改善大型雞舍空氣質(zhì)量的探討

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(哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力與工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

現(xiàn)代化大型雞舍多采用高密度飼養(yǎng)，雞舍內(nèi)容易產(chǎn)生氨氣、硫化氫 、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等有害氣體[1]。此外，還有少量的有機(jī)酸、含硫化合物、胺、吲哚等有害物質(zhì)。這些物質(zhì)主要由雞的糞便、飼料殘?jiān)?、墊草等物質(zhì)腐敗后分解產(chǎn)生、雞的呼吸及其體表面散發(fā)形成的。氨氣無(wú)色，但具有強(qiáng)烈的刺激性，舍內(nèi)氨氣常溶解或吸附于潮濕的地面、墻表及家禽的黏膜上，引起既角膜、結(jié)膜炎癥，雞因無(wú)法睜眼導(dǎo)致攝食量下降，吸入肺部，會(huì)引起呼吸道黏膜充血、紅腫，分泌物增多，甚至肺部充血，降低免疫力，使發(fā)病率增加[2]。

雞舍內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)是為了保證舍內(nèi)的溫度[3]、相對(duì)濕度及有害氣體的濃度在允許范圍內(nèi)，清除室內(nèi)多余的熱量、濕量、灰塵及氣味，同時(shí)，稀釋空氣中的細(xì)菌，滿足不同季節(jié)的不同溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速，適合不同生長(zhǎng)期和密度的家禽，使其能夠健康地成長(zhǎng)[4]。通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的大小直接影響雞舍通風(fēng)效果，若風(fēng)量過小，會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)不利，影響雞的生長(zhǎng)和質(zhì)量；風(fēng)量過大會(huì)使雞有吹風(fēng)感及費(fèi)用的增加。合理設(shè)置通風(fēng)口的入射角度、數(shù)量及大小，調(diào)整風(fēng)機(jī)的流量及開啟時(shí)間，在最短時(shí)間內(nèi)置換掉雞舍內(nèi)的有害氣體。

1 數(shù)學(xué)模型

實(shí)驗(yàn)雞舍占地面積為100×12.8 m，把整個(gè)雞舍的四分之一區(qū)域作為研究對(duì)象，模擬區(qū)域長(zhǎng)寬高分別為25×12.8×4.88 m。

圖1 通風(fēng)雞舍的數(shù)學(xué)模型

物理假設(shè)：(1)空氣為恒定流動(dòng)，即滿足方程[5]：

p=p(x,y,z)

ρ=ρ(x,y,z)

v=v(x,y,z)

(1)

(2)忽略雞舍的漏風(fēng)，滿足質(zhì)量守恒方程[6]，即：

(3)忽略浮生力，只考慮重力影響，伯努利方程[5]簡(jiǎn)化為：

(3)

(4)流動(dòng)滿足動(dòng)量方程[5]：

∑F=ρqv(α02v2-α01v1)

(4)

數(shù)學(xué)求解：因?yàn)槔字Z數(shù)

Re=7 000>2 340

所以流動(dòng)屬于湍流狀態(tài)，求解這類問題要運(yùn)用三維非穩(wěn)態(tài)的N-S方程[7]：

(5)

2 改變風(fēng)機(jī)流量對(duì)大空間空氣質(zhì)量的影響

采用一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，一個(gè)出風(fēng)口的通風(fēng)方式，入口直徑d1=0.60m，圓心距離地面的高度為h1=1.80m，出口直徑d2=0.90m，圓心距離地面的高度d2=0.90m，圓心在同一個(gè)y～z平面上，分析流場(chǎng)效果圖時(shí)，僅有平行于地面x-y平面上的流場(chǎng)效果比較直觀，因此，對(duì)此平面進(jìn)行著重分析，比較流量分別為60m3、90m3和150m3時(shí)的流場(chǎng)流動(dòng)情況。

圖1 流量為60 m3速度分布云圖

圖2 流量為90 m3速度分布云圖

圖3 流量為150 m3速度分布云圖

圖1-圖3為三種不同流量情況下的速度云圖。比較這三種不同流量的x～y平面圖，由于空氣具有粘性的原因，從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的空氣在周圍空氣的影響下，氣流外圍受到場(chǎng)內(nèi)空氣的干擾會(huì)發(fā)生流線方向的改變，最后到達(dá)出風(fēng)口時(shí)垂直于進(jìn)風(fēng)口軸線上的氣流面積大于出風(fēng)口的面積 ，因此從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的空氣在流經(jīng)整個(gè)區(qū)域后，一部分在出風(fēng)口被抽出，另一部分會(huì)沿著邊界向四處流動(dòng)，這就是在整個(gè)區(qū)域內(nèi)形成渦流以及形成C、D、E、F、G、H區(qū)域的原因。比較圖1～圖3可以發(fā)現(xiàn)，軸線發(fā)生了橫向偏移，而且方向不固定，60m3與90m3流量的流場(chǎng)偏移方向相反，150m3流量的流場(chǎng)偏移較小。流量越大，偏移的角度越小，從低流量到高流量這種偏移的趨勢(shì)在減小。由于軸流線的偏轉(zhuǎn)，形成了兩個(gè)能量不同的渦流，使整個(gè)模擬區(qū)域左右兩側(cè)的氣流組織造成很大的差別[9]。

