基于鵝舍氣流場(chǎng)CFD模擬的通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

姚家君，郭彬彬，丁為民，邵西兵，施振旦

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基于鵝舍氣流場(chǎng)CFD模擬的通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

姚家君1，郭彬彬1，丁為民1※，邵西兵3，施振旦2

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031；2. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，南京 210014；3. 常州市陽湖鵝業(yè)專業(yè)合作社，常州 213101）

針對(duì)鵝舍內(nèi)機(jī)械通風(fēng)時(shí)大量氣流擴(kuò)散于鵝舍上方而位于地面鵝只通風(fēng)效果受阻的氣流問題，提出一種基于計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。通過在舍內(nèi)主梁下端安裝相同高度且與氣流方向呈一定傾角的多個(gè)可拉伸卷膜構(gòu)造方法，提高種鵝舍內(nèi)有效的通風(fēng)效率。依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)邊界條件，構(gòu)建并求解了鵝舍的三維穩(wěn)態(tài)模型，舍內(nèi)40個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速模擬值與實(shí)測(cè)值均方根誤差為0.152 m/s，最大絕對(duì)誤差為0.29 m/s，平均相對(duì)誤差為2.04%，驗(yàn)證了建立的鵝舍CFD模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)不同優(yōu)化方案數(shù)值模擬了27組不同改造后鵝舍內(nèi)氣流場(chǎng)分布情況，仿真得出最優(yōu)組合方案：在42 m長(zhǎng)的舍內(nèi)安裝卷膜個(gè)數(shù)為10個(gè)，卷膜與主梁豎直方向傾斜角度為60o以及卷膜最大下拉高度為1.2 m時(shí)舍內(nèi)通風(fēng)效率最高、氣流分布最均勻。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)比改造前后40個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值，試驗(yàn)結(jié)果表明：改造后鵝舍較常規(guī)鵝舍平均風(fēng)速增加0.527 m/s,舍內(nèi)氣流不均勻系數(shù)降低32.2%。該試驗(yàn)結(jié)果為種鵝舍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、同類型畜禽舍結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及改善通風(fēng)降溫效果調(diào)控提供了一定的參考依據(jù)。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）；優(yōu)化；流場(chǎng)；鵝舍；卷膜構(gòu)造；通風(fēng)效果；數(shù)值模擬

