基于CFD的冬季房舍式牛舍濕熱環境模擬及優化

摘要：為研究北方寒地房舍式牛舍風速場、溫度場和相對濕度場的分布規律，應用計算流體力學（CFD）方法，對冬季河北省承德市的房舍式牛舍的風速場、溫度場和相對濕度場進行三維數值模擬。結果表明：南北相對的兩個通風口在自然通風模式下，過道處風速在0.5～1.60 m/s之間，牛只活動區域風速基本保持在0～0.4 m/s之間，大部分區域風速在0.1 m/s以下，舍內氣流分布不均勻。牛舍內的平均溫度在10.7 ℃左右，牛只活動區域的相對濕度基本保持在50%～60%之間。在牛舍既有結構不變的情況下對牛舍通風口的位置和數量進行改進，優化通風方案后牛舍內風速在0.1～0.6 m/s之間，基本沒有通風死角。實測值與模擬值的歸一化均方誤差（NMSE）值小于0.25，說明現場實測與數值模擬有較好的吻合度，能夠為中國北方寒地房舍式牛舍環境情況評估和通風方案優化提供有益參考。

關鍵詞：計算流體力學；房舍式牛舍；濕熱環境；數值模擬；通風優化

中圖分類號：S823" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0069?08

Simulation and optimization of hot and humid environment

in winter house?type cowshed based on CFD

Li Jianli1， 2， Cheng Xue1， 2， Wang Juan1， 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding， 071001， China;

2. Hebei Key Laboratory Intelligent Equipment and New Energy Utilization of Livestock and Poultry Breeding， Baoding， 071001， China）

Abstract： In order to study the distribution law of wind speed， temperature and relative humidity field of the house?type cowshed in the cold region of north China， the computational fluid dynamics （CFD） method is used to simulate the wind speed， temperature and relative humidity of a house?type cowshed in Chengde， Hebei Province in winter. The simulation results show that under the natural ventilation mode， the wind speed in the passageway is 0.5-1.60 m/s， the wind speed in the cattle movement area is basically between 0-0.4 m/s， and the wind speed in most areas is below 0.1 m/s， and the air distribution in the cowshed is not uniform. The average temperature in the cowshed is about 10.7 ℃， and the relative humidity in the cattle movement area is basically kept 50%-60%. Under the condition that the existing structure of the cowshed remains unchanged， the position and number of the ventilation vents in the cowshed are improved. After the optimization of the ventilation scheme， the wind speed in the cattle barn is 0.1-0.6 m/s， and there is basically no dead angle of ventilation. The normalized mean square error （NMSE） values of the measured and simulated values are both less than 0.25， indicating that the field measurement has a good agreement with the numerical simulation. This study can provide useful reference for environmental assessment and ventilation scheme optimization of house?type cowsheds in cold regions of northern China.

Keywords： CFD; house?type cowshed; hot and humid environment; numerical simulation; ventilation optimization

0 引言

隨著畜牧業的規模化發展，畜禽舍環境質量越來越受到人們的重視。畜禽養殖場內氣流、溫度、濕度及各種氣體等直接影響畜禽日常行為、生長速度和免疫狀態[1?3]。牛舍環境質量的好壞直接關系到奶牛的身體健康與福利水平，也影響著奶牛的生產性能和牛奶品質[4， 5]。畜禽舍內的濕熱環境因子包括風速、溫度與相對濕度，畜禽個體熱舒適性是這三個熱環境因子的綜合效應[6， 7]。在中國北方寒地，冬季的牛舍內大多數都存在溫度低、濕度高以及空氣質量差等問題[8， 9]。

畜禽舍室內環境參數具有非線性、多輸入多輸出和呈動態變化等特點，導致難以進行控制。許多學者對此進行了研究，提出了微型氣候環境調控方法，如模糊控制、最優控制和預測控制等，MatLab和Ansys Fluent等仿真軟件也逐漸用于環境模型的建立[10]。李昊等[11]利用MatLab進行了畜禽舍環境模擬，但誤差較大。由于舍內環境的復雜性和動態性，建立有效的環境模型和穩定的控制算法已經成為環境預測模擬中的難點和關鍵點[12]。隨著計算機技術的發展，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）與畜禽舍環境監測相結合已經成為一項研究熱點[13]。許多學者[14?18]使用CFD對畜禽舍內氣流、溫濕度、二氧化碳、氨氣和甲烷等的分布情況進行了三維數值模擬。應用CFD技術可以大量節省測量時間和重復勞動，減少測量裝備，且得到的可視化云圖可以更好地了解畜禽舍的風速場、溫度場和相對濕度場的分布及擴散規律，幫助畜禽場工作人員更好地進行管理。CFD方法具有成本低、耗時短和更直觀等優點，應用越來越廣泛。

