基于低屋面橫向通風(fēng)牛舍空氣交換率優(yōu)選模擬

邱旭 呂潔 孫成才 張瓊

沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院

目前國內(nèi)外對于低屋面橫向通風(fēng)牛舍的研究大部分為應(yīng)用現(xiàn)狀分析，以及不考慮動物存在的牛舍內(nèi)數(shù)值模擬[1-3]，少數(shù)加入動物模型將其簡化為發(fā)熱的板狀結(jié)構(gòu)[4]或者多孔介質(zhì)[5]。本文主要研究低屋面橫向通風(fēng)牛舍的風(fēng)機在風(fēng)機效率較高范圍內(nèi)的不同空氣交換率下運行時對應(yīng)的不同風(fēng)速對牛舍內(nèi)奶牛舒適度的影響，利用計算流體力學(xué)仿真軟件 Fluent對牛舍模型進行數(shù)值模擬，選出奶牛最適合的風(fēng)機風(fēng)速，從而選出最優(yōu)空氣交換率，為LPCV 牛舍的風(fēng)機運行管理提供參考。

1 LPCV牛舍的物理模型及數(shù)學(xué)假設(shè)

1.1 LPCV牛舍的物理模型

在北美地區(qū)，L PCV 牛舍由8 列式已經(jīng)擴展到 24列式，12列式和16列式的牛舍數(shù)量較為廣泛[6]。本文將8列式LPCV牛舍作為研究對象，牛舍模型的建立參照文獻[7]，牛舍實物圖如圖1、圖2所示。其中圖 1為牛舍風(fēng)機部分，安裝在牛舍北側(cè)墻。圖2為牛舍濕簾部分，安裝在牛舍南側(cè)墻。北側(cè)墻安裝有上下兩排風(fēng)機，風(fēng)機葉輪直徑為0.9m，理論送風(fēng)量為28000 km/m3，上下共78臺，上排為6臺，下排為72臺[8]。牛舍南側(cè)墻安裝了高3 m，厚0.15 m的濕簾。為增加奶?；顒訁^(qū)風(fēng)速，在該區(qū)域上方2 m處安裝擋風(fēng)板，共4列。

圖1 牛舍風(fēng)機

圖2 牛舍濕簾

牛舍模型與實際牛舍進行等比例建立，為了減少計算機的計算量，提高計算精度，將奶牛模型簡化為1.8 m×0.73 m×0.8 m的長方體，忽略牛舍中立柱，選擇牛舍的中部位置進行研究，建立該牛舍物理模型。其中，X方向?qū)?yīng)長度為20 m，Y 方向?qū)?yīng)長度為60 m，Z方向?qū)?yīng)高度為4 m，頂高為4.88 m。沿Y方向牛舍內(nèi)分布分別為濕簾、奶牛、矮墻、擋風(fēng)板、風(fēng)機，如圖3所示。利用自適應(yīng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對牛舍進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)量為4246000。

圖3 牛舍物理模型

1.2 LPCV牛舍的基本假設(shè)與數(shù)學(xué)模型

為方便計算，對牛舍計算模型作出了一些基本的假設(shè)：

1）牛舍內(nèi)氣流為定常流動，低速流動，不可壓縮，滿足Boussinesq假設(shè)即流體密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響[9]。

2）牛舍內(nèi)氣體流動為穩(wěn)態(tài)流動。

3）忽略固體壁面和物體間熱輻射[10]。

4）認為牛舍完全封閉，不考慮漏氣的情況。

5）認為牛舍內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。

牛舍內(nèi)流場由流體力學(xué)中動量守恒方程、能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和組分質(zhì)量守恒方程來進行相關(guān)描述。

2 LPCV牛舍的數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)機風(fēng)速與空氣交換率對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)J.P.Harner的研究，牛舍夏季空氣交換率為60～120 s之間，即牛舍內(nèi)空氣需在60～120 s時間內(nèi)被風(fēng)機全部抽出到室外，更換新鮮空氣進入室內(nèi)。60 s，80 s，100 s，120 s 是風(fēng)機的運行效率較高范圍內(nèi)的四檔風(fēng)速所對應(yīng)的空氣交換率，該區(qū)域內(nèi)風(fēng)機提供的風(fēng)速均能夠滿足去除牛舍內(nèi)氣體污染物和余熱余濕的要求。為研究牛舍在空氣交換率為60～120 s之間奶牛最適風(fēng)速，模擬空氣交換率分別為60 s、80 s、100 s 和120 s時牛舍內(nèi)的速度場分布。

牛舍空氣入口處風(fēng)速按式（1）進行計算：

式中：v為牛舍空氣入口速度，m/s；V為牛舍體積，m3；L為牛舍長度，m；H為濕簾高度，m；R則為空氣交換率，s。

空氣交換率與風(fēng)機風(fēng)速對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 空氣交換率與風(fēng)機風(fēng)速對應(yīng)關(guān)系