0 引 言

近年種鵝生產(chǎn)的新發(fā)展是開展夏季反季節(jié)繁殖生產(chǎn)，這需要建造能夠遮蔽陽光采用機(jī)械通風(fēng)濕簾降溫的現(xiàn)代化種鵝舍。鵝舍內(nèi)大多采用濕簾-風(fēng)機(jī)負(fù)壓通風(fēng)模式，鵝舍建筑總的要求是陽光充足、空氣流通、干燥防潮，同時(shí)要考慮建在擁有水源、地勢(shì)較高而又有一定坡度的地方[1-2]。氣流速度對(duì)畜禽的熱調(diào)節(jié)，生產(chǎn)力和健康都能產(chǎn)生影響。通風(fēng)換氣不僅可以在炎熱的夏季通過加大氣流促使動(dòng)物散熱使其感到舒適，以緩解熱應(yīng)激的不良影響，還可以有效排除舍內(nèi)的污濁空氣、粉塵、病原微生物和有毒有害氣體，防止舍內(nèi)潮濕，保障舍內(nèi)空氣清新，改善畜禽舍的環(huán)境質(zhì)量[3-5]。與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的數(shù)值模擬是研究氣流場(chǎng)分布的有效手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)將CFD技術(shù)廣泛用于對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境模擬研究[6-10]。國(guó)內(nèi)將CFD技術(shù)應(yīng)用到畜舍中的研究起步較晚，李文良等[11]數(shù)值模擬了密閉式雞舍縱向通風(fēng)，探討進(jìn)風(fēng)口門安裝高度、開啟角度以及進(jìn)風(fēng)速度對(duì)舍內(nèi)氣流分布影響。賀城等[12]CFX模擬了不同圍欄高度豬舍內(nèi)氣流場(chǎng)，并進(jìn)行了比較分析。佟國(guó)紅等[13]對(duì)豬舍氣流場(chǎng)進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬，分析了氣流入口處不同紊流動(dòng)能及擴(kuò)散率取值對(duì)室內(nèi)測(cè)試參考點(diǎn)氣流速度模擬值的影響。鄧書輝等[14]運(yùn)用CFD對(duì)低屋面橫向通風(fēng)牛舍氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過模擬對(duì)牛舍進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。與國(guó)內(nèi)相比，CFD技術(shù)在畜禽舍環(huán)境調(diào)控應(yīng)用方面，國(guó)外開展的相對(duì)較早。Bartzanas等[15]學(xué)者進(jìn)行了針對(duì)4種常見的CFD湍流模型在畜禽舍和溫室內(nèi)氣流分布模擬中應(yīng)用的研究。Bjerg等[16]采用CFD)研究了不同入口模型對(duì)畜禽舍內(nèi)氣流分布的影響。Norton等[17]采用CFD技術(shù)對(duì)一個(gè)自然通風(fēng)的牛舍通風(fēng)效率進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)對(duì)不同高度的屋檐開口對(duì)舍內(nèi)通風(fēng)造成的差異進(jìn)行了比較。Blanes-Vidal等[18]開展了關(guān)于雞舍內(nèi)不同的邊界條件對(duì)CFD模擬精確度影響的研究。Kic等[19]采用Fluent CFD軟件對(duì)夏季和冬季肉雞舍內(nèi)的通風(fēng)進(jìn)行了模擬, 并比較了二維和三維模擬的精確度，得出了三維模擬的精確度要高于二維模擬。韓國(guó)的Mostafa等[20]設(shè)計(jì)通風(fēng)管道系統(tǒng)用于寒冷冬季肉雞舍內(nèi)空間加溫，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)舍內(nèi)內(nèi)環(huán)境變化進(jìn)行模擬。同年，Seo等[21]采用CFD模擬豬舍內(nèi)部熱環(huán)境，通過密封豬舍入口和減小入口面積有效改善舍內(nèi)熱均勻性。Zajicek等[22]也做了關(guān)于畜禽舍通風(fēng)優(yōu)化相關(guān)模擬，并認(rèn)為采用CFD模擬技術(shù)來優(yōu)化現(xiàn)有畜禽舍通風(fēng)狀況的方法是有效可行的。與豬、牛等相比，鵝具有更高敏感性特點(diǎn)，要求有較大的活動(dòng)空間[23]。針對(duì)目前高密度養(yǎng)殖鵝舍出現(xiàn)的種種疾病問題，高效節(jié)能的通風(fēng)換氣是鵝舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控的重要指標(biāo)。

本文基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)用SolidWorks軟件建立鵝舍的三維模型，將模型導(dǎo)入Fluent中通過CFD數(shù)值模擬了鵝舍內(nèi)氣流場(chǎng)分布與速度大小，對(duì)鵝舍內(nèi)機(jī)械通風(fēng)時(shí)位于舍內(nèi)下方氣流速度低且分布不均勻的問題，提出了舍內(nèi)梁下添加卷膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。且通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析對(duì)比改造前后鵝舍內(nèi)氣流速度及分布均勻度的變化情況。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文中模擬的種鵝舍位于江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)陽湖鵝業(yè)專業(yè)合作社。鵝舍坐北朝南，長(zhǎng)42 m，寬14 m，檐口高3 m，屋脊高4.2 m，鵝舍上部建筑體系為輕型鋼結(jié)構(gòu)，外墻和屋面采用75 mm厚彩鋼聚苯乙烯夾芯板。由于種鵝反季節(jié)繁殖的需要，在鵝舍南北兩側(cè)墻建有總長(zhǎng)約36 m、高約1.44 m的卷簾進(jìn)風(fēng)口，在需要遮閉陽光時(shí)放下卷簾，而平時(shí)則卷上卷簾利于空氣進(jìn)出鵝舍內(nèi)通風(fēng)換氣。鵝舍東山墻均布4臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)葉輪直徑1 380 mm，理論風(fēng)量44 500 m3/h，西山墻安裝高1.6 m、長(zhǎng)12 m的濕簾，舍內(nèi)等間距布置10個(gè)主梁，北側(cè)靠近風(fēng)機(jī)端裝有長(zhǎng)12 m，內(nèi)徑20 cm×20 cm的水槽，見圖1所示。