目前，國內基于CFD的畜禽舍內環境模擬的研究處于探索階段，主要集中在通風和溫度場研究中[19?21]。本文應用CFD方法，對冬季河北省承德市的房舍式牛舍的風速場、溫度場和相對濕度場進行三維數值模擬及優化，為中國北方寒地房舍式牛舍環境情況評估和通風方案優化提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍原型

試驗牛舍位于河北省承德市豐寧滿族自治縣，如圖1所示。牛舍內部長26 m、寬16 m、高3.5 m，呈南北走向，為典型的雙排式，牛舍內東西兩列布局對稱，每列有7個單元間，平均每個單元間內有7頭牛，中間為寬2 m的過道。在南墻和北墻中間位置分別為寬2 m高1.8 m的門，其上方0.2 m處分別有一個通風口，通風口為邊長1 m的矩形。

1.2 牛舍濕熱環境參數現場測量

該試驗時間為2021年10月19—29日的09∶00—12∶00，室外平均氣溫為7 ℃～9 ℃，相對濕度為40%左右，是冬季典型的溫濕度水平，期間牛舍內外環境的測量可以有效地評估牛舍環境的舒適性與合理性。本試驗采用熱敏式多功能風速—溫濕度測量儀（SW6086型，檢測限為0.01 m/s，0.1 ℃，0.1%）測量牛舍內的溫度、相對濕度和風速。采用紅外線測溫儀（SW309 S型，檢測限為0.1 ℃）測量牛舍建筑的內表面溫度和牛體表溫度。

牛舍的測量點位分布在豎直方向上如圖2（a）所示，在水平方向上如圖2（b）所示。圖2中圓點代表儀器測量點。豎直方向上的測量點位高度分別為[H=0.4] m（牛俯臥時的呼吸高度）、[H=1.2] m（牛正常的呼吸高度）和[H=1.6] m（牛場工人的呼吸高度）。在水平方向選取過道和西側均布的6個測量點（由于對稱性故只測量西側即可），即每個水平方向總共需要測量12個點的數據。每個測量點測3次取平均值，測量間隔為1 min。

2 CFD模型構建

2.1 計算域的選擇與網格劃分

使用SolidWorks 2017軟件進行牛舍三維幾何建模，如圖3所示。為了降低建模和網格劃分的難度，減少計算機的模擬時間，提高計算效率，在不影響模擬結果的情況下，根據查閱文獻[22]及前人經驗對試驗牛舍的物理建模進行如下簡化：（1）牛舍中的柵欄、欄桿式的限位欄等對溫度和有害氣體擴散的阻力極小，在建立模型時省略；牛舍門在大部分情況下都處于關閉狀態，對模擬結果影響很小，在建模時省略；（2）將不規則的牛只簡化為恒溫發熱的立方體模型；（3）忽略牛舍中墻體、屋頂、地板的厚度，同一側墻體不同位置的溫度視為相同。

使用ICEM CFD 15.0對牛舍三維模型進行網格劃分，劃分后的網格如圖4所示。整體的網格數量為2 964 931個，滿足網格的質量要求。

2.2 CFD數值模型的選擇

2.2.1 基本控制方程

牛舍內溫度相對變化不大，氣體流動緩慢，假設牛舍內的氣體是連續的、穩定的、不可壓縮的牛頓流體，則牛舍內氣體流動符合物理守恒定律，控制方程是物理守恒定律的數學描述。根據質量守恒方程（單位時間內流體微元體中質量的增加等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量）、動量守恒方程（微元體中流體動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和）、能量守恒方程（微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體積力與面積力對微元體所做的功）和組分守恒方程（系統內某種化學組分質量對時間的變化率，等于通過系統界面凈擴散流量與通過化學反應產生的該組分的生產率之和）構成了牛舍環境模擬的基本控制方程[23]，分別如式（1）～式（4）所示。

