證所用尺寸一致。

此模擬的邊界條件與模型驗證邊界條件一致。湍流模型選取標準-模型，壓力和速度以SIMPLE算法耦合。以二階迎風格式離散動量、湍動能和湍流耗散率方程。對走道正中間某點速度值及平行于山墻某平面的氣流速度面加權(quán)平均值進行監(jiān)測，直至速度監(jiān)測曲線平穩(wěn)，可認為模擬收斂。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同進風位置對籠內(nèi)CZ氣流影響

2.1.1 加設導流板時進風位置對CZ氣流影響

圖3a為進風口內(nèi)側(cè)加設導流板，不同進風位置時，平行于地面且高度為3.4 m平面的氣流分布云圖，圖3 a1－a4，分別是進風位置a1－a4時的速度云圖。從圖中可知，不同進風位置主要影響近進風口處CZ內(nèi)氣流分布，而雞舍后側(cè)CZ的氣流云圖無顯著差異。所以在氣流速度分析上，以距前端山墻25 m且與其平行平面=25 m將CZ分為2部分：Z1（Zone 1）和Z2（Zone 2）。從進風位置a1－a4，各情況下Z1平均速度分別為2.27，2.27，2.47和2.30 m/s；Z2平均速度分別為2.26，2.24，2.24和2.23 m/s。由結(jié)果可知，不同情況下CZ內(nèi)氣流平均速度相對差異小于10%，進風位置對籠內(nèi)風速無顯著影響。其主要原因為進風口內(nèi)側(cè)導流板改變了氣流方向，進風氣流先被引流至屋頂，兩側(cè)氣流交匯后進入雞籠區(qū)域。相比于無導流板的雞舍，山墻風機對經(jīng)側(cè)墻進風口進入室內(nèi)的氣流方向改變作用較弱。由圖3a同時可知，隨著進風口與雞籠間距增加，近進風口處CZ內(nèi)通風弱區(qū)和死角面積逐漸降低。針對舍內(nèi)氣流速度橫向分布而言，在進風位置為a1時，第1、5列雞籠Z1平均風速大于第3列雞籠，差異為0.29 m/s，隨著進風口與雞籠間距離增加，第1、5列與第3列雞籠間Z1內(nèi)風速差異逐漸降低，進風位置為a2及a3時，差異分別為0.13及0.08 m/s，而在進風位置為a4時，近進風口處各列雞籠籠內(nèi)風速無顯著差異。主要原因為隨著進風位置與雞籠間距離增加，進入雞籠的氣流在橫向速度變化率降低，使各列雞籠間的籠內(nèi)風速差異減小。

圖3b為進風口內(nèi)側(cè)加設導流板，不同進風位置時，沿雞舍長度方向（方向）籠內(nèi)CZ各橫截面平均速度值。從圖中可知，氣流速度在雞舍后部突然增大，這是由于經(jīng)過每塊屋頂導風板后籠內(nèi)氣流速度會突增[25]，此研究為提高通風效率，同樣在模型中加設多塊屋頂導風板。同時進風位置對CZ內(nèi)平均速度影響有限，為表述方便，本文將雞舍劃分為2個區(qū)域：進口段和穩(wěn)定段。因進風位置變化使得各點氣流速度和方向受影響區(qū)域為進口段，剩下區(qū)域為穩(wěn)定段。在距首個籠27 m之內(nèi)的進口段區(qū)域，不同進風位置時氣流速度和變化趨勢有顯著差異，僅針對選取的數(shù)據(jù)分析截面而言，進風位置a3的變化幅度最大，為1.29 m/s，其次為進風位置a1，為1.19 m/s，進風位置a2和a4的變化幅度分別為0.70和0.90 m/s。雖然截面的選取會影響氣流速度變化情況，但也說明進風位置對氣流變化幅度和趨勢有顯著差異。在距首個籠27 m之后的CZ，平均速度及變化趨勢無顯著差異。此結(jié)果表明，在進風口內(nèi)側(cè)加設導流板時，進風位置會影響進口段近進風口處CZ速度變化規(guī)律，但對雞舍后側(cè)CZ無顯著影響。文中，進風口對CZ氣流速度及變化趨勢的影響范圍為離首個籠27 m之內(nèi)的CZ區(qū)域。