圖1試驗(yàn)種鵝舍

1.2 試驗(yàn)方法

鵝舍風(fēng)速測(cè)定試驗(yàn)于2016年4月16日至28日。位于鵝舍內(nèi)下方，鵝體約距地面0.5 m高度的位置，故該高度平面氣流的風(fēng)速大小及分布均勻度是評(píng)判鵝舍內(nèi)環(huán)境的重要指標(biāo)。在舍內(nèi)等間距構(gòu)造的主梁下端，縱向位置從風(fēng)機(jī)到濕簾處等間距布置10個(gè)點(diǎn)且橫向位置均布4個(gè)點(diǎn)，共40個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體布點(diǎn)如圖2所示。選用手持式SMART數(shù)字風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速，測(cè)量范圍0.1～45 m/s，測(cè)量誤差±3%±0.1 dgt。舍外氣象參數(shù)測(cè)試采用便攜式小型自動(dòng)氣象站，架設(shè)在鵝舍屋頂上方，可測(cè)量的參數(shù)包括空氣溫度?20～50 ℃（±0.5 ℃）、空氣相對(duì)濕度0～100%(±3%)、風(fēng)速0～45 m/s(±1.1 m/s)、輻射：0～1 280 W/m2(±5%)，傳感器每120 s自動(dòng)儲(chǔ)存1次測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)量方法：先開啟4臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，關(guān)閉舍門10～15 min,使舍內(nèi)空氣狀態(tài)處于穩(wěn)態(tài)。15 min后，在距地面0.5 m上方測(cè)量如圖2所示的40個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣流速度，為減少誤差，每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。在整個(gè)測(cè)量過程中舍門保持關(guān)閉狀態(tài)。

2 CFD建模與仿真

2.1 鵝舍模型建立

流體流動(dòng)需要滿足的三大基本定律是質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，如果流動(dòng)包含不同組分的混合，則系統(tǒng)需滿足組分守恒定律[24]。該模擬中不考慮通風(fēng)過程中的能量交換和組分變化，由于鵝舍內(nèi)空氣流動(dòng)較慢，且溫度變化相對(duì)不大，故將空氣簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的湍流流動(dòng)。鵝舍內(nèi)濕簾-風(fēng)機(jī)所安裝位置決定舍內(nèi)氣流場(chǎng)的變化主要體現(xiàn)在縱向通風(fēng)上，運(yùn)用SolidWorks軟件建立與實(shí)體建筑尺寸等比例模型，忽略鵝舍內(nèi)立柱，水槽及食槽等對(duì)氣流影響。同時(shí)，由于鵝的高度敏感性特征，大量鵝來回走動(dòng)位置不固定性導(dǎo)致在實(shí)測(cè)中極大影響了舍內(nèi)氣流穩(wěn)定性，不能將其簡(jiǎn)化為固定模型，故在實(shí)測(cè)及模擬中均不考慮鵝的存在。幾何模型建立如下圖3所示。

2.2 輻射模型

在夏季，太陽輻射是影響鵝舍內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)輻射換熱情況選用離散坐標(biāo)的輻射模型，采用FLUENT太陽射線追蹤（solar ray tracing）方法，按照地理位置和鵝舍方位設(shè)置主要參數(shù)：E119o8′，N31o56′，時(shí)區(qū)為+8，北方方位為[1,0,0]，東方方位為[0,0,1]。

