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    發(fā)酵床網(wǎng)上養(yǎng)殖肉鴨舍春季環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)及通風(fēng)策略模擬優(yōu)化

    2023-06-17 16:22:41倪德綱孟力力沈建洲劉建龍霍連飛柏宗春夏禮如
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年10期
    關(guān)鍵詞:模擬仿真鴨舍流場(chǎng)

    倪德綱 孟力力 沈建洲 劉建龍 霍連飛 柏宗春 夏禮如

    摘要:中國(guó)作為世界上肉鴨出產(chǎn)最多的國(guó)家,近年一直在提倡對(duì)肉鴨進(jìn)行集約化和規(guī)?;B(yǎng)殖。而最近興起的一種新型的發(fā)酵床網(wǎng)上養(yǎng)殖模式,通過地面鋪設(shè)生物墊料用來發(fā)酵分解糞便,能有效避免水禽與糞污的接觸,減少病原微生物的感染與傳播機(jī)會(huì),提高鴨舍內(nèi)的空氣環(huán)境質(zhì)量。對(duì)發(fā)酵床網(wǎng)上養(yǎng)殖肉鴨舍內(nèi)的溫濕度進(jìn)行測(cè)試,使用三維建模軟件建立了鴨舍的等比例模型,使用fluent軟件對(duì)鴨舍內(nèi)的氣流場(chǎng)進(jìn)行環(huán)境模擬,為使鴨舍內(nèi)環(huán)境達(dá)到適宜肉鴨成長(zhǎng)的范圍,使鴨舍內(nèi)的氣流組織更加均勻,引入了不均勻系數(shù),且以不均勻系數(shù)<0.2為目標(biāo),針對(duì)鴨舍內(nèi)氣流組織形式不均勻的問題,采用優(yōu)化通風(fēng)策略的方法來解決。實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)為,測(cè)試期間(2022年3月18日00:00至2022年3月25日00:00),鴨舍內(nèi)氣溫9.34~23.77℃,舍內(nèi)外平均溫差6.75℃;舍內(nèi)平均相對(duì)濕度80.66%,低于舍外;對(duì)鴨舍的實(shí)際情況進(jìn)行仿真計(jì)算后發(fā)現(xiàn),與實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)相比,平均相對(duì)誤差僅為3.58%~4.07%,說明該研究所建模型的數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的一致性。但模擬結(jié)果顯示,原有的通風(fēng)策略并不能滿足鴨舍內(nèi)氣流組織均勻性的要求,鴨舍后半部分的空氣流動(dòng)幾乎凝滯。通過增加鴨舍后部的通風(fēng)面積30%,同時(shí)通風(fēng)小窗面積以重疊60%對(duì)稱布置的策略來使外界氣流更充分地同鴨舍內(nèi)的空氣進(jìn)行交換,優(yōu)化后S1、S2、S3平面的溫度范圍分別為12.87~28.03℃、10.13~27.16℃、12.98~24.41℃;優(yōu)化通風(fēng)策略后,鴨舍內(nèi)S1、S2、S3平面的平均風(fēng)速分別為0.62、0.66、0.56m/s,對(duì)比原來的通風(fēng)策略其氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)更加均勻。本研究結(jié)果可為今后類似鴨舍的通風(fēng)方式及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

    關(guān)鍵詞:溫度;流場(chǎng);發(fā)酵床;模擬仿真;鴨舍

    中圖分類號(hào):S834.4+6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    文章編號(hào):1002-1302(2023)10-0168-08

