保育舍冬季濕熱環(huán)境與顆粒物CFD模擬研究

汪開英 李開泰 李王林娟 樓振綱 朱曉丹

(1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院， 杭州 310058； 2.北卡羅萊納州立大學生物與農(nóng)業(yè)工程系， 羅利 NC 27695-7625；3.浙江省環(huán)境監(jiān)測中心， 杭州 310012)

保育舍冬季濕熱環(huán)境與顆粒物CFD模擬研究

汪開英1李開泰1李王林娟2樓振綱3朱曉丹3

(1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院， 杭州 310058； 2.北卡羅萊納州立大學生物與農(nóng)業(yè)工程系， 羅利 NC 27695-7625；3.浙江省環(huán)境監(jiān)測中心， 杭州 310012)

為對保育舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量狀況進行評估和改善舍內(nèi)環(huán)境提供有益參考，應(yīng)用CFD對采用負壓通風和水泡糞保育豬舍的氣流場、溫度場、濕度場和顆粒物濃度場進行三維穩(wěn)態(tài)模擬。由模擬結(jié)果可知：在冬季送入氣流，舍內(nèi)動物所在區(qū)域高度為0.2 m的風速基本保持在0～0.2 m/s，大部分區(qū)域風速在0.1 m/s以下，相對濕度則基本在60%～70%之間，舍內(nèi)的平均溫度保持在26～34℃，大部分區(qū)域的PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度分別在0～0.1 mg/m3、0～0.7 mg/m3和0～1.0 mg/m3之間。由《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》可知，舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量基本滿足保育豬對冬季環(huán)境需求，但在單元入口及墻角處仍有優(yōu)化空間。

保育舍； 濕熱環(huán)境； 顆粒物； CFD； 模擬

引言

隨著規(guī)模化畜牧業(yè)的發(fā)展，畜禽場空氣質(zhì)量特別是畜禽舍的顆粒物污染問題正日漸受到重視。由于顆粒物可能攜帶細菌和病原體，并吸附有害氣體，對人畜健康、動物福利造成不利影響，顆粒物在不同畜舍間傳播還會造成疫病的流行，造成巨大的經(jīng)濟損失。

畜禽舍顆粒物來源于飼料、動物本身、廢棄物等。豬舍的主要顆粒物來源是飼料[1-2]。由于飼養(yǎng)模式的高度集約化，豬舍中的空氣濕度一般比舍外空氣更加高，潮濕條件促進了顆粒物中微生物的繁殖，許多致病微生物均以顆粒物作為載體存活并進行傳播，如炭疽病、流感病毒等[3]；另外，空氣中極少量的病原微生物就可以直接導致畜禽的呼吸道感染，尤其是下呼吸道。顆粒物進入豬的眼睛還會引起眼部不適，發(fā)生結(jié)膜炎，與皮脂等皮膚分泌物結(jié)合后刺激皮膚發(fā)癢，導致皮炎的發(fā)生。在歐洲，不同種類的豬舍間顆粒物濃度差別很大，育肥豬舍一般為2～5 mg/m3，母豬舍一般為1～2 mg/m3[4]。何晴等[5]闡述了畜禽舍內(nèi)顆粒物與控制技術(shù)方面的內(nèi)容，近年來有部分學者從監(jiān)控、解析、減排等方面出發(fā)對其進行了研究[6-8]，然而這些研究方法不僅成本較高，而且費時費力。

在應(yīng)用數(shù)字仿真模擬農(nóng)業(yè)污染物方面，大氣擴散模型由于最初是針對工業(yè)污染源，因此在農(nóng)業(yè)上的模擬精準度欠佳[9]，而CFD應(yīng)用在顆粒物模擬方面也需要選擇合適的湍流模型[10]。2015年，SEO等[11]利用CFD模擬空氣中的病毒擴散，將得到的模擬數(shù)據(jù)與實際天氣的數(shù)據(jù)進行對比用于建立空氣中微生物、病毒的數(shù)據(jù)庫，為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域工作者提供基于網(wǎng)絡(luò)的實時預(yù)測。