2.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

濕簾-風(fēng)機(jī)的負(fù)壓通風(fēng)鵝舍，CFD模型采用標(biāo)準(zhǔn)兩方程的湍流模型[25-26]，近壁面區(qū)域則通過標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來處理。將整個(gè)流體區(qū)域定義為Regions，在這個(gè)區(qū)域上設(shè)定風(fēng)機(jī)處為速度出口（outlet）邊界條件,濕簾處為壓力入口（inlet）邊界條件，鵝舍的頂部和四周維護(hù)以及地面均采用壁面（wall）邊界條件來處理。模擬參數(shù)值均由實(shí)測(cè)所得，其中風(fēng)機(jī)處風(fēng)速測(cè)定方法為在每臺(tái)風(fēng)機(jī)橫縱向均布3個(gè)點(diǎn)，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用手持式SMART數(shù)字風(fēng)速計(jì)測(cè)定9個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速值，由于所測(cè)9個(gè)點(diǎn)風(fēng)速值相近，最終取9個(gè)點(diǎn)風(fēng)速值的平均值作為該臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速值。參數(shù)具體設(shè)置如表1所示。

表1 模擬參數(shù)表

2.4 網(wǎng)格劃分

忽略鵝舍內(nèi)立柱，水槽及食槽等對(duì)氣流影響，選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（網(wǎng)格類型為Trig）對(duì)鵝舍整體進(jìn)行離散劃分。整個(gè)鵝舍模型體網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)設(shè)置為0.25 m，在舍內(nèi)四壁表面建立Inflated Boundary，定義體網(wǎng)格層數(shù)為5，幾何膨脹系數(shù)為1.2，考慮到濕簾入口和風(fēng)機(jī)出口處的復(fù)雜流動(dòng)情況，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密。經(jīng)網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)，縱向通風(fēng)的鵝舍模型網(wǎng)格劃分中，節(jié)點(diǎn)數(shù)為306 123，單元數(shù)為1 288 471。經(jīng)網(wǎng)格檢查發(fā)現(xiàn)，最大網(wǎng)格扭曲率為 0.84，而92.6%的網(wǎng)格單元的尺寸扭曲率小于0.63，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好，滿足后續(xù)仿真要求。

3 CFD仿真結(jié)果與驗(yàn)證

3.1 CFD仿真結(jié)果

本次模擬仿真采用穩(wěn)態(tài)方法求解控制方程，數(shù)值計(jì)算采用二階迎風(fēng)格式的有限體積法，壓力與速度耦合的動(dòng)量方程，采用SIMPLE算法，迭代采用自適應(yīng)步長(zhǎng)，經(jīng)過約156個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)定，計(jì)算仿真結(jié)果如下圖4所示。

圖4a、b為試驗(yàn)鵝舍高度方向（軸）2個(gè)水平截面上的氣流速度云圖，即=0.5和1.6 m。對(duì)比2個(gè)不同高度的截面圖，從圖中可以觀察到=1.6 m平面上整體氣流速度較大，且從氣流入口到出口變化緩和；而近地面（=0.5 m）大部分區(qū)域氣流速度小于0.4 m/s，且氣流分布不均勻。由于鵝自身高度較矮，所接觸到氣流明顯較少，同時(shí)鵝所在位置不同所獲得氣流量也不同。

圖4c為試驗(yàn)鵝舍橫向（軸）上2個(gè)風(fēng)機(jī)中間軸線橫截面的氣流速度云圖，即＝―2.5和―9 m。從圖4c上可以觀察到鵝舍垂直方向上存在著明顯的速度梯度變化，濕簾入口和風(fēng)機(jī)出口處為高風(fēng)速，且變化較為劇烈，氣流從濕簾入口處有明顯的上升趨勢(shì)；風(fēng)速由出入口向鵝舍內(nèi)部逐漸減弱，鵝舍中間位置的下方較大區(qū)域呈現(xiàn)低速區(qū)，約0.2 m/s，不足以滿足高密度養(yǎng)殖鵝舍生長(zhǎng)所需環(huán)境要求。