    我國(guó)是世界上肉鴨養(yǎng)殖和出欄量最多的國(guó)家,同時(shí)我國(guó)的肉鴨出口量也常年位居世界第一[1]。在這樣的背景下,提高肉鴨的養(yǎng)殖質(zhì)量,保證肉鴨生長(zhǎng)過程的健康就顯得尤為重要。近年來,我國(guó)的肉鴨養(yǎng)殖模式不斷朝著規(guī)模化、集約化、數(shù)字化發(fā)展,根據(jù)“十四五”要求,嚴(yán)格保護(hù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和鄉(xiāng)村生態(tài)空間,科學(xué)劃定養(yǎng)殖業(yè)適養(yǎng)、限養(yǎng)、禁養(yǎng)區(qū)域。我國(guó)目前肉鴨養(yǎng)殖模式主要有傳統(tǒng)散養(yǎng)、地面平養(yǎng)式、層疊籠式和發(fā)酵床式4種,其中發(fā)酵床進(jìn)行網(wǎng)上養(yǎng)殖可利用微生物發(fā)酵分解肉鴨糞便中的有機(jī)質(zhì),不僅能降低糞便病原體和寄生蟲卵的數(shù)量,還能有效抑制氨氣等臭氣,降低糞便聚積產(chǎn)生的高溫,大大提高了肉鴨的生活和生長(zhǎng)環(huán)境的質(zhì)量,減少了肉鴨應(yīng)激反應(yīng)出現(xiàn)的概率[2]。而且由于使用高臺(tái)網(wǎng)床進(jìn)行網(wǎng)上養(yǎng)殖,故而可在不打擾鴨子正常作息的情況下使用自動(dòng)翻耙機(jī)來處理板結(jié)、失效的墊料,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)營(yíng)成本。由于這些優(yōu)點(diǎn),發(fā)酵床養(yǎng)殖在全國(guó)各地越來越受青睞。

    在肉鴨生長(zhǎng)過程中,過于明亮的光照、超出一定范圍的溫度、惡劣的空氣質(zhì)量均會(huì)引起肉鴨的應(yīng)激反應(yīng),降低鴨的免疫力,使鴨患上嚴(yán)重疾病,甚至死亡。邵坤等研究表明,肉鴨生長(zhǎng)的最佳環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)在55%~65%之間,肉鴨在1~3日齡時(shí)適宜溫度為31~33℃,4~6日齡時(shí)適宜溫度為29~31℃,從第1周后,每周下降2~3℃,成熟的鴨苗最佳的環(huán)境溫度為18~23℃[3]。王陽等研究表明,蛋雞舍內(nèi)CO2濃度應(yīng)維持在5000mL/m3以上[4];Liang等研究表明,育成期禽舍內(nèi)NH3濃度應(yīng)不高于10~15mg/m3[5]。而吳勝等研究表明,良好的通風(fēng)與均勻的氣流組織能有效降低室內(nèi)污染物濃度,維持室內(nèi)適宜的溫濕度[6]。因此,合理的通風(fēng)策略和鴨舍結(jié)構(gòu)規(guī)劃是肉鴨良好品質(zhì)的重要保障。

    計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics,CFD),是通過軟件建立模型并求解的方式對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬,這種方法無需花費(fèi)大量的金錢、勞動(dòng)成本和時(shí)間就能獲得流場(chǎng)數(shù)據(jù),因而在進(jìn)行禽類養(yǎng)殖舍環(huán)境研究時(shí)被廣泛應(yīng)用。李建國(guó)等采用CFD對(duì)層疊式籠養(yǎng)肉鴨舍進(jìn)行模擬,且驗(yàn)證了模擬結(jié)果與實(shí)際相符,并通過改變通風(fēng)小窗的位置使室內(nèi)氣流更均勻[7]。程瓊儀等通過CFD方法模擬了縱向通風(fēng)層疊雞舍進(jìn)風(fēng)口內(nèi)側(cè)加設(shè)和不加設(shè)導(dǎo)流板2種情況,模擬結(jié)果驗(yàn)證表明當(dāng)進(jìn)風(fēng)口設(shè)置導(dǎo)流板時(shí),在進(jìn)風(fēng)口附近的籠內(nèi)氣流組織更加均勻[8]。LonghuanDu等采用CFD對(duì)雞舍進(jìn)風(fēng)口位置進(jìn)行了優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的均勻性可防止過多的局部對(duì)流熱損失,降低房屋末端溫度[9]。Duan等使用CFD方法建立兔舍有限元模型,設(shè)置邊界條件,模擬兔舍內(nèi)氣流分布[10]。對(duì)禽舍現(xiàn)有通風(fēng)措施的合理性及其自身利弊進(jìn)行分析,為低氣溫條件下個(gè)體或村社的一般規(guī)模家兔養(yǎng)殖舍內(nèi)通風(fēng)提供了理論依據(jù)。Yeo等采用CFD模擬了不同進(jìn)出風(fēng)口條件下的豬舍環(huán)境,發(fā)現(xiàn)在豬舍進(jìn)風(fēng)口處增加一個(gè)氣流緩沖空間,能在保溫的同時(shí)很好地維持空氣溫度分布的均勻性[11]。Tomasell等利用CFD模擬了夏季工況下牛棚的氣流組織,驗(yàn)證了模型的可靠性[12]。