氣流分布均勻性以氣流速度變異系數(shù)（coefficient of air speed variation, CV）量化，CV為各點速度標準差與平均值之比，表征各點氣流速度的變化程度[27]。文中，CZ內(nèi)CV取平行于地面且高度為0.5，1.5，2.9和3.9 m 4個平面的CV均值。對于進風位置a1－a4，由Fluent輸出結(jié)果可知，Z1內(nèi)氣流速度CV分別為37.4%，33.0%，29.0%和21.5%；Z2內(nèi)氣流速度CV分別為18.0%，16.4%，14.9%和14.4%。因此，當進風口內(nèi)側(cè)加設導流板時，進風位置對CZ氣流分布均勻性有顯著影響（相對差異大于10%，下同），隨著進風位置與首個雞籠距離增加，CZ內(nèi)氣流分布更為均勻。同時進風位置對Z2的影響遠小于Z1。圖3c為進風口內(nèi)側(cè)加設導流板，不同進風位置時，沿雞籠長度方向籠內(nèi)CZ各橫截面氣流速度CV。從圖中可知，在距首個籠45 m進口段范圍內(nèi)，不同進風位置時CZ氣流分布均勻性有顯著差異，氣流速度CV隨著進風位置與首個雞籠間距離增大而降低，在此范圍之后， CV無顯著差異。因此，在進風口內(nèi)側(cè)加設導流板時，進風位置對進口段近進風口處CZ內(nèi)氣流分布均勻性有顯著影響，影響范圍為距首個籠45 m之內(nèi)區(qū)域。

圖3 進風口內(nèi)側(cè)加設導流板時不同進風位置舍內(nèi)氣流云圖和沿雞籠長度方向籠內(nèi)氣流速度及速度波動系數(shù)CV

2.1.2 無導流板時進風位置對CZ氣流影響

圖4a為進風口內(nèi)側(cè)無導流板，不同進風位置時，平行于地面且高度為3.4 m平面氣流分布云圖。從圖4 a1－a4，進風位置與首個雞籠間距離逐漸增加，從圖中可知，隨著距離增加，近進風口CZ內(nèi)通風弱區(qū)面積逐漸降低。主要原因是在雞籠前端，進風區(qū)域與部分雞籠重合，氣流未完全進入雞舍，此區(qū)域平均風速過低。此外，進風位置主要影響近進風口處CZ內(nèi)氣流分布。因此同樣將CZ以平面=25 m（平行于山墻且距其25 m）劃分為2個區(qū)域進行研究（如圖4a）：Z1為近進風口區(qū)域，Z2為遠進風口區(qū)域。從進風位置b1到b4，Z1的平均氣流速度分別為1.39，1.57，1.90和1.93 m/s。此結(jié)果表明，進風位置顯著影響近進風口CZ內(nèi)平均風速，隨著進風位置與首個雞籠間距離增加，CZ內(nèi)平均氣流速度增加，最大增幅為0.54 m/s。在Z2區(qū)域，隨著進風口與雞籠間距離增加，不同進風位置下平均速度分別為2.17，2.18，2.17和2.20 m/s。由此可知，在遠進風口區(qū)域，進風位置對CZ內(nèi)平均速度無顯著影響。針對舍內(nèi)氣流速度橫向分布而言，在進風位置為b1時，第1、5列雞籠Z1內(nèi)平均風速大于第3列雞籠，差異為0.2 m/s，隨著進風口與雞籠間距離增加，第1、5列與第3列雞籠間Z1內(nèi)風速差異逐漸降低，進風位置為b2及b3時，差異分別為0.09及0.08 m/s，而在進風位置為b4時，近進風口處各列雞籠籠內(nèi)風速無顯著差異。