3.2 CFD模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的鵝舍仿真模型計(jì)算結(jié)果的正確性和可靠性，在鵝舍內(nèi)如圖2布點(diǎn)測(cè)量，將鵝舍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的實(shí)測(cè)值與其仿真模擬值進(jìn)行比較，圖5為實(shí)測(cè)值與其仿真模擬值對(duì)比結(jié)果；各測(cè)點(diǎn)模擬值和實(shí)測(cè)值風(fēng)速的均方根誤差RMSB為0.152 m/s，最大絕對(duì)誤差為0.29 m/s，平均相對(duì)誤差為2.04%，從圖5中可得氣流速度的實(shí)測(cè)值與模擬值存在一定的偏差，但整體的氣流場(chǎng)分布情況及變化趨勢(shì)較為一致。說明本模擬中的模型建立滿足模擬要求、網(wǎng)格劃分適中，邊界條件取值合理，標(biāo)準(zhǔn)湍流模型適用于鵝舍流場(chǎng)的模擬，可得所建立的CFD模型是有效的，可用于后續(xù)對(duì)鵝舍構(gòu)造改變及提高舍內(nèi)通風(fēng)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與仿真值比較

4 增強(qiáng)鵝舍內(nèi)通風(fēng)性能的新型構(gòu)造

鵝舍內(nèi)濕簾與風(fēng)機(jī)的高度要遠(yuǎn)高于鵝體本身的高度，當(dāng)舍內(nèi)機(jī)械通風(fēng)時(shí)，大量氣流擴(kuò)散于上空，使得鵝舍內(nèi)有效的通風(fēng)降溫效率下降，氣流通過鵝體表面較少。針對(duì)鵝舍內(nèi)存在的問題，為提高鵝舍內(nèi)部通風(fēng)降溫效率，本文提出一種增強(qiáng)通風(fēng)性能的新型鵝舍結(jié)構(gòu)，該新型鵝舍在常規(guī)鵝舍結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在舍內(nèi)主梁下端安裝相同高度及傾斜角度的多個(gè)可拉伸卷膜。卷膜可根據(jù)季節(jié)的變換及鵝舍內(nèi)環(huán)境要求調(diào)節(jié)不同拉伸高度，也可收起。當(dāng)鵝舍內(nèi)機(jī)械通風(fēng)時(shí)，通過下拉卷膜改變舍內(nèi)氣體流向，讓更多氣流從卷膜底端以下的位置流過，增加位于鵝舍下部位置鵝體周圍的氣流量，從而提高鵝舍內(nèi)通風(fēng)降溫效率。

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

以江蘇省常州市陽湖鵝業(yè)專業(yè)合作社的其中一棟種鵝舍為例，其舍內(nèi)等間距布置10個(gè)主梁，本研究設(shè)計(jì)通過添加3個(gè)、5個(gè)和10個(gè)3種個(gè)數(shù)的卷膜來考慮增添卷膜個(gè)數(shù)的不同對(duì)于室內(nèi)阻擋氣流流向的影響。模擬仿真發(fā)現(xiàn)，卷膜最大可拉伸高度的不同會(huì)引起舍內(nèi)氣流產(chǎn)生不同程度的渦流，同時(shí)考慮到濕簾最高端距離主梁下端高度為1.2 m，故將卷膜下拉最大高度劃分為1.0 、1.2 以及1.4 m三擋進(jìn)行模擬對(duì)比。除此之外，為了減小氣流產(chǎn)生的渦流程度及分布不均勻現(xiàn)象，提出將卷膜與主梁豎直方向傾斜一定角度，考慮到舍內(nèi)原本構(gòu)造以及2個(gè)主梁的間距，將傾斜角度分為0、30°及60°三擋來研究卷膜安裝不同傾斜角度對(duì)舍內(nèi)通風(fēng)效果的影響。綜上所述，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)舍內(nèi)增添卷膜個(gè)數(shù)、卷膜最大下拉高度和卷膜安裝傾斜角度三因素的不同取值，共分出3×3×3種組合方案來模擬研究舍內(nèi)氣流場(chǎng)的情況，從中對(duì)比得出最優(yōu)的配置方案。