    本研究以江蘇省南京市溧水區(qū)某養(yǎng)殖場(chǎng)的一座發(fā)酵床網(wǎng)上養(yǎng)殖肉鴨舍為研究對(duì)象,基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和CFD模擬的方法對(duì)采用風(fēng)機(jī)加通風(fēng)小窗通風(fēng)模式的鴨舍進(jìn)行氣流和溫濕度分析,試圖找出這種結(jié)構(gòu)的鴨舍在初春最佳的通風(fēng)模式,使室內(nèi)氣流組織更加均勻,空氣質(zhì)量達(dá)適宜肉鴨健康生長(zhǎng)的水平,為相近地區(qū)的發(fā)酵床網(wǎng)上養(yǎng)殖模式的鴨舍改善舍內(nèi)環(huán)境提供一些參考的理論依據(jù)。

    1材料與方法

    1.1試驗(yàn)鴨舍

    本研究的試驗(yàn)鴨舍位于江蘇省南京市溧水區(qū)某肉鴨養(yǎng)殖場(chǎng)(31°67′N,119°02′E)。鴨舍示意圖見圖1。由圖1可知,長(zhǎng)78.00m,寬16.00m,頂高4.56m。屋面鋪設(shè)彩鋼屋面瓦,瓦下鋪設(shè)50mm厚的巖棉保溫板,板上做了錫箔防潮貼面并用1mm套塑鋼絲網(wǎng)固定。墻體砌筑材料為50mm厚彩鋼巖棉夾心墻板。鴨舍南北兩側(cè)各開有若干通風(fēng)小窗(0.4m×0.6m),3個(gè)1組均勻分布在墻體上部,通過鴨舍北側(cè)前后各一的卷簾門(2.5m×2.0m)進(jìn)入鴨舍內(nèi)部。鴨舍的東墻均勻布置4個(gè)風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)葉輪直徑為1.4m,理論通風(fēng)量為46000m3/h。西墻上安裝3行4列12個(gè)濕簾(0.715m×2.190m)。鴨舍采用機(jī)械通風(fēng)方式,由風(fēng)機(jī)和濕簾共同進(jìn)風(fēng),南北兩側(cè)通風(fēng)小窗排風(fēng)。鴨舍內(nèi)設(shè)有長(zhǎng)70m寬約15m的塑料網(wǎng)床,網(wǎng)床離地1.7m,由72m長(zhǎng)的工字梁支撐。發(fā)酵床上鋪有尼龍網(wǎng)限定鴨的生活區(qū)域,并設(shè)有送料管和飼喂裝置。地面鋪設(shè)生物墊料,由翻耙機(jī)定期進(jìn)行翻耙操作。