圖4 進風口內(nèi)側(cè)無導流板時不同進風位置舍內(nèi)氣流云圖和沿雞籠長度方向籠內(nèi)氣流速度及速度波動系數(shù)CV

圖4b為不同進風位置時沿雞舍長度方向籠內(nèi)CZ各橫截面平均速度，在距首個籠18 m之內(nèi)，每3 m取一個截面，此后每9 m取一個截面。從圖中可知，氣流速度在雞舍后部突然增大，同樣是由于模型中加設多塊屋頂導風板的原因。在距首個籠27 m范圍內(nèi)，進風位置對CZ內(nèi)氣流變化趨勢有顯著影響，此區(qū)域之后CZ內(nèi)氣流速度無顯著差異。在距首個籠3～90 m之間的雞籠區(qū)域，CZ內(nèi)氣流變化幅度隨著進風位置與首個雞籠間距離增加而降低。而進風位置為b4時，籠內(nèi)CZ首個橫截面的氣流速度顯著高于其他面。其原因可能為側(cè)墻進風氣流在此處完全進入雞舍，大部分氣流方向發(fā)生改變，同時與山墻進風氣流交匯。而其他進風位置時未出現(xiàn)類似高速氣流可能是截面選取的原因。此結(jié)果表明：在進風口內(nèi)側(cè)無導流板時，進風位置對進口段近進風口處CZ內(nèi)氣流速度及變化趨勢有顯著影響。文中，影響范圍為距首個籠27 m之內(nèi)的雞籠區(qū)域。

隨著進風位置與首個雞籠間距離增加，Z1內(nèi)氣流速度CV分別為31.2%，30.6%，27.3%和20.4%；Z2內(nèi)氣流速度CV分別為14.8%，14.0%，13.7%和13.3%。此結(jié)果表明，當進風口內(nèi)側(cè)無導流板時，進風位置與雞籠間距離增加可以提高CZ內(nèi)氣流分布均勻性。圖4c為不同進風位置時，沿長度方向籠內(nèi)CZ各橫截面速度波動幅度CV。從圖4中可看出，在距首個籠45 m之內(nèi)的雞籠區(qū)域，進風位置對CZ內(nèi)氣流速度CV有顯著影響，在此之后，不同進風位置時籠內(nèi)CV無顯著差異。因此，在進風口內(nèi)側(cè)無導流板時，進風位置對進口段近進風口區(qū)域CZ內(nèi)氣流分布均勻性有顯著影響，文中影響范圍為距首個籠45 m之內(nèi)的籠內(nèi)區(qū)域，但影響程度隨著進風口與雞籠間距離增加而降低。

2.2 不同進風位置對籠內(nèi)CZ溫度影響

2.2.1 加設導流板時進風位置對CZ溫度影響

從進風位置a1－a4，各情況下CZ平均溫度分別27.41，27.36，27.36及27.35 ℃。沿雞舍長度方向，首個雞籠與最后一個雞籠溫差分別為0.89，0.93，0.94及0.95 ℃。在不同進風位置時，籠內(nèi)溫度及溫差無顯著差異，且進風口和出風口溫差均遠小于2 ℃。其主要原因為種雞舍飼養(yǎng)密度過低，而夏季為了達到風冷效應，通風量仍維持在較大的水平；以及屋頂導風板的作用，促進了進風氣流從雞籠區(qū)域通過。較大體積的低溫進風氣流降低了進風口位置對籠內(nèi)溫度的影響效果。

圖5為進風口內(nèi)側(cè)加設導流板，不同進風位置時，平行于地面且高度為3.4 m平面的溫度分布云圖，圖5 a1－a4，分別是進風位置a1－a4的溫度云圖。從圖中可知，不同進風位置對進口段近進風口處CZ溫度分布有顯著影響，隨著進風口與雞籠間距增加，進口段籠內(nèi)溫度呈降低趨勢。表2為進風口內(nèi)側(cè)加設導流板，不同進風位置時沿雞舍長度方向（方向）籠內(nèi)CZ各橫截面平均溫度值。從表中可知，在進口段距首個籠18 m之內(nèi)的區(qū)域，相比于其他區(qū)域，不同進風情況下籠內(nèi)溫度和變化幅度呈現(xiàn)出差異，尤其是進風位置a1與其他情況下溫度及變化趨勢的差異最為顯著。僅針對選取的數(shù)據(jù)分析截面而言，在首個籠位置時不同進風位置情況下的溫度差異最大，進風位置a1與a4差異可達到0.08 ℃（沿雞舍長度方向，首個雞籠與最后雞籠的溫差約為0.9 ℃）。