4.2 優(yōu)化模擬分析

從圖4可得：常規(guī)鵝舍機(jī)械通風(fēng)時(shí)，氣流從濕簾處進(jìn)入，隨后大量氣流上移，使得舍內(nèi)出現(xiàn)下方氣流量少且分布不均勻現(xiàn)象，到達(dá)風(fēng)機(jī)處氣流速度明顯提高。故通過在舍內(nèi)添加卷膜構(gòu)造提高舍內(nèi)氣流量且減少氣流分布不均勻現(xiàn)象即視為方案有效。參照民用建筑氣流分布性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[27]，引入如式（1）、（2）所示氣流不均勻性系數(shù)：

（1）

式中V為高度為平面上的平均氣流速度，m/s；V為第個(gè)測(cè)點(diǎn)氣流速度，m/s；為測(cè)點(diǎn)數(shù)；J為高度為平面上的氣流不均勻性系數(shù)，J值越小，氣流分布的均勻越好。

通過如下表2所示的27組不同卷膜構(gòu)造方式下仿真試驗(yàn)，提取如圖2位置處的40個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣流不均勻系數(shù)0.5，可見，不同構(gòu)造方式對(duì)舍內(nèi)氣流分布均勻性影響差異較大。

表2 不同構(gòu)造組合

圖6為在=―5.5 m位置處，安裝高=1.2 m，卷膜傾斜角度為=60o且分別添加3個(gè)、5個(gè)及10個(gè)卷膜的氣流速度分布云圖，從圖中觀察可得：較常規(guī)鵝舍氣流分布相比，通過添加卷膜結(jié)構(gòu)能夠有效改變舍內(nèi)氣體流向，對(duì)比得出10個(gè)傾斜卷膜的構(gòu)造使得整個(gè)舍內(nèi)位于下方鵝體密集處氣流量增大且分布更均勻；結(jié)合不均勻系數(shù)（表2）得到優(yōu)選方案為第24組方案，即增添卷膜個(gè)數(shù)為10個(gè)，卷膜安裝傾斜角度60o以及卷膜最大下拉高度為1.2 m時(shí)舍內(nèi)通風(fēng)效果最佳，氣流分布更均勻。

注：θ為安裝傾斜角，h為安裝高度，w為卷膜個(gè)數(shù)。

4.3 改造后鵝舍舍內(nèi)氣流速度對(duì)比研究

依據(jù)上述仿真模擬結(jié)果的最優(yōu)構(gòu)造設(shè)計(jì)，在鵝舍等間距的10個(gè)主梁上均安裝與豎直方向傾斜角度60°，垂直高度為1.2 m的黑色PET卷膜，卷膜厚度為0.25 mm，如圖7所示。在外界不同氣候條件下，分別對(duì)常規(guī)鵝舍及改造后鵝舍內(nèi)40個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行3次測(cè)量對(duì)比，圖8為每個(gè)測(cè)點(diǎn)3次測(cè)量均值的對(duì)比結(jié)果，改造后鵝舍較常規(guī)鵝舍平均風(fēng)速增加0.527 m/s，舍內(nèi)氣流不均勻系數(shù)降低32.2%，說明改造后的鵝舍能夠有效提高位于下方鵝密集處的氣流量及氣流速度，同時(shí)氣流分布不均勻系數(shù)的大量降低使得舍內(nèi)氣流死角處明顯減少，給予高密度養(yǎng)殖鵝舍更有利的生存環(huán)境。

