基于計算流體力學的雞舍三維數值模型的建立與驗證

楊禮 ，杜龍環，胡陳明，鄭煒超，朱洪強，蔣小松，余春林，楊朝武*

（1.四川大恒家禽育種有限公司，四川 成都 610066；2.四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065；3.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100833；4.成都晟興牧業機械有限公司，四川 成都 611230；5.四川省畜牧科學研究院動物遺傳育種四川省重點實驗室，四川 成都 610066）

舍內溫度、濕度、空氣質量及氣流組織模式等環境因子直接或間接影響家禽的生長和生產性能的發揮［1-2］。在影響禽舍內環境的因素中起關鍵作用的是通風模式，其同時也是執行舍內環境調控的主要手段。近年來，隨著電腦技術的不斷發展，計算流體動力學（CFD）已在歐美國家廣泛應用［3］。包括雞舍設計、舍內環境參數評估、通風模式優化等研究主題均可在CFD 模型上實現建模并快速完成模擬得到最優結論。本研究以實際的全環控密閉雞舍為模擬對象，利用CFD技術開展三維數值建模工作，構建了1∶1試驗模型，并通過現場定點測量驗證了該數值模型的可靠性，以期為開展雞舍環境控制及通風模式優化研究提供新的技術手段。

1 雞舍氣流和溫濕度的現場測定

1.1 試驗雞舍 本研究CFD 建模對象為全環控密閉雞舍，長40 m、寬9.2 m，屋頂安裝雙層彩鋼吊頂，高度2.5 m。該雞舍采用縱向通風模式，進風口位于雞舍一端兩側并配有濕簾降溫裝置，3 臺風機位于雞舍另一端。雞舍安裝有數十個側墻小窗，但試驗過程中小窗始終處于關閉狀態。舍內總計4 列雞籠，每列3 層，共計飼養約3 500 只雞。入風口處安裝有導流板并預設35°傾角。

1.2 試驗儀器 舍內溫度、相對濕度和風速采用多功能風速儀TSI 9454 測量。風速量程為0～30 m/s，精度為±0.015 m/s，分辨率為0.01；溫度量程為-10 ℃～60 ℃，精度為±0.3 ℃，分辨率為0.1；相對濕度量程為0%～99%，分辨率為0.1。舍內墻面、地面及屋頂溫度使用手持式紅外溫度儀測量，精度為1%或±1.0 。

1.3 測量方式 舍內環境參數測量點位分布于舍內15 個地方，每個地方測量兩個高度：0.8 m（第一層雞的高度）和1.8 m（第三層雞的高度），總計測量30個點位。每個點位測量時長為50 s，采樣頻率為1 Hz。對于各壁面溫度，在雞舍前、中、后多點采樣，平均值用于數值模型初始化。本試驗測量過程中，僅開啟中間通風風機，其余兩個風機始終處于關閉狀態。試驗前后檢測入風口風速及室外溫度，未發現明顯差異。

1.4 數據處理與模型驗證 將現場測量數據用Excel 2010 軟件建立數據庫進行統計分析，將實際測量結果與CFD 預測模擬結果采用相對誤差法進行檢驗。相對誤差法的公式如下：

其中，Cp為CFD 模型值，C0為實測值。通過檢驗比較模型準確性。

2 CFD模型構建

2.1 雞舍模型 本研究中，三維數值建模利用商業軟件Pointwise V17進行網格構建，數值求解使用商業軟件ANSYS Fluent 17.0。模型幾何尺寸包括入風口依照真實試驗雞舍尺寸。出風口（風機）簡化為1.27 m 直徑的圓形。由于雞舍真實有效空間由四周壁面、地面及吊頂構成，因此模型幾何外觀簡化為一個長方體。

2.2 多孔介質模型 鑒于現有計算機處理能力，在三維模型中無法對每只雞的幾何形態進行獨立構架，因此實際建模中不可避免地要進行簡化。多孔介質模型可以有效針對雞籠和雞構成的整體進行簡化模擬（忽略料槽、飲水系統等）。如下列公式②所示，其中等式右邊第一項為粘性損失，第二項為慣性損失。

其中ΔPi/ΔXi是在x、y、z三個方向上單位長度的壓降，單位為Pa·m-1；|ν|是速度大小，單位為m·s-1；D和C是預先設定的三個方向上的粘性、慣性阻力系數矩陣，單位分別為m-2和m-1；νj是三個方向的速度矢量，單位為m·s-1；μ是空氣的動力粘度，單位為N s·m-2；ρ是空氣密度，單位為kg·m-3。