國內(nèi)CFD在畜禽舍內(nèi)環(huán)境模擬的研究處于探索階段，目前基于CFD的畜禽舍中的應(yīng)用主要集中在通風和溫度場研究中[12-15]。國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，使用CFD模擬方法能夠真實表達畜禽舍內(nèi)氣流狀態(tài)，對畜禽舍內(nèi)溫度場和氣流場的模擬是一種有效的方法。應(yīng)用CFD技術(shù)可大量節(jié)省測量時間和重復(fù)勞動，更好地了解顆粒物濃度、時空分布及擴散規(guī)律，幫助畜禽場工作人員更好地進行管理。然而國內(nèi)對該領(lǐng)域的探究還處于初級發(fā)展階段，因此，本文應(yīng)用CFD對畜禽舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量進行模擬與評估，以期為改善畜禽舍環(huán)境質(zhì)量提供支撐。

1 研究對象與方法

1.1 保育舍介紹

本研究豬場位于浙江省嘉興桐鄉(xiāng)(30°34′N、120°21′E)。該豬場占地0.14 km2，常年存欄母豬465頭，年出欄量9 200頭。

選擇一棟典型保育豬舍為研究對象，如圖1所示。豬舍內(nèi)部空間尺寸為58 m(長)×26 m(寬)×3.2 m(高)。整棟豬舍呈東西走向，內(nèi)設(shè)兩列，每列有5個單元間，中間為寬1.4 m的通道。每個單元間的布局為4欄，分別在通道左右兩側(cè)。豬欄采用熱鍍鋅鋼管，欄高0.9 m。每單元保育豬數(shù)量約70頭，保育豬體重8～20 kg，轉(zhuǎn)群周期為35～40 d。豬舍糞污收集采用漏糞地板下的水泡糞工藝，漏縫地板下面水泡糞的深度為0.8 m，清理周期為半年清理一次。喂料方式采用全自動機械供料、自由采食粉狀飼料。飲水為自來水，分別經(jīng)石英砂和活性炭二次過濾全自動式飲用，置于同側(cè)豬欄之間。該保育豬舍采用機械通風，豬舍東西兩側(cè)布置濕簾，在每單元南北側(cè)配置一小一大風機各1臺，其中小風機和大風機的直徑分別為1 m和1.3 m，額定功率和通風量分別為1.2 kW、22 000 m3/h和2.2 kW、32 000 m3/h。風機的啟用根據(jù)氣候情況決定，冬季該保育舍的小風機啟動條件為舍內(nèi)溫度達到25℃。豬舍空欄期間使用高壓噴霧系統(tǒng)進行豬舍消毒。

圖1 現(xiàn)場檢測保育豬舍Fig.1 Weaned pig building for on-site test

1.2 現(xiàn)場測量

保育豬在寒冷條件下易受冷應(yīng)激影響導致抵抗疾病的能力下降。該試驗時間為2015年11月26日09:00至16:00。當日舍外氣溫為4～6℃，相對濕度為49%時，為冬季典型氣溫水平。當日舍內(nèi)外環(huán)境的測量與對照可以有效評估豬場所采用通風方式的合理性和環(huán)境的舒適性。測量期間，位于南墻直徑為1 m的排風風機為開啟狀態(tài)，氣流走向為由西向東，再分別進入各保育單元。

本試驗采用多功能風速-溫濕度測量儀(TES-1341型，±3%，檢測限為0.01 m/s，泰仕電子工業(yè)股份有限公司，臺灣)和溫濕度計(CENTER313型，±0.7%，檢測限為0.1℃和0.1%，泰仕電子工業(yè)股份有限公司，臺灣)檢測豬舍內(nèi)外環(huán)境中的風速、溫度和濕度。紅外溫度儀(Raytek MX4型，±2.5%，檢測限為0.1℃，雷泰公司，美國)則用于測量圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度以及保育豬體表的溫度。采用7臺相同的智能空氣/TSP采樣器(嶗應(yīng)2050型，±2.5%，青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所，中國)對保育舍的不同單元內(nèi)顆粒物濃度進行測量，計算單位時間(min)通過的空氣量(m3/min)中的粉塵質(zhì)量(mg)。