    1.2試驗(yàn)方法

    本試驗(yàn)于同一鴨舍飼養(yǎng)的同一批次肉鴨育肥后期(30~36日齡)進(jìn)行,具體時(shí)間為2022年3月18日00:00至2022年3月25日00:00,測(cè)試期為初春季節(jié),鴨舍內(nèi)西側(cè)墻上的濕簾未開啟,東側(cè)墻有2個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行,通風(fēng)小窗均處于打開狀態(tài),卷簾門處于關(guān)閉狀態(tài)。將肉鴨舍平分為3個(gè)平面S1、S2和S3。其中,S1為網(wǎng)床上料線管位置(距離網(wǎng)床2m),S2為網(wǎng)床平面,S3為肉鴨活動(dòng)面(距離網(wǎng)床0.4m);同時(shí)在每一平面的相同位置設(shè)置溫度測(cè)試點(diǎn),肉鴨鴨舍中間位置東西方向上均勻分布5個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn),在鴨舍中間位置的南北方向上均勻分布3個(gè)測(cè)點(diǎn),共計(jì)7個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置,由圖1-a可知。同時(shí),在鴨舍南北均勻分布3條線,東西方向均勻分布5條線,在2條線的所有交叉點(diǎn)作為風(fēng)速的檢測(cè)點(diǎn)。選擇了OnsetComputer公司的HOBOUX100-011溫濕度傳感器進(jìn)行溫度和相對(duì)濕度的測(cè)量,溫度測(cè)量范圍為-20~70℃,精度為±0.2℃,在25℃,相對(duì)濕度測(cè)量范圍在15%~95%,精度為±(2.5%~3.5%),分辨率0.05%~0.07%。設(shè)置傳感器每15min自動(dòng)記錄1次數(shù)據(jù)。風(fēng)速測(cè)量采用瑞典SWEMA公司的手持式SwemaAir5熱線風(fēng)速儀,測(cè)量范圍0.1~12.0m/s,測(cè)量精度為±(0.04m/s±3%讀數(shù)值),分辨率0.1m/s。

    1.3數(shù)據(jù)處理

    采用MicrosoftExcel整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用IBMSPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析,采用Origin進(jìn)行圖表繪制。

    2結(jié)果與分析

    2.1養(yǎng)鴨舍內(nèi)外溫濕度分析

    供試?guó)喩釣椴煌腹馊忾]式飼養(yǎng),室內(nèi)采光依靠人工光源,幾乎無法受到太陽直射,故本試驗(yàn)忽略太陽輻射照度對(duì)鴨舍內(nèi)部的影響。

    由圖2可知連續(xù)7d舍內(nèi)外空氣溫度和相對(duì)濕度的日變化。因舍內(nèi)溫濕度采集點(diǎn)有21處,測(cè)試數(shù)據(jù)較多,故采用平均數(shù)作圖。由圖2-a可知,連續(xù)7d舍外最低氣溫4.56℃,最高氣溫20.98℃,平均氣溫8.86℃;舍內(nèi)最低氣溫9.34℃,最高氣溫23.77℃,平均氣溫15.61℃;舍內(nèi)外平均溫差6.75℃,最大溫差達(dá)11.73℃,表明此鴨舍有較強(qiáng)隔絕內(nèi)外熱交換的能力。由于測(cè)試期處于初春時(shí)節(jié),且鴨苗處于育成期,天氣回暖鴨舍內(nèi)溫度已達(dá)到前言所述的適宜溫度(18~23℃)。

    由圖2-b可知,連續(xù)7d舍外空氣相對(duì)濕度52.38%~99.10%,平均相對(duì)濕度86.80%;舍內(nèi)空氣相對(duì)濕度53.65%~93.45%,平均相對(duì)濕度80.66%。鴨舍內(nèi)外的相對(duì)空氣濕度曲線并無太大差異,鴨舍內(nèi)部相對(duì)濕度波動(dòng)相較于舍外更加穩(wěn)定,因此更有利于肉鴨的生長(zhǎng),因?yàn)闇p少了它們應(yīng)激的可能性。

    孫培新的研究表明,在20℃的舍溫下60%的相對(duì)濕度比80%更適宜肉鴨生長(zhǎng)[13]。在本次試驗(yàn)中,鴨舍內(nèi)相對(duì)濕度在3月19日和3月25日全天均相對(duì)較高,維持在80%以上,Shen等研究表明,80%以上的高濕環(huán)境容易導(dǎo)致禽類應(yīng)激[14],而在本試驗(yàn)中舍內(nèi)幾乎所有的高濕環(huán)境均由于外部相對(duì)濕度較大引起。

