北方寒冷地區豬舍通風流場模擬研究

王鵬鵬，王春光，宣傳忠，宗哲英，季 邦，靳 敏

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

在內蒙古等北方寒冷地區，保溫和通風是養豬場管理的主要任務，且溫度和氣流是影響豬只熱舒適度和養殖經濟效益的重要因素[1]。豬舍內有害氣體濃度超標將會導致豬體免疫力下降,影響豬只的生產性能[2-3]，而通風能夠帶走豬舍內大量的有害氣體，使其舍內濃度降低，為豬舍內帶來更多的氧氣[4],但也會帶走豬舍內大量的溫度，因此合理的通風方式是保障生豬健康生活的前提。在確定通風方式前，不確定因素多，受干擾程度大[5]，只有先進行模擬分析，再進行豬舍的建立及后期的實地驗證，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，利用計算流體力學(CFD)可視化技術呈現出流體速度場、溫度場[7]，分析通風狀況下的氣流分布，從而選取最佳的通風設計,更精確地模擬流體的變化特性,是一種可靠、精準的新方法,具有較好的應用前景[8-10]。景文淵利用CFD軟件對豬舍5種不同開窗方式下的氣流場進行模擬研究發現：開窗方式相同時，開口率越大越有助于自然通風[11]。佟國紅等利用CFD軟件對豬舍的氣流進行三維穩態模擬，將模擬值與實地測量值進行對比，發現相對誤差在0.4%～11.4%之間[12]。林加勇等通過利用CFD對豬舍進行了全漏風地板公豬舍濕簾蒸發降溫效果及內環境分布規律的研究，為豬舍的改造提供了理論依據[13]。鄧書輝基于CFD技術確定了開放式牛舍擾流風機的安裝參數，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氣流場和溫度場的分布，結果表明減少入口面積可以使豬舍內氣流場均勻[15]；Sun等對豬舍進行二維建模模擬最小通風條件下豬舍內氣流和氨氣濃度的分布，結果表明湍流模型比層流模型更接近實測值[16]。

以上研究未對北方寒冷地區進行分析，因而本文針對北方寒冷地區豬舍保溫和通風等問題進行分析對比優化研究。通過CFD軟件模擬橫向和縱向兩種通風模式下豬舍內氣流場、溫度場的變化，研究適合北方寒冷地區的通風方式，并進行了實地驗證，提出了豬舍內氣流組織的優化方案，為豬舍內最佳的通風方式設計提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與方法

在內蒙古農業大學科技園區母豬舍實驗基地，進行模擬數值的分析驗證。科技園區位于內蒙古包頭市薩拉齊(110.5°E，40.5°N)，是典型的北方寒冷地區，晝夜溫差大，冬季溫度低。豬舍選取地勢較高區域，保障豬舍順暢的通風[17]，總建筑面積290.83m3，內有1個觀覽室及兩個存儲室，放置雜物及設備。豬舍采用輕鋼結構和磚混結構[18],內部有吊頂。為增加保溫效果，墻體含有保溫層，內部尺寸為24m(長)×8.6m(寬)×2.4m(高)，如圖1所示。內部安裝臥床，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50mm×50mm的窗戶，南墻有7個50mm×80mm的窗戶，臥床距離地面200mm。

圖1 母豬舍外部和內部照片

1.2 豬舍和豬只建模

研究橫向通風與縱向通風兩種方式下豬舍內部溫度場、氣流場，豬舍內部養殖了24頭母豬，小豬仔不考慮，進行豬舍建模。由于臥床南北兩側鐵板對氣流有所阻擋，將其設為不透風處理，且進行絕熱處理；不考慮限位欄欄桿等對風速、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軟件進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 豬舍和豬只三維圖

網格尺寸是影響計算機時耗和流場因子精度的關鍵參數,網格質量也影響著計算精度與計算效率[19-20]。利用非結構化網格，對橫向與縱向通風兩種模擬中的網格進行劃分，網格質量較高。

1.3 數學模型

對于任何復雜的湍流流動，N-S方程均適用， 流體運動以及換熱控制方程如下：

連續方程(質量守恒方程)的表達式為

(1)

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

(2)

動量守恒方程表達式為

(3)

其中，p為靜壓力；τij是應力矢量；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)，可以推導出在x、y、z這3個不同方向的動量守恒方程，表達式為

(4)

(5)

(6)

其中，p為對應二階應力張量；s為對稱張量；u、v、w分別為速度適量u在x、y、z方向的分量。

能量守恒方程表達式為

(7)

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

1.4 邊界設定

根據體重和體積的關系，估測豬體密度為1 100kg/m3[17],比熱設定為3 500J/(kg·k),導熱系數設置為0.464W/(m·k)[21-22],生豬體溫設定為38℃，進口風速為1.5m/s，溫度為-10℃，墻體等其他位置設置為不導熱狀態，采用k-Epsilon中RNG模型，利用SIMPLE算法進行三位穩態模擬研究。在兩種通風模式下，將進風口設定為victory-inlet，出風口設定為outflow，除生豬外其他部分均為wall。