豬舍測量的分布點如圖2所示，包括飼料槽處粉塵源顆粒物濃度，作為后續(xù)模擬邊界條件。選取豬舍近門處與靠近內(nèi)部2個進風機豬欄處進行測量。針對不同的水平面，測量高度分別為H=0.2 m(保育豬呼吸帶)和H=1.6 m(工作人員呼吸帶)，共40個測量點，每個測量點位測量3次取平均值得到該點位的最終數(shù)據(jù)，采樣間隔為1 min。從北至南分別設(shè)為列1、列2、列3和列4便于后續(xù)與模擬值對比分析。

圖2 保育舍內(nèi)布局與測量點分布圖(圓點代表儀器測量點)Fig.2 Layouts of piglet house and measurement locations

2 保育舍數(shù)值模擬

流體流動遵守物理守恒定律，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。如果流動包含不同成分(組元)的混合或相互作用，系統(tǒng)要遵守組分守恒定律。如果流動處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程?？刂品匠淌沁@些守恒定律的數(shù)學描述。同時本研究的數(shù)值模擬還基于以下假定：①保育舍內(nèi)的空氣是一種完全氣體，滿足狀態(tài)方程。②保育舍內(nèi)的氣流是一種湍流，舍內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài)。③保育舍內(nèi)柵欄形式的豬欄對風的阻力可以忽略。④冬季保育豬為取暖互相靠近，根據(jù)其形狀特點，將4個互動區(qū)域建立為4個立方體模型等效為保育豬體。⑤研究表明，豬舍內(nèi)的顆粒物有91%來自于飼料[16-17]，因此本研究為簡化計算，只考慮來自于飼料的顆粒物部分,在Fluent中選擇粉狀飼料作為材料進行模擬。

2.1基本守恒方程

2.1.1質(zhì)量守恒方程

任何流動問題都滿足質(zhì)量守恒定律[18]，即：單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。

(1)

式中Sm——質(zhì)量源，kg/m3ρ——密度，kg/m3t——時間，sv——速度，m/s

2.1.2動量守恒方程

動量守恒定律也是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的基本定律[18]，即：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，實際上是牛頓第二定律。

(2)

2.1.3能量守恒方程

能量守恒定律是具有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律。即：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，實際上是熱力學第一定律。

(3)

式中 E——總能量，Jkeff——傳熱系數(shù) hj——比焓，J/kgJj——擴散通量組分，kg/(m2·s) Sh——總熵，J/KT——溫度，℃

2.1.4組分質(zhì)量守恒方程

在一個特定的系統(tǒng)中，可能存在質(zhì)的交換，或者存在多種化學組分，每一種組分都需要遵守組分質(zhì)量守恒定律。對于一個確定的系統(tǒng)而言，組分質(zhì)量守恒定律可表述為：系統(tǒng)內(nèi)某種化學組分質(zhì)量對時間的變化率，等于通過系統(tǒng)界面凈擴散流量與通過化學反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的生產(chǎn)率之和。一種組分的質(zhì)量守恒方程實際上就是一個濃度傳輸方程。當水流或空氣在流動過程中混有某種污染物質(zhì)時，污染物質(zhì)在流動情況下除了有分子擴散外，還會隨流傳輸，即傳輸過程包括對流和擴散兩部分，污染物質(zhì)的濃度隨時間和空間變化。

(4)

式中 c——該組分的體積濃度 ρc——該組分的質(zhì)量濃度 Ds——該組分的擴散系數(shù) S——生產(chǎn)率，為系統(tǒng)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積通過化學反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量

2.2 湍流模型選擇

本研究在綜合考慮硬件與軟件，以及前人試驗研究的基礎(chǔ)上[19]，選擇在畜禽舍的模擬評估上采用適用性和精確性都較高的RNGk-ε模型，在RNGk-ε模型中，k方程和ε方程可表示為