    2.2養(yǎng)鴨舍內(nèi)不同平面空間的溫度分析

    現(xiàn)以布置在同一平面的傳感器為分組標(biāo)準(zhǔn)將鴨舍內(nèi)部分為S1、S2、S33個(gè)平面。將3個(gè)平面的傳感器數(shù)據(jù)取平均值并作圖,由圖3可知,連續(xù)7dS1、S2、S3平面的平均溫度分別為15.70、15.13、15.78℃,平均最大溫度24.63℃。

    此外,S1和S3的溫度在7d內(nèi)的差異皆不顯著,而在3、6、7d的13:00~17:00,S2平面的溫度皆顯著低于S1、S3平面(P<0.05)。

    3CFD模擬

    3.1控制方程

    CFD的工作流程是在建立了數(shù)學(xué)模型,確定離散化方法后再對(duì)劃分好的物理模型網(wǎng)格進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算[15]。流場(chǎng)中的氣流遵循守恒定律,主要包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律,如果有多種類型的流體相互作用,系統(tǒng)還要遵守組分守恒定律。本研究模型只將空氣列為研究對(duì)象,故忽略

    其中,x、y、z是空間坐標(biāo)系中3個(gè)坐標(biāo)軸;υ、ν、ω是速度矢量在x、y、z3個(gè)方向上的分量,m/s;p為流體微元的壓力,Pa;ν為空氣運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s;ρ為空氣密度,kg/m2。

    3.2建立模型

    使用Solidworks軟件對(duì)鴨舍進(jìn)行1∶1等尺寸3D模型的構(gòu)建,由于濕簾不開啟,為計(jì)算方便且節(jié)省時(shí)間,故將其作壁面處理,同時(shí)簡(jiǎn)化立柱、橫梁和送料管等對(duì)氣流影響較小的結(jié)構(gòu)。鴨舍的整體模型見圖4。

    同時(shí),由于舍內(nèi)肉鴨數(shù)量眾多,無法忽略其自身發(fā)熱對(duì)舍內(nèi)溫度場(chǎng)的影響,董宗耀等在模擬階梯籠式雞舍進(jìn)風(fēng)情況時(shí)忽略了腿部、尾部和雞冠部分,僅對(duì)雞身部分進(jìn)行建模[16]。林勇等在模擬層疊籠式鴨舍的通風(fēng)情況時(shí),將鴨和鴨籠及其下的鴨糞傳送層做整體化處理[17]。由于發(fā)酵床式鴨舍中鴨是在半開放的網(wǎng)床上生活,故采用對(duì)鴨單獨(dú)建模的方法。根據(jù)鄧書輝等對(duì)牛的建模方法[18]對(duì)鴨簡(jiǎn)化模型(圖5)。

    3.3網(wǎng)格劃分與邊界條件

    為簡(jiǎn)化計(jì)算,使用ICEM來畫模型的網(wǎng)格。選擇非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,加密格柵及鴨外表面的網(wǎng)格質(zhì)量,整體模型的網(wǎng)格單元總數(shù)達(dá)1023萬,網(wǎng)格單元類型為四面體網(wǎng)格。對(duì)鴨子、網(wǎng)床、氣流出入口的網(wǎng)格加密,加密尺寸為15mm。鴨舍模型網(wǎng)格見圖6。

    湍流計(jì)算選擇κ-ε方法下的Realizable模型,壓力與速度選擇SIMPLEC算法耦合,壓力選擇了PRESTO!模型求解。氣流入口為風(fēng)機(jī),采用速度型入口,風(fēng)速為5m/s,溫度290K。出口為兩側(cè)外墻上的小窗,采用壓力出口,相對(duì)壓力大小為0,鴨棚外壁面設(shè)置為恒溫靜止無滑移壁面,溫度大小為300K。鴨子外表面設(shè)置為恒溫靜止無滑移壁面,溫度大小為315K,計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)進(jìn)行計(jì)算,經(jīng)過1000次迭代計(jì)算。各物理量達(dá)到收斂狀態(tài)。