[?ρ?t+?（ρv）=Sm] （1）

式中： Sm——質量源，kg/m3；

ρ——密度，kg/m3；

t——時間，s；

v——速度，m/s。

[??t（ρv）+?（ρvv）=-?p+?（τ）+ρg+F] （2）

式中： p——壓力，Pa；

[τ] ——應力張量，Pa；

F——外力，N/m3；

g——重力加速度，m/s2。

[??t（ρE）+?[v（ρE+ρ）]=?[keff?T-jhjJj+（τv）]+Sh] （3）

式中： E——總能量，J；

keff——傳熱系數；

hj——比焓，J/kg；

Jj——擴散通量組分，kg/（m/s2）；

Sh——總熵，J/℃；

T——溫度，℃。

[?ρc?t+divρuc=divDsgradρc+S] （4）

式中： ρuc——該組分的體積濃度；

ρc——該組分的質量濃度；

Ds——該組分的擴散系數；

S——生產率，即系統內部單位時間內單位體積通過化學反應產生的該組分的質量。

2.2.2 湍流模型

綜合考量本文用到的軟件、硬件以及前人的研究經驗后，在牛舍的環境模擬與評估上選用適用性和精確性都比較高的重整化RNG k-ε湍流模型[23]，其中k方程和ε方程分別如式（5）、式（6）所示。

[??t（ρk）+??xi（ρkμi）=??xj（αkμeff?k?xj）+Gk+Gb-ρε-YM+Sk] （5）

[??t（ρε）+??xi（ρεμi）=??xj（αεμeff?ε?xj）+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k-Rε+Sε] （6）

式中： k——湍流動能，m2/s2；

ε——湍流耗散率，m2/s3；

xi、xj——i、j坐標；

μi——湍流黏度，Pa ? s；

μeff——有效黏度，Pa ? s；

[Gk]——平均速度梯度引起的湍流動能，kg/（m ? s2）；

[Gb]——浮力引起的湍流動能，kg/（m ? s2）；

[YM]——在可壓縮湍流中對整體耗散率的貢獻，kg/（m ? s2）；

[αk]——k的逆效普朗特常數；

[αε]——ε的逆效普朗特常數；

[Rε]、[C1ε]、[C2ε]、[C3ε]——常數；

[Sk]、[Sε]——用戶自定義源項。

2.3 邊界條件

在本次模擬過程中，試驗時外界溫度穩定，風速均勻，牛舍封閉性良好，故可以認為牛舍內環境是處于穩態的，選擇模擬狀態為穩態模擬；選擇重整化群RNG [k-ε]湍流模型；出入口、圍護結構和牛體表面的邊界條件設置如表1所示。

3 模擬結果分析

3.1 風速CFD模擬結果分析

在高度上分別選取H=0.4 m（牛俯臥時的呼吸高度）、H=1.2 m（牛正常的呼吸高度）和H=1.6 m（牛場工人的呼吸高度）進行研究。圖5為整個牛舍在這三個水平高度的風速分布云圖。

根據本次模擬結果來看，牛舍內風速場的風速范圍為0～1.60 m/s，最大風速位于進風口和整個過道處，由于氣流從進風口進入，首先流經整個過道，導致過道處的風速較大，在0.5～1.60 m/s之間。因此，建議可以多增加幾個通風口以改變現在的兩個通風口的通風模式，不僅可以提高通風效率還可以改善現在存在的通風不均勻的問題。而在牛只的活動區域內風速較為穩定，大部分風速在0～0.4 m/s之間，靠近通風口和過道處風速有所上升，牛只活動的各個單元間內風速并無太大差別，基本滿足牛只對冬季的通風需求。但是在牛只的活動區域內，存在氣流停滯不流通的情況，有較多的通風死角，不能及時交換新鮮的空氣，這對牛只生活的舒適度、身體健康程度和生產性能會產生不利影響。在冬季為牛只維持牛舍內的溫度時，會造成空氣質量下降的情況，因此，在冬季對牛舍采取保溫措施時，不僅要對強氣流進行阻擋，而且要保證牛舍內適時且合理的通風換氣，白天可以在保證牛舍內環境舒適的條件下適當提高氣流流速，在夜間要降低氣流流速以防寒保暖。