(5)

(6)

式中 k——湍動能，m2/s2ε——湍流耗散率，m2/s3Gk——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(shù)

αε——ε的逆效普朗特常數(shù)

C1ε、C2ε、C3ε——常數(shù)

Sk、Sε——用戶自定義源項

2.3 物理模型建立

為提高計算效率，節(jié)約計算機模擬的時間，保育豬舍的物理模型需要進行適當?shù)暮喕?，圖3為簡化后的保育舍，是計算域模型，其中包括簡化了豬舍圍欄等圍護結(jié)構(gòu)以及將保育豬等效為四方體模型。

圖3 保育舍計算域Fig.3 Computational domain of piglet house

2.4 網(wǎng)格劃分

使用Gambit 2.4.6建立物理模型并進行網(wǎng)格劃分，所劃分的網(wǎng)格如圖4所示。整體的網(wǎng)格數(shù)量為2 740 897。

圖4 計算域網(wǎng)格Fig.4 Computational domain with grids

2.5 邊界條件

邊界條件設(shè)置包括對模擬狀態(tài)的確定、湍流模型的選擇、流體邊界條件和豬體邊界條件的設(shè)定等方面。

(1)模擬狀態(tài)的確定

在本模擬過程中，考慮到試驗階段外界溫度穩(wěn)定，風機持續(xù)穩(wěn)定運行，故可認為舍內(nèi)環(huán)境是處于穩(wěn)態(tài)的，即選擇模擬狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)模擬。

(2)湍流模型的選擇

由2.2可知，本次模擬選擇重整化群RNGk-ε湍流模型。

(3)流體初始設(shè)置

選擇該保育舍進風口設(shè)置為自由入口，空氣溫度為25℃，相對濕度為80%，風機排風口設(shè)置為速度出口，-1 m/s。

(4)豬體邊界條件

保育豬被設(shè)置為無滑移壁面，表面溫度為34℃。

(5)其余壁面邊界條件

豬舍內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)均設(shè)置為無滑移壁面，屋頂18.1℃，地面16.3℃，東墻22.1℃，西墻19.6℃，南墻17.5℃，北墻18.6℃。

(6)粉塵源邊界條件

該保育舍粉塵源主要為飼料槽，飼料槽設(shè)置為無滑移壁面，粉塵源初始質(zhì)量濃度設(shè)置為PM2.5：0.1 mg/m3、PM10：0.7 mg/m3、TSP：0.8 mg/m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 保育舍的實測數(shù)據(jù)結(jié)果

圖5分別顯示了圖2所示的列1、列2、列3、列4處的風速、溫度、相對濕度以及顆粒物濃度的實測值，分析的數(shù)據(jù)主要為分布在保育豬呼吸帶高度，即z=0.2 m水平高度。如圖5a所示，通道2和通道3處的風速明顯小于通道1和通道4處，這是由于通道2和3位于豬舍中間遠離排風口的地方。由于氣流在豬舍當中的流向為由西向東，風速從西側(cè)入口至東側(cè)主要呈遞減趨勢，然而由于各單元門具有縫隙的原因，導致該區(qū)域湍流強度增大，引起單元間門口處風速較大，總體而言豬舍單元間內(nèi)的整體氣流流動呈平穩(wěn)趨勢，無較大波動。

圖5b顯示了保育舍4個通道處的溫度測量值。保育舍內(nèi)最低氣溫位于通道3最西側(cè)，為22℃，這是由于此處為通道進風口，外界氣流進入豬舍，氣流流動帶走了部分熱量，最高氣溫位于通道1，為23.6℃，另外由圖可見豬舍中間的氣溫普遍高于東西兩側(cè)，這是因為兩側(cè)風速較大而中間氣流更為穩(wěn)定。