2 模擬分析

對于橫向通風與縱向通風兩種通風方式，應保證兩種方式下在豬舍內的進風量相同，做到可以同等條件下對比。豬舍氣流出入口參數如表1所示。

表1 空氣出入口參數

根據表1的數據，對兩種不同通風方式進行了模擬對比。豬舍氣流場速度流線圖和矢量圖模擬圖如圖3所示。

圖3 豬舍氣流場模擬圖

由圖3可以看出：橫向通風時，氣流在一側的7個窗口進入，另一側7個窗口流出，豬舍橫向距離比較小；由于風壓原因，在豬舍內部形成了7個主氣流，但是由于母豬臥床擋板等的作用，氣流發生一部分的發散現象，且在進風口附近均形成了渦流現象，在靠近出風口附近速度較大。縱向通風時，氣流從兩側的窗口進入，在豬舍內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，舍內氣流平均速度較大，并且在進風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 豬舍溫度場模擬圖

通過對比兩種通風方式在同一截面處溫度云圖發現：橫向通風時，在x=-7.75m截面云圖中，靠近出口處溫度較高，冷空氣在進風口進入后吹向出口時，由于擋板阻擋了一部分冷空氣，再加上豬舍內生豬為唯一熱源，對其進行加熱，流向出口時溫度略微升高。縱向通風時，在x=-7.75m截面，氣流從進風口進入，由于渦流及其截面后空氣流動的影響，溫度在渦流中心處相對較高，靠近邊墻處小部分位置最高。對比兩種通風方式y=-0.1m截面可以發現：橫向通風時，每個豬舍臥床上方溫度基本一致，并且隨著氣流場形成的7股主氣流溫度云圖也展現出7股主溫度；縱向通風時進風口附近溫度較低，隨著氣流的流動及生豬的產熱加溫，溫度逐漸升高，在出口處溫度最高。綜合比較橫向通風與縱向通風兩種通風模式發現：橫向通風較縱向通風氣流均勻性差、死角多、排污能力差，但橫向通風風速阻力大，保溫效果強。考慮到我國北方寒冷地區晝夜溫差大，冬季寒冷且持續時間長，建議在母豬舍通風時采取橫向通風加溫方式，以保證生豬健康成長。

3 試驗驗證

通過對兩種通風模式的模擬對比，在我國北方寒冷地區分娩母豬舍建議采取橫向通風方式，為驗證數值模擬與實地測量值的誤差大小，在試驗場地對其進行驗證測試。

3.1 現場測試

豬舍采取橫向自然通風，多以西北風為主，以北窗窗口作為進風口，南窗窗口作為出風口。風速測點布置如圖5所示。風速測量儀選用美國TSI-9565-p智能熱線式風速測量儀，儀器尺寸9.7cm×21.1cm×5.3cm，量程0.01～50m/s，精度為讀數的3%，分辨率為0.01m/s。

圖5 豬舍驗證測量點

3.2 模擬結果驗證

為了驗證模擬數值的準確性，選取ZX平面上y=-0.2mm的等高面上21個點的測試值與模擬值進行比對，如圖6所示。圖6中，21個測量點3次實際測量值與模擬值相對誤差分別為9.44%、12.23%、15.72%，相對誤差的平均值為12.46%，說明模擬與實測吻合度較高。

4 氣流分析

在豬舍內的空氣流場中主要問題是大部分氣流在豬舍上部流動，對于生豬的附近氣流流動較小。參考民用建筑氣流分布性能的評價標準[23],利用以下公式來計算氣流不均勻性系數，即

(8)

(9)

其中，vh為高h平面的氣流平均速度(m/s)；vi為第i個測量點速度值(m/s)；n為測量點數量；Jh為高h平面的氣流不均勻系數，數值越大，不均系數越大。

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

圖6 測點實際值與模擬值對比

圖7 不同擋板數優化模擬氣流圖Fig.7 Optimize simulated airflow graphs with different baffles

通過橫向通風氣流場的模擬圖發現：大部分氣流主要集中于豬舍上部。為此，采取在豬舍內加置擋板的優化方案，將其上方氣流進行阻斷繞流，從而提高豬舍y=-0.2m平面上的氣流均勻性。

數據對比發現：在1個擋板情況下，雖然速度增大比較顯著，但氣流的均勻性卻在降低，故此種優化不符合條件。當加置2個擋風板后，速度增大55.6%，不均勻系數降低33.9%，但相對加置3擋風板速度不均系數降低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的標準；盡管豬舍內存在少量速度超過0.25m/s，但是那些角落距離生豬較遠，因此可以考慮加置3個擋風板來提高豬舍y=-0.2m平面的氣流均勻性。

5 結論

1)對于縱向通風與橫向通風兩種豬舍通風方式，通過對氣流場、溫度場的模擬發現：縱向通風時，隨著空氣的流動，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，風速越大；橫向通風時，舍內形成的主氣流在靠近出口處由于擋板作用氣流發生分散現象，對于溫度來說在臥床內溫度比較穩定。橫向通風較縱向通風死角較多，排污能力差，舍內速度值較小；但溫度較平均，變化不大，適合北方冬季保溫。

2)通過對實地橫向通風豬舍內氣流場的模擬發現：大部分氣流在豬舍上部，生豬活動區域氣流速度較小，不利于有害氣體以及污染物的排出。

3)通過數值模擬優化對比發現：加置3個擋風板后，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)通過對模擬值與實際測量值的對比發現：相對平均誤差為12.46%，模擬值與測量值有很好的符合程度，說明該模擬可靠。