    3.4模擬結(jié)果驗(yàn)證與分析

    為驗(yàn)證本研究所建立的仿真模型和選擇的模擬方法是否正確,提取仿真結(jié)果中S1、S2、S3的溫度場(chǎng)與氣流場(chǎng)與試驗(yàn)所測(cè)得的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,選取2022年3月23日16:30這一時(shí)刻的模擬結(jié)果(圖7)。

    在仿真結(jié)果中提取與傳感器同一位置的數(shù)據(jù)結(jié)果與同時(shí)段的傳感器數(shù)值比較發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果與傳感器實(shí)測(cè)值基本吻合(圖8)。經(jīng)過取S1、S2、S3平面上所有測(cè)點(diǎn)的平均值進(jìn)行仿真值和實(shí)測(cè)值的誤差計(jì)算可得到3個(gè)平面模擬的準(zhǔn)確度平均相對(duì)誤差分別為4.07%、3.92%、3.58%,說明模擬仿真的誤差較小,模擬出來的鴨舍內(nèi)氣流溫度場(chǎng)與實(shí)際情況誤差較小,與實(shí)際相符。

    由圖7-c可知,在鴨生活的平面上,由于鴨舍長(zhǎng)度較長(zhǎng),鴨舍后部的氣溫普遍高于前部,氣流從入口進(jìn)入后開始衰減,所帶來的溫降甚至未達(dá)到鴨舍中間部分就從13℃升至17℃,其次由于鴨舍較長(zhǎng),2臺(tái)風(fēng)機(jī)距離較近導(dǎo)致了進(jìn)風(fēng)后氣流的擴(kuò)散性不佳,而中后部?jī)H有小窗的開啟為一小塊區(qū)域提供了微小的溫降。圖7-b也說明了相同情況,鴨舍靠近進(jìn)風(fēng)口位置的部分溫度較后半部分要小得多,由于圖7-b是網(wǎng)床平面S2的情況,鴨子本身產(chǎn)生體熱,所以普遍溫度均比圖7-c高一些。圖7-a中S1平面是在鴨舍中間的料管平面,由于S1平面已經(jīng)高于進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)的高度,所以進(jìn)風(fēng)處的溫度就已經(jīng)達(dá)到了15℃。由圖7-d可知,在鴨生活的平面上,由于僅有單側(cè)進(jìn)風(fēng),且鴨舍長(zhǎng)度較長(zhǎng),鴨舍后部氣流幾乎沒有流動(dòng)性,氣流從入口進(jìn)入后開始衰減,還未到達(dá)中部就降到了0.6m/s以下。在這種情況下,鴨舍內(nèi)產(chǎn)生的CO2和NH3等污染性氣體很難排出,為得到更好的生活環(huán)境,鴨會(huì)自發(fā)地向鴨舍空氣流動(dòng)性好的地方聚集,而一旦造成聚集,則必然會(huì)降低氣流在右前方的流動(dòng)性,這樣一來,舍內(nèi)僅有的氣流流動(dòng)性好的區(qū)域也被破壞。