從公式②可以看出，把雞籠及雞整體簡化為多孔介質模型，最重要的是需要知道正確的粘性（D）及慣性（C）阻力系數。本研究以Cheng等［4］在風洞實驗室實際測量的相關阻力系數為參考，同時基于多孔介質模型，雞的產熱量（THP）及產濕量（M0）可由下列公式③［5-6］和公式④［7］分別給出。其中雞群平均體重（M）經測量后大概為2.6 kg/只。

2.3 網格收斂性驗證 本試驗分別研究了四種網格細密度：網格A（90萬網格單元），網格B（170萬網格單元），網格C（320 萬網格單元），網格D（550萬網格單元）。在相同位置選取三個模擬采樣點來檢驗每種網格密度的網格收斂性，采用Roache P［8］報道的網格收斂性指標（GCI）進行對比。綜合考慮后選取網格C 進行模型可行性驗證。

2.4 模型邊界條件 本研究中模型邊界條件的設定和初始化均基于真實試驗條件和現場測定結果，其中屋頂、地面及四周壁面的初始溫度見表1。非滑移面條件下，設定靠近壁面的流速為0 m·s-1。表1顯示入口處空氣相對濕度高達98%左右，主要是由于濕簾降溫導致。試驗前后均進行了室外參數測定，未發現明顯變化，室外平均溫度為25.2 ℃，平均相對濕度為62%。模型中入風口設定為速度進口，出風口設定為壓力出口。

表1 用于模型初始化的各參數實測值

2.5 湍流模型選取及其他設定 本模型求解過程中考慮到流體旋轉、邊界層分離及流體回流等因素，選取Realizable κ-ε湍流模型進行求解計算。本模型中壁面參數y*介于30～300 之間，因此選取標準壁面函數求解。其他參數詳見表2。

表2 CFD模型基本參數設定

3 結果與分析

將雞舍30個點位的溫度、濕度以及風速的現場實測值與CFD 三維模型模擬值進行相對誤差檢驗，結果分別見表3、表4和表5。

3.1 溫度 舍內溫度模擬值和實測值的平均相對誤差為3.30%。由表3 可以看出，30 個測量點位中，有22 個測量點位的溫度絕對誤差是小于1 ℃的；同時，30 個點位中有25 個點位的相對誤差小于5%。以上結果證明CFD模型能很好地模擬雞舍舍內溫度的分布。

表3 溫度CFD模擬值與現場測量值的誤差及相對誤差

表4 相對濕度CFD模擬值與現場測量值的誤差及相對誤差

表5 空氣速度CFD模擬值與現場測量值的誤差及相對誤差

3.2 相對濕度 舍內相對濕度的模擬值和實測值的平均相對誤差為4.46%。在30 個測量點位中，所有點位的相對誤差均小于10%，同時有18個點位的相對誤差小于5%。從表4 可以看出，絕大多數點位的模擬值均小于現場測量值，同時出現誤差最大的地方是雞舍后部點位16～24 處，可能的原因是CFD 模型雖然考慮了雞的散濕，但糞便中的水分蒸發并未在模型中體現。從以上數據可以看出，CFD 模型能夠很好地模擬雞舍舍內濕度的分布，與試驗測量值差異不大。

3.3 空氣速度 舍內空氣速度的模擬值和實測值的平均相對誤差為5.85%。最大絕對誤差發生在測量點4，大小為0.086 m·s-1（E=11.4%）。測量點4 位于雞舍前端進風口附近，由于來自左右進風口的兩股氣流在雞舍中間碰撞及混合，導致了氣流在此處相對不均勻，因此該處的模擬值與實測值有較大的誤差。在30 個測量點位中，有27個點位的相對誤差小于10%，15個點位的相對誤差小于5%。以上結果充分證明CFD模型可以很好地模擬雞舍內部空氣的流動情況。

4 結論

本研究運用CFD 技術搭建了全環控密閉雞舍的三維數值模型，基于實際測量數據對模型初始邊界條件進行了設定。通過現場試驗測量了雞舍內部30 個點位的環境參數（包括溫度、濕度及風速），并與CFD 模型預測值進行了對比。通過對絕對誤差及相對誤差等指標的比較，同時考慮到實際雞舍內氣流組織的復雜性，充分證明本研究搭建的CFD 模型可以很好地模擬雞舍內部環境參數的分布情況，可用于舍內環境的進一步優化模擬。