3.2 溫度CFD模擬結果分析

在北方寒冷的冬季中，牛舍內的溫度對于牛只的生產和健康極其重要。溫度過低會導致牛只的散熱速度過快，為了維持體溫，牛只需要進食更多的飼料以用于抵消產熱導致的能量消耗，不僅不能促進牛只的生長和發育，還會導致飼料的利用率降低。如圖6所示，從牛舍內溫度場的模擬結果來看，牛舍內的溫度范圍為4.2 ℃～24.5 ℃，在牛只的活動區域內，溫度范圍集中在11 ℃～24.5 ℃左右。由于牛只本身的呼吸作用和皮膚散熱作用，牛只周圍的溫度遠高于舍內其他區域，達到了24.5 ℃左右，舍內的溫度范圍基本滿足牛只對冬季環境溫度的需求。根據模擬結果可以發現，通風口處和過道處的溫度較低，比較風速分布云圖和溫度分布云圖，溫度的高低和風速的大小有顯著的關系，風速越高的地方溫度越低。因此，建議冬季時在通風口處加裝保溫簾，白天打開保溫簾，保證牛舍內的空氣流通并帶走多余的水汽，夜晚關閉保溫簾，降低氣流流速，保證舍內的溫暖。

3.3 相對濕度CFD模擬結果分析

圖7顯示了牛舍內相對濕度場的模擬結果，相對濕度范圍為35%～78%。雖然相對濕度范圍的差距比較大，但是牛只活動區域內的相對濕度比較穩定，在50%～60%之間，這是由于牛舍內的水汽主要來源于牛只的呼吸作用和地板上未及時清理干凈的糞尿。該范圍內的相對濕度基本滿足牛只對冬季牛舍內相對濕度的需求。在通風條件比較差的冬季，由于高度集約化的現代養殖模式，牛舍內的相對濕度普遍高于牛舍外，封閉且潮濕的環境更加適合微生物的繁殖，導致許多致病的微生物得以存活并傳播，如常見的流感病毒等，造成牛只的減產甚至是生病。有研究表明在舍內溫度為4 ℃時，使用合適的通風系統和具有較好保溫性能的建筑圍護結構可以有效地控制舍內濕度，在冬季為保障牛舍良好的環境條件，應該在提高建筑圍護結構的同時，增加一定量的通風[24]。

4 數值模擬結果驗證

4.1 牛舍濕熱環境現場測量參數分析

圖8分別顯示了圖2所示的過道和西側（牛舍內東西結構對稱，故只分析一側即可）測量點處的風速、溫度和相對濕度的實測值，分析數據的測量點位高度為[H=0.4] m（牛俯臥時的呼吸高度）、[H=1.2] m（牛正常的呼吸高度）和[H=1.6] m（牛場工人的呼吸高度）處。

如圖8（a）所示，西側處的風速明顯小于過道處，這是由于通風口位置正對過道。由于牛舍中的氣流流向為由南向北，風速由南到北主要呈遞減趨勢。通風口的高度為2 m，所以過道處的風速在1.6 m高度最大，在0.4 m高度最小。西側處風速在0.2～0.45 m/s之間波動，風速變化不大氣流平穩。總體來說牛舍內的整體氣流趨勢平穩，無較大波動。圖8（b）顯示了牛舍過道處和西側處的溫度測量值。牛舍內最低溫度處位于過道最南側，為8.8 ℃，因為此處靠近通風口，外界氣流流入牛舍，氣流流動帶走了部分熱量；最高溫度位于西側，為12.4 ℃，可知西側處溫度均高于過道處，這是由于過道正對通風口風速較大，而西側氣流更為穩定。圖8（c）為牛舍內過道處和西側處的相對濕度測量值，測得相對濕度范圍為38%～55%。過道處南側相對濕度測量值最低為38%，這是由于此處靠近通風口，風速快湍流強度大，會帶走大量空氣中的水分，導致此處相對濕度較小，并且和其他測量點的測量值差異較大。因為過道處的風速值比西側處的風速值大，所以過道處的相對濕度要小于西側處。總體來說，牛只活動區域內的風速平均值為0.35 m/s，溫度為10.7 ℃，相對濕度為38%～55%，均處于合理的范圍內，基本滿足牛只對冬季通風和保暖的需求。

4.2 模擬結果可靠性分析

對于CFD模擬當其歸一化均方誤差（NMSE）值小于0.25時，可以認為本次模擬的計算精度是合理的，計算如式（7）所示[24]。

[NMSE=Cs-Cm2CsvCmv] （7）

式中： [Cs]——模擬值；

[Cm]——實測值；

[Csv]——模擬值的平均值；

[Cmv]——實測值的平均值。

本次CFD模擬的NMSE值如表2所示。在水平高度[H=1.2] m（牛正常的呼吸高度）處西側和過道的風速、溫度和相對濕度值的模擬值與實測值的對比如圖9所示。NMSE值均小于0.25，故可以認為模擬值和實測值沒有較大差異，模擬得到的結果在可接受的范圍內，即可說明該CFD濕熱環境模擬模型是合理且可行的。