相對濕度也是保育豬舍內(nèi)環(huán)境的重要評估參數(shù)之一，圖5c顯示了保育舍4個通道處的相對濕度測量值，范圍為51%～56.8%。

圖5d、5e和5f分別顯示了此次保育豬舍內(nèi)部PM2.5、PM10和TSP濃度的測量值。由圖可知，PM2.5質(zhì)量濃度為0.016～0.025 mg/m3，PM10質(zhì)量濃度為0.17～0.30 mg/m3，TSP質(zhì)量濃度為0.58～0.81 mg/m3。各個單元間的顆粒物濃度差異不大，通道1和通道4處的顆粒物濃度比通道2和通道3處要略大，主要是由于風速較大，氣流的擾動導致。

圖5 風速、溫度、相對濕度和顆粒物濃度實測值Fig.5 Measured results of velocity, temperature, relative humidity and particle concentration

總體而言，保育豬活動區(qū)域的風速平均值為0.15 m/s，豬舍內(nèi)部平均溫度為22.9℃，顆粒物濃度處于合理的范圍，基本滿足保育豬對冬季通風的需求[20]。

3.2 模擬與實測數(shù)據(jù)對比

對CFD模擬的精確度可以用下述公式來計算，當NMSE值小于0.25可認為CFD的模擬精確度是合理的[21]。

(7)

(8)

(9)

式中Ev——模擬值與實測值之間的相對誤差Cs——模擬值Cm——實測值Csm——模擬值的平均Com——實測值的平均值n——實測采樣個數(shù)

圖6顯示此次模擬的模擬值與實測值的對比結(jié)果。對比分析發(fā)現(xiàn)，風速、溫度、相對濕度的模擬與實測相對誤差范圍為5.26%～33.33%、 3.75%～12.26%和11.11%～21.45%，PM2.5、PM10和TSP的模擬值與實測值相對誤差范圍分別為 4.0%～31.3%、 3.4%～22.7%和1.37%～28.07%，其中PM2.5的誤差最大，這是由于源于糞便的顆粒物粒徑較小，即PM2.5的成分中有部分來源于糞便，而在模擬中沒有考慮此部分導致誤差[22]。然而模擬與實測數(shù)據(jù)對比的NMSE值分別為0.087(風速)、0.008(溫度)、0.028(相對濕度)、0.033(PM2.5)、0.018(PM10)和0.021(TSP)，均小于0.25，因此認為模擬值與實測值無顯著差異，模擬結(jié)果在可接受的范圍，說明該CFD保育舍顆粒物模擬模型的合理可用。誤差較大的點位于通道2的最西側(cè)和最東側(cè)，這是由于通道2靠近通風通道，較高風速引起湍流導致顆粒物的運動加劇，引起實測與模擬的較大偏差。

3.3 模擬結(jié)果評估

3.3.1風速

圖6 風速、溫度、相對濕度和顆粒物濃度模擬值與實測值對比Fig.6 Comparisons of simulated and measured velocity, temperatare, humidity and particle concentration results

圖7 不同水平高度風速分布云圖Fig.7 Velocity contours at two horizontal heights

在高度上分別選取z=0.2 m(保育豬呼吸帶高度)和z=1.6 m(工作人員呼吸帶高度)進行研究。圖7為整個保育豬舍在這2個水平高度的風速分布云圖。從模擬結(jié)果來看，豬舍內(nèi)風速場的風速范圍為0～5 m/s，最大風速位于進風通道與各單元門的交匯處，由于氣流從門縫進入單元間導致此處風速較大，而在保育豬活動范圍，風速較為穩(wěn)定，大部分風速在0 ～0.2 m/s之間，靠近排風口處，風速有所上升，這是為了排除冬季保育豬舍內(nèi)的污濁空氣，更換舍內(nèi)新鮮空氣。各個保育單元間風速并無明顯差異，整體通風效果良好，基本滿足保育豬對冬季通風的需求。但同時也要注意在保育豬的活動區(qū)域存在較大面積氣流停滯區(qū)，這是因為保育豬在冬季聚集取暖的行為導致，在冬季為保育豬維持溫度的同時，存在空氣質(zhì)量的下降。因此，冬季需增強對較強氣流的阻擋作用，并適時合理地進行換氣。