圖5 進風口內(nèi)側(cè)加設導流板時不同進風位置平行于地面且高度為3.4 m平面溫度分布云圖

2.2.2 無導流板時進風位置對CZ溫度影響

從進風位置b1－b4，各情況下籠內(nèi)CZ平均溫度分別27.44，27.39，27.39和27.38 ℃。沿雞舍長度方向，首個與末位雞籠溫差分別為0.99，0.99，0.98和0.98 ℃。此結(jié)果表明，在進風口內(nèi)側(cè)無導流板時，進風位置對籠內(nèi)溫度及籠內(nèi)溫差均無影響（相對差異小于10%）。其主要原因同樣為通風量過大，進風位置對籠內(nèi)溫度的影響效果被削弱。

表2 進風口內(nèi)側(cè)加設導流板時不同進風位置沿雞籠長度方向籠內(nèi)CZ各橫截面平均溫度

圖6為進風口內(nèi)側(cè)無導流板，不同進風位置時，平行于地面且高度為3.4 m平面溫度分布云圖。

圖6　進風口內(nèi)側(cè)無導流板時不同進風位置平行于地面且高度為3.4 m平面溫度分布云圖

圖6 b1－b4，分別與進風位置b1－b4對應。從圖中可知，進風位置主要影響進口段近進風口處籠內(nèi)CZ溫度。隨著進風口與籠間距離增加，籠內(nèi)溫度呈降低趨勢且其分布趨于均勻。主要原因為當進風口與部分雞籠重合時，該區(qū)域附近存在通風弱區(qū)（如圖4a），雞群產(chǎn)生的余熱不能有效排出，導致籠內(nèi)溫度升高。而隨著進風口與籠間距增加，籠內(nèi)氣流波動趨于平穩(wěn)，從而溫度分布更為均勻。表3為進風口內(nèi)側(cè)無導流板，不同進風位置情況下，沿雞舍長度方向（方向）籠內(nèi)CZ各橫截面平均溫度值。從圖中同樣可知，進風口對籠內(nèi)溫度影響范圍有限，文中主要影響進口段距首個籠18 m之內(nèi)籠內(nèi)區(qū)域。僅針對選取的分析截面而言，在距首個籠12 m位置，進風位置b1與b4溫差最大為0.08 ℃（沿雞舍長度方向，首個與末位雞籠的溫差約為0.98 ℃）。

表3 進風口內(nèi)側(cè)無導流板時不同進風位置沿雞籠長度方向籠內(nèi)CZ各橫截面平均溫度

3 討 論

為保證氣流在進入雞籠前充分預熱，其射程應達到達雞舍天花板中央。因此在進風面積一定情況下，導流板開啟角度依據(jù)通風速率而定[28]。本研究對象為疊層籠養(yǎng)種雞舍，選取進風角度為45°。對階梯籠養(yǎng)或散養(yǎng)蛋雞舍而言，雞舍結(jié)構(gòu)設計和通風量會產(chǎn)生差異，因而進風角度會隨之變化，而進風角度會影響氣流路徑，從而影響室內(nèi)的氣流分布。所以在飼養(yǎng)工藝或通風量不同情況下，導流板開啟角度發(fā)生變化時，進風位置對舍內(nèi)環(huán)境影響需要進一步探究。同時，在不改變通風量情況下，為達到最佳通風效果，本研究僅針對實測雞舍進風位置和山墻空間充分利用的情況進行了探究。但在實際生產(chǎn)中，由于設計不規(guī)范等原因，山墻空間得不到充分利用，從而影響側(cè)墻濕簾長度，因此其后可對不同側(cè)墻進風口長度對舍內(nèi)環(huán)境的影響進行討論。

4 結(jié) 論

1）在進風口內(nèi)側(cè)無導流板時，進風位置與雞籠間距離增加會顯著增大近進風口區(qū)域籠內(nèi)蛋雞活動區(qū)域(caged-hen occupied zone, CZ）平均風速（距首個籠17.5 m之內(nèi)籠內(nèi)區(qū)域），文中最大增幅為0.54 m/s。而在進風口內(nèi)側(cè)加設導流板時，不同進風位置時對籠內(nèi)CZ相對差異小于10%。

2）沿雞籠長度方向，進口段內(nèi)近進風口處籠內(nèi)CZ氣流速度變化趨勢受進風位置影響。文中對于加設導流板和無導流板雞舍，影響范圍是距首個籠27 m之內(nèi)雞籠區(qū)域。