3 改變?nèi)肟谌肷浣嵌葘?duì)大空間空氣品質(zhì)的影響

采用二個(gè)進(jìn)風(fēng)口，一個(gè)出風(fēng)口的通風(fēng)方式，入口間距為6.0m，入口直徑d1=0.60m，圓心距離地面的高度為h1=1.80m，出口直徑d2=0.90m，圓心距離地面的高度d2=0.90m，出口流量90m3， 二個(gè)入口流量平均為45m3。入射氣流沿水平方向，分別取入射角度為45°、60°和75°進(jìn)行分析。圖4-圖6為入口間距均為6.0m入射角不同速度矢量圖。

圖4 入射角45°入口間距6. 0 m速度矢量圖

圖5 入射角60°入口間距6. 0 m速度矢量圖

圖6 入射角75°入口間距6. 0 m速度矢量圖

圖4入射角度過小，氣流與壁面貼的太近，而且與左右邊界發(fā)生較直接的碰撞，從云圖中可以看出這造成能量的損失，使場(chǎng)內(nèi)中心部分的空氣流動(dòng)效果不好。圖5和圖6兩種入射角度的速度運(yùn)圖有些接近，但從速度場(chǎng)合速度云圖分析，還是75°的入射角度的速度場(chǎng)和速度云圖要好一些，速度高的區(qū)域覆蓋面積角度大些。

4 不同間距不同入口入射角度對(duì)大空間空氣品質(zhì)的影響

采用二個(gè)進(jìn)風(fēng)口，一個(gè)出風(fēng)口，入口直徑d1=0.60m，圓心距離地面的高度為h1=1.8m，出口直徑d2=0.90m，圓心距離地面的高度d2=0.90m，出口流量90m3，二個(gè)入口流量平均為45m3。 由于二個(gè)進(jìn)風(fēng)口組合射流的種類和角度較多，通過分析得知，為了使整個(gè)大空間的氣流流動(dòng)均勻，最好入射氣流平行于水平方向。由于組合過多，下面僅對(duì)具有典型性的入射角度和進(jìn)風(fēng)口間距的組合進(jìn)行分析。選取60°和75°兩個(gè)入射角度和進(jìn)風(fēng)口間距為3.0、6.0m。檢測(cè)面的高度選取z-x平面的入口圓心的高度。圖7-圖10分別為入射角度為60°和75°不同入口間距的速度矢量圖。

圖7 入口間距3.0 m入射角60°速度矢量圖

圖8 入口間距6.0 m入射角60°速度矢量圖

圖9 入口間距3.0 m入射角75°速度矢量圖

圖10 入口間距6.0 m入射角75°速度矢量圖

通過圖7-圖10的速度矢量圖分析比較，看出圖7和圖10兩種情況整個(gè)區(qū)域流場(chǎng)流動(dòng)均勻，比較合理。即入口間距為3.0m，入射氣流與墻壁的夾角(銳角)為60°的情況及入口間距為6.0m，入射氣流與墻壁的夾角(銳角)為75°，流場(chǎng)高速區(qū)域的覆蓋面積較大，整體流場(chǎng)的擾動(dòng)效果會(huì)相對(duì)好一些。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)風(fēng)機(jī)流量越大，流場(chǎng)越穩(wěn)定，排除有害氣體的時(shí)間越短，但風(fēng)機(jī)耗電大，可采用變頻風(fēng)機(jī)，既節(jié)省能源，又能在較短時(shí)間內(nèi)置換有害氣體。

(2)進(jìn)風(fēng)口入射角度的大小及進(jìn)風(fēng)口的間距直接影響整個(gè)流場(chǎng)的均勻性，通過比較得出，當(dāng)入口間距為3.0m，入射角為60°和入口間距為6.0m，入射角為75°時(shí)的流場(chǎng)覆蓋效果好，無(wú)死角，能及時(shí)清除舍內(nèi)的有害氣體，保證良好的空氣品質(zhì)。

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