3.3.2溫度

在寒冷的冬季，豬舍內(nèi)的溫度對于保育豬的生長尤為重要。較低的溫度會使保育豬散熱過快，為維持體熱平衡，則需要進食更多的飼料用于產(chǎn)熱消耗，不僅不能促進豬的生長，還會導致飼料轉(zhuǎn)化率下降。從溫度場的模擬結(jié)果(圖8)來看，保育豬舍內(nèi)的溫度范圍為22～34℃左右，在保育豬活動區(qū)域，溫度范圍集中在26～34℃，而在較高處的z=1.6 m平面，溫度下降至22～25℃，該舍內(nèi)溫度范圍整體滿足保育豬對冬季環(huán)境溫度的需求。但從模擬結(jié)果可以看出，受外界低溫氣流影響，出現(xiàn)進風通道以及各單元間氣流入口處溫度較低的情況，這也解釋了在測量現(xiàn)場，保育豬的活動范圍主要集中在單元中間較為溫暖的區(qū)域，而很少活動在單元門入口附近。比較氣流分布與溫度的云圖可以發(fā)現(xiàn)，溫度和氣流流速有顯著的關(guān)系，速度越高的地方，溫度越低。因此，在排風口以及單元入口處建議采取保溫措施。

圖8 不同水平高度溫度分布云圖Fig.8 Temperature contours at two horizontal heights

3.3.3相對濕度

從相對濕度場的模擬結(jié)果(圖9)來看，保育豬舍內(nèi)的相對濕度范圍為30%～92%。盡管相對濕度范圍差距較大，但在保育豬活動區(qū)域相對濕度較為穩(wěn)定，處于60%～70%之間，這是由于保育豬舍的濕度主要來源于保育豬呼吸產(chǎn)生以及漏縫地板下的水泡糞。在寒冷的冬季，由于通風較差，水泡糞養(yǎng)殖模式由于糞便的蓄積易導致舍內(nèi)氨氣濃度過高，而氨氣是極易溶于水的強烈刺激性物質(zhì)，對保育豬的呼吸道、皮膚等產(chǎn)生不利因素，在冬季該范圍的相對濕度雖不是保育豬生長的最優(yōu)環(huán)境，但基本滿足保育豬的生長需求。

圖9 不同水平高度相對濕度分布云圖Fig.9 Relative humidity contours at two horizontal heights

3.3.4顆粒物濃度

圖10 不同水平高度PM2.5質(zhì)量濃度分布云圖Fig.10 PM2.5 concentration contours at two horizontal heights

圖11 不同水平高度PM10濃度分布云圖Fig.11 PM10 concentration contours at two horizontal heights

圖12 不同水平高度TSP濃度分布云圖Fig.12 TSP concentration contours at two horizontal heights

圖10～12分別為2個水平高度的PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度的模擬分布圖。從圖10～12可知，該保育舍內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度范圍為0～0.1 mg/m3、PM10質(zhì)量濃度范圍為0 ～0.7 mg/m3、TSP質(zhì)量濃度范圍為0～1 mg/m3。顆粒物濃度最大的地方為各單元的中間，也就是保育豬的食槽處，由于保育豬在此處采食，動作頻繁密集，易導致飼料顆粒運動加劇，空氣中的顆粒物濃度增加。在水平高度上，z=1.6 m處的顆粒物濃度小于z=0.2 m處。由圖13的風速與顆粒物濃度的局部圖可見，顆粒物濃度與風速相關(guān)，具體表現(xiàn)為風速較大處也是顆粒物濃度較低的地方(風速圖中顏色較紅的地方與顆粒物圖中顏色較藍的相對應(yīng)，特別是單元門氣流入口處，如圖中紅框所示)。PM2.5、PM10和TSP有著共同的趨勢，食槽處的顆粒物濃度最高，其他地方受氣流風速影響，風速越大，顆粒物濃度越小。在各單元氣流入口處往往由于風速較高導致較低的顆粒物濃度，但由于冬季保暖要求，保育舍內(nèi)大部分區(qū)域風速較小，因此顆粒物濃度區(qū)分不大，分布較均勻，其中，PM2.5由于粒徑較小，質(zhì)量較小，受氣流影響最大。另外，保育豬的活動區(qū)域密集處要比豬舍墻體附近的顆粒物濃度高，這同樣是因為保育豬的運動引起揚塵。據(jù)歐美相關(guān)研究表明，機械通風的保育豬舍內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度在0.08～0.4 mg/m3之間，PM10質(zhì)量濃度在0.316～2.6 mg/m3，而TSP質(zhì)量濃度可達到4.2 mg/m3，尤其是在保育豬進行采食的時段顆粒物濃度最高。本次研究豬舍內(nèi)的PM2.5、PM10與TSP濃度與國外都有高度可比性，說明本文所模擬的保育豬舍內(nèi)顆粒物濃度有實際參考價值[23-25]。由規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理[20]可知，顆粒物濃度建議小于1.2 mg/m3，該保育豬舍內(nèi)TSP濃度大約為0.8 mg/m3，基本滿足保育豬生長條件。