3）近進風口處，進口段內(nèi)籠內(nèi)氣流分布均勻性隨著進風位置與雞籠間距離增加而增大。文中對于加設導流板和無導流板雞舍，影響范圍是距首個籠45 m之內(nèi)雞籠區(qū)域。

4）近進風口處，進口段內(nèi)隨著進風位置與首個雞籠間距離增加，籠內(nèi)溫度呈降低趨勢且其分布趨于均勻。文中對于加設導流板和無導流板雞舍，其影響范圍為距首個籠18 m之內(nèi)雞籠區(qū)域。

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CFD simulation of influence of air supply location on airflow and temperature in stacked-cage hen house with tunnel ventilation

Cheng Qiongyi1, Mu Yu2, Li Baoming3,4※

(1.100125; 2.100125; 3.100083,; 4.100083,)

The environment in hen house is critical to the production performance of laying hens. Tunnel ventilation which combines cooling pad and exhausted fans is commonly adopted in hen house in summer. The air motion is driven by exhaust fans on the gable wall. After cooled down by the wet pad, the air takes away the heat produced by hens, and then goes out through the exhaust fans. In this study, the effects of the air supply location were studied to identify its influence on the airflow, temperature and its distribution based on computational fluid dynamics (CFD) simulations. The hen house measured in this study was a breeding house with five columns fours stacked layer cages. The length of the hen house was 105 m and the width was 15 m, the height of the gable wall was 6 m and of the roof was 7 m, the distance between the gable wall and first cage was 7.5 m. The number of hens was 28 717. The air supply locations investigated in this study were differed by the inlet area in the side and gable wall, the distance between sidewall inlet and gable wall inlet, the distance between the inlet and first hen cage. The simulation model was validated by field experiment, in which speed and temperature in the breeding hen house in 18 points in the aisles were measured. The relative difference between measured and simulated results of temperature was 0.1%, and of speed was 9.5%, illustrating that the model was reasonable to simulate the environment in the hen house. The simulation results showed that without flaps behind the inlet, the increase of the distance between the air supply location and the cage could significantly increase the average wind speed inside the caged-hen occupied zone (CZ) near the air inlet zone (within 17.5 m from the first cage). The maximum increase amplitude was 0.54 m/s in this study. With flaps behind the air inlet, the air supply location had no significant effect on the average speed in CZ in the cage. Meanwhile, with the increased distance between the air supply location and the cage, the uniformity of airflow distribution in CZ nearby the inlet increased, the temperature in CZ decreased and its distribution tended to be more uniformity. However, the influence range of the air supply location on the environment in CZ was limited. In this study, the influence range in CZ of the air supply location on air speed was within 27 m from the first cage, on airflow distribution uniformity was within 45 m from the first cage, on temperature distribution was within 18 m from the first cage. This study showed that in the design of air supply location in hen house in summer, the gable wall should be utilized as much as possible. The overlap between the inlet and the hen cage should also be avoided, to guarantee that the inlet airflow could be fully developed before entering the CZ. This design was beneficial to reduce the weakly ventilated zone and vortex in CZ, and can guide the design of air supply location in hen houses.

airflow field; temperature; computational fluid dynamics (CFD); breeding hen house; air supply location

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.024

S823.9+2

A

1002-6819(2019)-15-0192-08

2018-11-28

2019-05-13

國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0500700）；國家蛋雞產(chǎn)業(yè)技術體系（CARS-40）。

程瓊儀，博士，主要從事畜牧場環(huán)境控制及廢棄物處理。Email：qiongyicheng@cau.edu.cn

李保明，教授，博士生導師，主要從事畜禽設施養(yǎng)殖工藝與環(huán)境研究。Email：libm@cau.edu.cn

程瓊儀，穆 鈺，李保明. 進風位置對縱向通風疊層雞舍氣流和溫度影響CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(15)：192－199. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.024 http://www.tcsae.org

Cheng Qiongyi, Mu Yu, Li Baoming. CFD simulation of influence of air supply location on airflow and temperature in stacked-cage hen house with tunnel ventilation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 192－199. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.024 http://www.tcsae.org