2.2 LPCV牛舍的邊界條件設(shè)置

牛舍的入口邊界條件：采用速度入口（Velocity-inlet）的邊界條件，分別以風(fēng)機對應(yīng)的不同風(fēng)速作為牛舍模型不同的初始條件。

牛舍出口邊界條件：采用自由出流（Outflow）作為出口邊界條件。

壁面邊界條件：牛舍其他位置設(shè)置為無滑移條件，近壁面采用標準壁面函數(shù)處理。

2.3 模擬及結(jié)果分析

對牛舍模型進行數(shù)值模擬，其中，圖 4～7 為X=10 m處、圖 8～11 為Z=1.2 m處不同空氣交換律下速度云圖。

圖4 空氣交換率為60 s時X=10 m處速度云圖

圖5 空氣交換率為80 s時X=10 m處速度云圖

圖6 空氣交換率為100 s時X=10 m處速度云圖

圖7 空氣交換率為120 s時X=10 m處速度云圖

X=10 m處的速度云圖為牛舍模型中部垂直位置速度變化圖。從圖4～7可以看出，即使不同入口風(fēng)速，該位置處速度分布的整體趨勢是相似的。在牛舍入口處，氣流速度最大。隨著氣流的深入擴散，速度逐漸降低。從圖中可以明顯看出，由于氣流受到擋風(fēng)板的擾流作用，在牛舍內(nèi)呈波浪式延伸，使氣流能夠分布在奶牛周圍，帶走奶牛散發(fā)的濕熱，使氣流的利用率最大化。

圖8 空氣交換率為60 s時Z=1.2 m處速度云圖

圖9 空氣交換率為80 s時Z=1.2 m處速度云圖

圖10 空氣交換率為100 s時Z=1.2 m處速度云圖

圖11 空氣交換率為120 s時Z=1.2 m處速度云圖

分析圖4～7，奶牛周圍活動區(qū)域內(nèi)空氣流速分布隨空氣交換率的變化如表 2 所示。奶牛舒適風(fēng)速為1.5 m/s～2 m/s之間，從表2 中可以看出，當(dāng)空氣交換率為60 s 和 80 s 時，空氣流速分別為1.65 m/s～2.5 m/s和1.23 m/s～1.85 m/s，比較接近奶牛舒適風(fēng)速。當(dāng)空氣交換率為100 s 和120 s時，奶?；顒訁^(qū)域周圍大部分風(fēng)速都低于1.2 m/s，不能滿足奶牛舒適性要求。

表2 空氣交換率與空氣流速變化關(guān)系

Z=1.2 m處速度云圖為牛舍水平位置奶牛活動區(qū)域氣流分布圖。從圖8～11總體可以看出，隨著空氣交換率的增大，氣流從速度入口處向牛舍內(nèi)部綠色區(qū)域覆蓋的越多，說明氣流速度越大，湍流強度越大，高速氣流到達的區(qū)域越廣。從圖8可以看出，在牛舍中部奶牛比較密集，氣流組織相對較差，空氣交換率為60 s時，該區(qū)域空氣流速大部分處于1.24～1.65 m/s，接近奶牛舒適風(fēng)速，其他區(qū)域風(fēng)速大部分處于1.6～2.5 m/s，能夠接近滿足奶牛舒適性要求。分析圖9可以看出，當(dāng)空氣交換率為80 s時，牛舍中部通風(fēng)不利位置處風(fēng)速為1.1 m/s～1.3 m/s，其余位置大部分處于1.3～1.9 m/s，接近奶牛舒適風(fēng)速。從圖9和圖10可以看出，當(dāng)空氣交換率為100 s和120 s時，牛舍中部通風(fēng)不利處最高風(fēng)速分別為0.82 m/s和0.93 m/s且均低于1.5 m/s，牛舍其他位置奶牛活動區(qū)域風(fēng)速大部分低于1.5 m/s，不能滿足其舒適風(fēng)速要求。

3 總結(jié)與建議

通過分析模擬結(jié)果，可以得出當(dāng)空氣交換率為60 s和80 s時，牛舍內(nèi)氣流組織較差的位置處風(fēng)速處于1.1～1.3 m/s，其余大部分奶牛活動區(qū)域風(fēng)速接近奶牛舒適風(fēng)速范圍。當(dāng)空氣交換率為100 s和 120 s時，牛舍內(nèi)奶?；顒訁^(qū)域風(fēng)速大部分低于 1.5 m/s，不能夠滿足奶牛舒適性需要。因此，在牛舍運行管理過程中，建議采用60 s和80 s的空氣交換率。對比空氣交換率為60 s和80 s時，牛舍中部氣流組織不利位置和其余奶牛活動區(qū)域風(fēng)速，得出當(dāng)空氣交換率為60 s時更能接近奶牛舒適風(fēng)速（1.5～2 m/s），因此 60 s 為牛舍最優(yōu)空氣交換率。

另外，對于當(dāng)前8列式牛舍，應(yīng)適當(dāng)加大中部 4列奶牛距離，減小氣流阻力，使通風(fēng)氣流利用率增大。