圖13 第一單元間局部風速與顆粒物質(zhì)量濃度圖Fig.13 Local contours of velocity and PM in the first unit

4 結(jié)論

(1)CFD模擬與實測的顆粒物濃度比較接近，相對誤差及NMSE值在可接受的范圍，因此采用該CFD模型來模擬保育豬舍內(nèi)濕熱環(huán)境以及顆粒物濃度是可行的。

(2)豬舍內(nèi)顆粒物濃度與熱濕環(huán)境參數(shù)相關(guān)，風速越大，溫度越低，顆粒物濃度越低。

(3)該豬舍在冬季空間結(jié)構(gòu)較為密閉、通風量低，豬舍內(nèi)氣流流速、溫度基本保證冬季保育豬的需求，但從顆粒物分布來看，在保育豬活動頻繁區(qū)域內(nèi)的濃度較高。

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CFDSimulationofIndoorHygrothermalEnvironmentandParticleMatterofWeanedPigBuilding

WANG Kaiying1LI Kaitai1LI Wanglinjuan2LOU Zhen’gang3ZHU Xiaodan3

(1.CollegeofBiosystemsEngineeringandFoodScience，ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2.DepartmentofBiologicalandAgriculturalEngineering,NorthCarolinaStateUniversity,Raleigh,NC27695-7625,USA3.ZhejiangEnvironmentMonitoringCenter,Hangzhou310012,China)

The quality of the environment could directly affect the production performance of pigs. Especially for weaned pigs, they have just undergone weaned stress and are very sensitive to external environment change. In order to evaluate the environmental conditions in the weaned pigs building in typical East China, and provide useful suggestions for pig barn structure design and the environment improvement, based on computational fluid dynamics (CFD) method, a three-dimensional steady state simulation was conducted on air speed, temperature, relative humidity and particle concentration distribution of a weaned pig building with negative pressure ventilation system and manure pit system. It was known from the CFD results that CFD could be a useful tool in analyzing the indoor environment in livestock house. When air was input to the pig house during winter days, the wind speeds in the region where pig was fed atz=0.2 m could maintain within 0～0.2 m/s, and most of them were below 0.1 m/s. Also, the relative humidity remained at about 60%～70%. Its temperature was maintained within 26～34℃. In addition, the PM2.5, PM10and TSP concentrations were kept in 0～0.1 mg/m3, 0～0.7 mg/m3and 0～1.0 mg/m3, respectively,in most area of pig house, which could meet the requirements of weaned pigs in winter according to environmental parameters and environmental management for intensive pig farms. Yet, at entrance of the units and some corners, there was still potential for optimization.

weaned pig; hygrothermal environment; particle matter; CFD; simulation

X513; S811.7

A

1000-1298(2017)09-0270-09

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.034

2016-11-23

2017-03-07

國家自然科學基金項目(31672467)和浙江省環(huán)保科技計劃項目(2012A007)

汪開英(1968—)，女，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)空氣質(zhì)量研究，E-mail: zjuwky@zju.edu.cn