5 牛舍優化設計

5.1 改進方案

由于在第3節中分析了該密閉牛舍通風方案存在的缺點，如氣流流速分布不均勻，氣流流速在過道處較大，而在牛只活動區域氣流流速較緩慢，導致空氣交換速率較慢，存在的通風死區較多，濕度較大等。這些問題會降低牛舍環境質量，影響牛只生活的健康度與舒適度。所以為了牛只的福利養殖，需要對牛舍進行優化設計，改進通風方案。考慮到通風口位置對氣流的影響，氣流大部分集中在過道處流通未經過牛只，于是將原本位于南北墻的通風口移至東西墻，改為距地面1.25 m均勻分布的邊長為1 m的4個通風口，如圖10所示。建模步驟，網格劃分和邊界條件設置與原來保持一致。

5.2 優化效果分析

5.2.1 風速場優化效果

經過分析處理，模擬結果選擇牛舍模型在高度為0.4 m水平面作為比較面。牛舍原始通風方式存在較多的通風死角，牛只活動區域的通風死區面積較大，通風換氣不及時。由圖11可知，改進通風方案后的通風情況與原始的通風情況相比，有明顯的優勢與提升。在靠近西墻入風口處風速較大，達到0.7～1.5 m/s，但在牛舍內其他區域，整體氣流流速較為均勻，風速在0.1～0.6 m/s之間，基本沒有通風死角，牛體對氣流的阻礙作用明顯降低，通風換氣效果良好。然而改進通風方案后的牛舍雖然氣流均勻，但牛只活動區域的風速較之前相比有所增加，容易造成牛只的體溫流失。所以增加通風小窗可以有效提高牛舍內氣體交換效率，改善空氣質量，但是也會造成舍內溫度的降低，要注意提高對牛只的保暖措施。

5.2.2 溫度場優化效果

在冬季對整個牛舍來說，最主要的目的就是防寒保暖，保持牛只的體溫。同樣選擇牛舍模型在高度為0.4 m的水平面作為比較面，通過溫度場云圖來比較和分析兩種通風方案，如圖12所示。

由圖12可知，改進通風方案之后牛舍的整體環境溫度分布均勻，只在通風口附近風速較大處的溫度略低于整體溫度，可以改善原始通風方案存在的局部溫度過低的問題。牛舍內平均溫度在10 ℃左右，整體環境較為舒適，滿足牛只對冬季牛舍溫度的要求。

5.2.3 相對濕度場優化效果

相對濕度場的比較也選擇牛舍模型在高度為0.4 m的水平面，如圖13所示，改進通風方案后牛舍內整體相對濕度保持在40%～55%，較原始通風方案來說有所降低。在靠近通風口的位置風速較大，會帶走大量水蒸氣，所以相對濕度較低，在37%左右。總體來說，牛舍內的相對濕度分布均勻，沒有相對濕度過大的通風死角，牛舍內的環境較為舒適，滿足牛只對冬季牛舍的相對濕度的要求。

6 結論

1） 牛舍內的溫度和相對濕度參數與風速參數相關，風速越大，溫度越低，相對濕度越低。模擬結果表明：南北相對的兩個通風口自然通風的通風模式，過道處風速在0.5～1.60 m/s之間，牛只活動區域的風速基本保持在0～0.4 m/s之間，大部分區域風速在0.1 m/s以下，舍內氣流分布不均勻。牛舍內的平均溫度在10.7 ℃左右，牛只活動區域的相對濕度基本保持在50%～60%之間。該牛舍在冬季的空間結構較為緊密，通風情況較好，牛舍內的牛只活動區域氣流流速、溫度和相對濕度基本可以保證牛只在冬季對牛舍環境通風和保暖的需求。

2） CFD模擬得到的數值與實際測量得到的數值比較接近，NMSE值遠小于0.25，在可以接受的范圍內，說明現場實測與數值模擬有較好的吻合度。

3） 優化通風方案后牛舍內整體風速在0.1～0.6 m/s之間，改進通風方案牛舍模型CFD模擬得到的風速、溫度和相對濕度在牛舍中整體分布均勻，無明顯通風死角，優于原始通風方案，故該研究可為中國北方寒地房舍式牛舍環境情況評估和通風方案優化提供參考。

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（下轉第 81頁）

（上接第 75頁）

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