兩種通風模式下的畜禽養殖場所內環境場模擬研究

摘 要：農村禽畜的生存環境對畜禽健康和生產性能的影響很大。其生存環境一般由空氣的溫度、濕度、氣流速度和太陽輻射等溫熱因素綜合而成。畜禽養殖場所內的空氣流動狀況對畜禽生存環境有重大影響，并且直接影響其他因素作用的發揮。該文利用計算流體力學的方法分析了在風機進口走廊出口條件下畜禽養殖場所內的速度場和溫度場的分布情況，并著重對比了兩種通風模式下的環境場內的狀況。研究結果將為禽畜養殖場所的通風設計提供理論依據和指導。

關鍵詞：計算流體動力學 畜禽 養殖場所 環境模擬 兩種通風模式

中圖分類號：U463.65+1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-00-03

影響農村畜禽健康和生產性能的因素很多，既有品種、飼料和防疫問題等因素，也有生存環境問題等因素。當品種、飼料和防疫問題基本解決以后，禽畜的生存環境對畜禽健康和生產性能將起到決定作用。禽畜的生存環境一般由空氣的溫度、濕度、氣流（風）速度和太陽輻射等溫熱因素綜合而成。文獻[1]指出當環境溫度達到32 ℃以上時，雞會發育緩慢，產蛋率下降，蛋殼變薄易碎，甚至死亡。文獻[2]指出氣流對家禽健康的影響，主要出現在寒冷的環境下，低溫高速氣流進入畜禽養殖場所，易于使畜禽發生關節炎、神經炎、肌肉炎等，甚至引起凍傷。在以上眾多因素中，通風換氣是第一要素。文獻[3]指出通風換氣不僅可以在高溫的夏季通過加大氣流促使畜禽的散熱使其感到舒適，以緩解高溫對家禽的不良影響，還可以防止養殖場所內潮濕，保障場所內空氣清新，改善畜禽養殖場所內的環境質量。畜禽養殖場所內通常采用機械通風方式進行場所內的通風換氣。因此，如何合理的為畜禽養殖場所設計機械通風系統，如何采用合理的方法預測畜禽養殖場所內的環境狀態，保證畜禽養殖場所內的環境狀況滿足畜禽生產和健康的要求，就顯得非常重要。

計算流體動力學是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析，它可以得到在某種條件下的流場各個位置上的物理量，以及這些物理量隨時間的變化。該文采用計算流體動力學的方法對兩種通風模式下養豬場所內的流場進行模擬，利用得到的氣流場以及溫度場等數據評價養殖場所內通風條件是否符合要求，以期望進一步對通風系統進行優化。

1 畜禽養殖場所物理模型

選擇桐廬農村某種豬場的養殖場所為研究對象，其物理模型尺寸及邊界條件均為實際測量參數。種豬養殖場所內空間尺寸為：5 m（長）×4 m（寬）×4.6 m（高），其中走廊空間尺寸為1 m（長）×4 m（寬）×4.6 m（高）。由于豬欄為柵欄形式，欄高0.8 m，柵欄之間縫隙很大。在一側墻上裝有1臺風機，風機直徑為0.85 m，5葉片，輪轂直徑為0.61 m，風機位于墻面的正中心。豬舍底部設有1條排尿溝，截面尺寸為0.1 m×0.1 m。豬舍兩側墻上的窗戶尺寸均為0.1 m×0.1 m。兩種通風模式下養殖場所內的立體布置圖如圖1所示。

圖1 兩種通風模式下養殖場所內立體圖

在對養殖場所進行建模時，不可能將場所內的每一件物件都進行非常準確的建模，有的應該省略，有點應該適當簡化，其目的是為了降低建模和網格劃分難度，節省計算時間。故對該養殖場所做出如下省略及簡化：（1）由于豬舍內柵欄較低且縫隙很大，故在建模時省略。（2）豬體是豬舍內的主要熱源，對豬體進行合理的處理關系到養殖場所內氣流場和溫度場模擬的準確性。由于豬體是不規則形狀，且在場所內為運動狀態，故該文直接假定豬舍內的兩面墻為發熱源。（3）由于養殖場所內的窗戶與走廊相比可以近似忽略不計，故在建模時忽略了窗戶的