5 討 論

本研究對(duì)如何提高鵝舍內(nèi)有效的通風(fēng)效率進(jìn)行了研究，通過結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計(jì)改變畜禽舍內(nèi)環(huán)境。鄧書輝等[14]在牛舍內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造上有過類似研究，通過增添擋風(fēng)板與調(diào)整矮墻高度對(duì)LPCV橫向通風(fēng)牛舍進(jìn)行改進(jìn)，使得舍內(nèi)氣流不均勻系數(shù)較原來降低了41.8%，表明畜禽舍通過結(jié)構(gòu)上的改變來降低舍內(nèi)氣流不均勻度的方法具有可行性。目前負(fù)壓通風(fēng)濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于鵝舍內(nèi)，機(jī)械通風(fēng)時(shí)，從外界吸入的潔凈空氣與舍內(nèi)空氣混合，也會(huì)與鵝只活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的呼吸廢氣、粉塵及其中的細(xì)菌等混合，從進(jìn)風(fēng)口至排風(fēng)口，空氣質(zhì)量越來越差[28]。本文基于裝有濕簾-風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的種鵝舍，不僅通過添加卷膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改變舍內(nèi)氣體流向，增大位于鵝舍下部位置鵝體周圍的氣流量，同時(shí)為了使舍內(nèi)氣流分布更均勻，結(jié)合卷膜安裝角度與下拉最大高度兩方面綜合考慮，進(jìn)一步改善鵝舍內(nèi)通風(fēng)效率，使種鵝表現(xiàn)出優(yōu)良的生產(chǎn)性能，提高經(jīng)濟(jì)效益。

增添卷膜數(shù)量依據(jù)原構(gòu)造及鵝舍長(zhǎng)度決定，通過SPSS軟件分析得到卷膜數(shù)量的增加與不均勻系數(shù)的結(jié)果呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，當(dāng)舍內(nèi)卷膜數(shù)量達(dá)到13個(gè)以后其舍內(nèi)不均勻系數(shù)會(huì)隨著卷膜數(shù)量的繼續(xù)增加而減小，但減小程度微乎其微，無限逼近與0。從經(jīng)濟(jì)性方面分析，42 m長(zhǎng)的鵝舍添加13個(gè)以上卷膜已無必要。本文中劃分卷膜添加個(gè)數(shù)指標(biāo)時(shí)最高設(shè)定為10個(gè)卷膜，主要原因從鵝舍原本構(gòu)造角度出發(fā)，舍內(nèi)縱向上均布10個(gè)主梁，在梁下更方便試驗(yàn)卷膜的安裝，且明顯增大舍內(nèi)下方位置的通風(fēng)量，降低了舍內(nèi)不均勻系數(shù)，達(dá)到提高舍內(nèi)有效的通風(fēng)效率要求。

國(guó)外一些學(xué)者對(duì)畜禽舍內(nèi)的空氣流動(dòng)情況進(jìn)行三維模擬時(shí)將舍內(nèi)動(dòng)物等比例置于畜舍模型中[29-30]，本研究中由于鵝來回活動(dòng)位置的不固定性不能將其簡(jiǎn)化為固定模型進(jìn)行仿真模擬，故在仿真及試驗(yàn)中都未考慮鵝的存在，故尚需進(jìn)一步研究由于鵝位置不固定所需的簡(jiǎn)化以及考慮鵝本身體熱對(duì)內(nèi)環(huán)境的影響，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果在生產(chǎn)中具有更廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié) 論

1）通過實(shí)測(cè)、建立鵝舍三維模型及導(dǎo)入Fluent中仿真模擬，比較模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的均方根誤差RMSE為0.152 m/s，最大絕對(duì)誤差為0.29 m/s，平均相對(duì)誤差為2.04 %，說明所建模型有效。

2）鵝舍內(nèi)部主梁下端安裝卷膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效提高種鵝活動(dòng)區(qū)域氣流的均勻性和氣流速度，較常規(guī)鵝舍相比，新型鵝舍平均風(fēng)速增加0.527 m/s,舍內(nèi)氣流不均勻系數(shù)降低32.2%。該優(yōu)化設(shè)計(jì)使得鵝體周圍獲得更大的氣流且整個(gè)下方區(qū)域無氣流死角區(qū)，給予鵝更好的生存環(huán)境。對(duì)于其他同類型的濕簾-風(fēng)機(jī)常規(guī)畜禽舍，本研究的新型設(shè)計(jì)可提供一定參考。