    3.6氣流組織優(yōu)化

    由于原模型兩側(cè)的通風(fēng)小窗對(duì)稱布置,因此會(huì)導(dǎo)致鴨舍內(nèi)各部分的氣流對(duì)沖而產(chǎn)生氣流指標(biāo)紊亂,鴨舍左右兩側(cè)氣流均僅在出口處受壓力產(chǎn)生流動(dòng)性,但這樣的壓力不足以使氣流向全域擴(kuò)散。而78m長(zhǎng)的鴨舍僅在一側(cè)用風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng),是無法使氣流在其速度衰減至幾乎不計(jì)前擴(kuò)散至鴨舍后部的,除非使用超大功率風(fēng)機(jī),但超大功率風(fēng)機(jī)不僅費(fèi)電,成本增加,且產(chǎn)生噪聲會(huì)使鴨產(chǎn)生應(yīng)激,影響鴨健康生長(zhǎng)。同時(shí),如此長(zhǎng)的鴨舍依靠南北兩側(cè)的每側(cè)通風(fēng)小窗出風(fēng)也有些捉襟見肘,由圖7-d可知,鴨舍后部南北兩側(cè)除通風(fēng)小窗的位置附近均是氣流低速區(qū)域,流速低至0.1m/s。因此,為讓鴨舍內(nèi)的氣流組織更加均勻,使鴨能在更加適宜的環(huán)境下生長(zhǎng),使鴨舍內(nèi)的溫度更加適宜,在對(duì)原來的鴨舍模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)后利用FLUENT再次進(jìn)行了仿真,對(duì)鴨舍前部單側(cè)通風(fēng)模式進(jìn)行優(yōu)化,增加后部的通風(fēng)面積30%,且將入口速度調(diào)整為3.5m/s。左右兩側(cè)的通風(fēng)小窗從中間向兩邊以面積重疊60%對(duì)稱布置。

    優(yōu)化后S1、S2、S3的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)見圖9。由圖9-a可知,優(yōu)化后的S1平面,即鴨生活區(qū)域的上方,整體溫度均維持在14~24℃,符合引言部分所述。而大多數(shù)生活區(qū)域溫度均維持在15.6~17.6℃之間,為鴨提供了適宜的溫度保障。由圖9-b可知,在鴨腳底下的網(wǎng)床平面,由于處于進(jìn)風(fēng)平面內(nèi),前后部溫度在12~14℃之間,且中間的區(qū)域有1/2處于14~18℃之間,提示由地面生物墊料所散發(fā)的熱量上升至網(wǎng)床平面時(shí),經(jīng)換熱,這些低溫會(huì)被中和,直到鴨生活平面S3平面(圖9-c),溫度整體升高至18~22℃,是一個(gè)適宜鴨生長(zhǎng)的溫度??傮w上來說,優(yōu)化后的通風(fēng)策略為鴨舍帶來了更適宜的溫度環(huán)境。

    將修改通風(fēng)策略后的氣流場(chǎng)模擬結(jié)果與原氣流場(chǎng)比照,由圖9-d可知,優(yōu)化后鴨舍后部氣流流速明顯增加,且鴨舍左右兩側(cè)的氣流流動(dòng)性也大大加強(qiáng),整個(gè)鴨舍的中后部氣流速度<0.4m/s的區(qū)域較優(yōu)化前減少了1/2以上。在鴨生活平面,風(fēng)速達(dá)0.6m/s區(qū)域也比優(yōu)化前增加了2/3左右。這樣風(fēng)速在合理范圍內(nèi)的提高加快了舍內(nèi)污染物排除,提高與新鮮空氣交換的速率,從而提高了舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。但除開鴨舍四角的非生活區(qū)域外,舍內(nèi)中間靠右后方仍有一部分空間的空氣流動(dòng)<0.4m/s,由于鴨舍過長(zhǎng)縱向的長(zhǎng)度,若繼續(xù)增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,則必定犧牲舍內(nèi)溫度,從而無法達(dá)到較好溫度效果。

    為對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鴨舍內(nèi)部氣流場(chǎng)均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià),引入氣流不均勻性系數(shù)

    式中:vh為高度為h平面上的平均氣流速度,m/s;vi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)氣流速度,m/s;n為測(cè)點(diǎn)數(shù);Ih為高度為h平面上的氣流不均勻性系數(shù),Ih值越小,氣流分布的均勻性越好。

    由以上數(shù)據(jù)計(jì)算得到原結(jié)構(gòu)下鴨舍的S1、S2、S3平面的溫度不均勻系數(shù)分別為0.09、0.04、0.05,均勻性良好。但鴨生活平面氣流速度不均勻性系數(shù)為1.28;優(yōu)化后鴨生活平面的氣流不均勻性系數(shù)為0.19,氣流均勻性較優(yōu)化前的氣流均勻性提升了85%。