影響。

2 模型的網格劃分

物理模型建立完成以后，需要對模型進行網格劃分。整個流體區域被劃分為5個區域，進口區、出口區、風扇區、豬舍區、走廊區。該文假定風機入口為進口區，走廊一端出口為出口區。在風扇區采用四面體Tgrid網格，在其他區域采用六面體Cooper網格，在場所內四壁建立Inflated Boundary，這些表面上的Maximum Thickness設置為0.01 m。整個模型的網格總數在220萬以上。

3 計算方法及邊界條件

考慮到養殖場所內機械通風時，場所內氣流狀態保持穩定狀態，故該文選擇定常計算進行模擬。定常模擬主要方程選用三維雷諾平均守恒型Navier-Stokes 方程。

模擬計算采用不可壓分離式求解器（Segregated）隱式方案，采用RNG k-ε模型進行湍流模擬。在豬舍墻壁周圍，粘性流體的速度滿足無滑移條件，即相對壁面速度為零。壁面設置為豬的體溫，豬體壁面溫度為38 ℃，發熱方式為輻射發熱。計算域的入口假定為風機入口，設定為流量入口。該文選定流量為0.03 kg/s。出口假定為走廊一端口，設定為壓力出口。該文選定出口壓力為大氣壓。由于豬舍的流體均為空氣，故設置為理想氣體。

4 結果分析

4.1 速度場分析

圖3顯示了兩種通風模式下養殖場所流場區域子午面的流線圖，從圖中可以看出，空氣由于風機的負壓作用進入豬舍，風機橫向模式下在豬舍靠近入口墻壁的兩個較大區域形成旋渦，而后再流向走廊一端出口。風機縱向模式下在豬舍整個流場區域有很多漩渦，氣流脈動更加劇烈，通風效果更加明顯。有利于種豬的散熱，從而有利于健康及生產。圖4顯示了兩種通風模式下養殖場所流場區域子午面的速度云圖，從圖中可以看出，高速氣流在風機縱向通風模式下比在橫向通風模式下分布更廣，橫向通風模式下的高速氣流主要分布在風機出口附近，而縱向通風模式下的高速氣流主要分布在風機出口以及豬舍的中心區域，最大風速可達到6.09 m/s。

4.2 溫度場分析

圖5顯示了兩種通風模式下養殖場所流場區域子午面的溫度場云圖，從圖中可以看出，除了兩側墻壁設定溫度為38 ℃以外，其他區域溫度都要低于38 ℃，且靠近風機的流場區域的溫度場明顯低于其他區域，最低溫度為30 ℃，這是由于風機的散熱所導致的。從靠近墻壁截面的溫度場也能得出相似的結論。橫向通風模式下風機進口附近的溫度明顯低于其他區域，且分布有明顯的梯度，而縱向通風模式下養殖場所內的溫度明顯低于橫向通風模式。

5 結語

畜禽養殖場所內的環境對畜禽的健康以及生產的影響很大，而通風換氣對于養殖場所內的環境最為關鍵。該文通過對某種豬養殖場所內的環境進行數值模擬，得到以下結論：

（1）在養殖場所內，橫向通風模式下的氣流在靠近風機兩側的墻壁附近有明顯的旋渦，而縱向通風模式下的氣流在整個場所內都可以看到很多明顯的漩渦。

（2）高速氣流在風機縱向通風模式下比在橫向通風模式下分布更廣，橫向通風模式下的高速氣流主要分布在風機出口附近，而縱向通風模式下的高速氣流主要分布在風機出口以及豬舍的中心區域，最大風速可達到6.09m/s。

（3）除了兩側墻壁設定溫度為38 ℃以外，其他區域溫度都要低于38 ℃，且靠近風機的流場區域的溫度場明顯低于其他區域，最低溫度為30 ℃。橫向通風模式下風機進口附近的溫度明顯低于其他區域，且分布有明顯的梯度，而縱向通風模式下養殖場所內的溫度明顯低于橫向通風

模式。

綜合以上結論，由此可判斷縱向通風模式更適合該養殖場所的通風條件。

參考文獻

[1] 韓華，劉繼軍，馬宗虎.計算流體力學在畜舍中的研究現狀與進展[J].中國畜牧雜志，2007，43（11）：38-40.

[2] 佟國紅，李保明.用CFD方法模擬日光溫室溫度環境初探[J].農業工程學報，2007，23（7）：178-185.

[3] 佟國紅，張國強.豬舍內氣流變化的模擬研究[J].沈陽農業大學學報，2007，38（3）：379-382.