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Structure optimization and validation of goose house ventilation system based on airflow field simulation by CFD

Yao Jiajun1, Guo Binbin1, Ding Weimin1※, Shao Xibing3, Shi Zhendan2

(1.210031,; 2.210014,; 3.213101,)

Goose is seasonal breeding animal, the goslings and adult geese supply show seasonal changes, so that the sale price of the geese is fluctuating. The out-of-season breeding technology was employed to balance annual goose production and achieve higher economic benefits by regulating the normal breeding of geese in the spring and summer of non-breeding season. This technique has been popularized in the last few years, however, the high temperature in the summer is adverse to the goose production in the process of out-of-season breeding. It is known that the quality of thermal environment and the concentration of harmful gases are important factors to the health of livestock. In order to reduce or eliminate adverse effects of heat stress and lack of water on the geese during the process of out-of-season breeding, the ventilation-cooling mode with fans and evaporative pad was employed in conventional goose house, while a large amount of airflow diffusion located in the upper part of the goose house due to that these airflow of small density flowed upward. The use of computational fluid dynamics (CFD) techniques to solve complex fluid problems has greatly increased in the last few years. In this study, the goose house with mechanical ventilation had a large number of airflow diffusion in the upper part of the goose house, this may cause a problem that the ventilation effect of the ground geese was obstructed. So a structure optimization scheme based on computational fluid dynamics (CFD) has been proposed, multiple stretching film structures were installed below the girders of goose house to change the airflow directions as well as to increase the airflow flux in the lower part of goose house around the geese. Based on that, the two factors of vertical angle between stretching film and girder, drop height of stretching film were investigated to obtain uniform airflow and higher ventilation efficiency in the goose house. A three-dimensional steady goose house model was developed by the field measured boundary conditions data. Comparison between simulations and measurements for the 40 test points of wind speed showed that the RMSE, maximum absolute error and average relative error was 0.152 m/s, 0.29 m/s and 2.04%, respectively. It proved that the CFD method is reliable to estimate the distribution of air velocity in the goose house. The validated CFD model was then used to get the optimal combination scheme of 27 different construction cases: In the 42-meter-long goose house, we find that when 10 roll films are installed in the shed, and the angle between roll film and the vertical direction of girder is 60°with maximum drop height of 1.2 meters, the ventilation in the shed has the highest efficiency and its air distribution is more homogeneous, and this simulation is concluded to be the optimal one.Through in-situ test, 40 points are compared before and after the transformation of the wind speed value, the average airflow velocity at the height of 0.5 meters above the ground is up to 1.01 m/s, and the average airflow velocity in the conventional goose house without film is only 0.483 m/s. The test results show that: after transforming averaged wind velocity increased by 0.527 m/s, and the airflow uniformity coefficient decreased by 32.2%, the structure of the film increases the airflow velocity in the lower position significantly. The results of this experiment provide a reference for structure optimization of similar poultry house, the internal environment regulation and the structure design of goose house.

computational fluid dynamics; optimization; flow fields; goose house; stretching film structure; ventilation effect; numerical simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.029

S219

A

1002-6819(2017)-03-0214-07

2016-06-19

2016-12-26

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新項(xiàng)目（CX（15）1008），國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系項(xiàng)目（CARS-43-16）

姚家君，女，安徽六安人，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程研究。南京南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，210031。Email：1716021442@qq.com。

丁為民，男，安徽合肥人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程研究。南京南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，210031。 Email：wmding@njau.edu.cn

姚家君，郭彬彬，丁為民，邵西兵，施振旦.基于鵝舍氣流場(chǎng)CFD模擬的通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(3)：214－220. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.029 http://www.tcsae.org

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