    4討論

    本研究對(duì)如何提高鴨舍內(nèi)空氣質(zhì)量和提供適宜的溫度進(jìn)行了研究,通過改變通風(fēng)策略來改變鴨舍內(nèi)環(huán)境。通過計(jì)算可知舍內(nèi)氣流風(fēng)速和溫度的不均勻系數(shù)降低至0.2以下,達(dá)較好的通風(fēng)預(yù)期目標(biāo)。

    但由于鴨舍過長(zhǎng)這本身的客觀因素限制,舍內(nèi)仍有一些區(qū)域的氣流速度低于0.2m/s,在兼顧鴨舍適宜溫度的前提下,后期可考慮在舍內(nèi)增加導(dǎo)風(fēng)裝置引導(dǎo)氣流向低速區(qū)域流動(dòng),這樣增加室內(nèi)流動(dòng)性的方法在很多建筑案例中均有應(yīng)用。姚家君等通過在鵝舍的主梁下安裝卷膜來做氣流導(dǎo)向,有效提高鵝的活動(dòng)區(qū)域氣流的均勻性和氣流速度[19]。He等發(fā)現(xiàn),增加氣孔是幫助室內(nèi)溫度均勻分布的關(guān)鍵因素[20]。但在本研究中,迫于成本與舍內(nèi)結(jié)構(gòu)等因素,并未考慮增加導(dǎo)流裝置,后續(xù)將展開相關(guān)研究。

    5結(jié)論

    本研究測(cè)試了發(fā)酵床網(wǎng)上養(yǎng)殖肉鴨舍初春季節(jié)環(huán)境參數(shù)變化,構(gòu)建了鴨舍的CFD模型,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步優(yōu)化鴨舍的氣流組織,使用增開通風(fēng)風(fēng)機(jī),小窗部分對(duì)稱布置的方式來優(yōu)化鴨舍內(nèi)的氣流,提高了鴨舍內(nèi)氣流組織的均勻性和肉鴨的生活質(zhì)量,并將鴨生活區(qū)域的溫度控制在合理范圍內(nèi)。

    (1)測(cè)試期間,鴨舍內(nèi)氣溫9.34~23.77℃,舍內(nèi)外平均溫差6.75℃,在春季氣溫逐漸升高,供試?guó)喩岜3至溯^好的溫濕度性能;舍內(nèi)平均空氣相對(duì)濕度80.66%,低于舍外,鴨舍內(nèi)部相對(duì)濕度波動(dòng)相較于舍外更加穩(wěn)定,保持干燥的同時(shí)減少了細(xì)菌等微生物的孳生,有利于肉鴨的健康生長(zhǎng)。

    (2)為提高模擬的準(zhǔn)確性,對(duì)溫度和風(fēng)速進(jìn)行了模擬仿真,并提取仿真結(jié)果中S1、S2、S3的溫度場(chǎng)與氣流場(chǎng)與試驗(yàn)所測(cè)得的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,平均相對(duì)誤差為3.58%~4.07%。此相對(duì)誤差的數(shù)值不大,模擬仿真值在很大程度上比較準(zhǔn)確地反映了試驗(yàn)過程中鴨舍內(nèi)氣流速度的變化趨勢(shì),說明本研究所采用的模擬方法能經(jīng)得住實(shí)際檢驗(yàn),為后續(xù)鴨舍內(nèi)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真研究提供了有力保證。

    (3)模擬發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后模型的S1、S2、S3溫度范圍分別為12.87~28.03℃、10.13~27.16℃、12.98~24.41℃。優(yōu)化后模型S1、S2、S3的平均風(fēng)速分別為0.62、0.66、0.56m/s,且較原模型更加均勻。

    本研究建立了發(fā)酵床網(wǎng)上養(yǎng)殖肉鴨舍的三維模型,可為今后類似鴨舍的通風(fēng)方式及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持和參考依據(jù)。

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