密閉式雞舍環(huán)境參數(shù)CFD模擬與優(yōu)化

馬駿，劉振宇

（1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷030801）

隨著家禽養(yǎng)殖不斷向規(guī)?；?、集約化發(fā)展，雞舍環(huán)境對雞體健康和生產(chǎn)性能的影響越來越突出［1～3］。其中，雞舍結(jié)構(gòu)與雞籠布局是影響雞舍內(nèi)溫度、風(fēng)速和顆粒物濃度分布等環(huán)境參數(shù)的主要因素，設(shè)計合理的雞舍結(jié)構(gòu)是對規(guī)模養(yǎng)殖雞舍進(jìn)行精細(xì)化管理的關(guān)鍵問題。雞的正常生長發(fā)育對溫度、風(fēng)速和顆粒物濃度等主要環(huán)境參數(shù)都有一定的要求，在設(shè)計雞舍結(jié)構(gòu)時，需要充分考慮和協(xié)調(diào)雞舍內(nèi)通風(fēng)與保溫性能的矛盾，使雞舍環(huán)境達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)［4，5］。不合理的雞舍結(jié)構(gòu)和過多的保溫措施會導(dǎo)致雞舍內(nèi)通風(fēng)不暢，導(dǎo)致雞舍內(nèi)粉塵和有害氣體的堆積，不僅可能抑制肉雞的生長以及影響其正常行為，甚至引起畜禽呼吸道傳染病和大腸桿菌?。?，7］。

近年來，國內(nèi)外研究者針對集約化養(yǎng)殖中，雞舍溫度、風(fēng)速和顆粒物濃度分布規(guī)律和調(diào)控問題展開研究。Lin等［8］建立了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器來識別和定位圖像中的肉雞，將雞活度與溫濕度指數(shù)值的結(jié)合作為一種新的預(yù)測指標(biāo)，以避免雞熱應(yīng)激現(xiàn)象。Emad等研究了層疊式立體籠養(yǎng)蛋雞雞舍中靜電荷對顆粒物分布的影響，證明85%以上大于2.5μm的顆粒物的分布不受靜電荷干擾［9］。Le等測量和比較了不同層疊式和落地式籠養(yǎng)雞舍中的粉塵濃度，發(fā)現(xiàn)層疊式籠養(yǎng)過程中產(chǎn)生的粉塵濃度更低［10］。郭麗等以夏季機(jī)械通風(fēng)式籠養(yǎng)蛋雞舍內(nèi)外顆粒物為研究對象，通過監(jiān)測舍內(nèi)、外顆粒物濃度變化，分析了顆粒物的傳播規(guī)律，采用風(fēng)機(jī)將舍內(nèi)顆粒物排放到舍外［11］。何玉書等應(yīng)用恒流量多點粉塵測量儀在雞舍橫斷面處均勻布點，對北京某雞場平養(yǎng)育成雞舍的粉塵濃度進(jìn)行了監(jiān)測，對比分析了溫濕度、風(fēng)速和雞群活動狀況等對粉塵濃度影響相關(guān)的因素，證明在日間粉塵濃度的主要影響因素是雞群活動［12］。

綜上，現(xiàn)有研究均為結(jié)合雞舍溫度、風(fēng)速和顆粒物濃度（PM2.5和PM10）等參數(shù)的分布規(guī)律，通過優(yōu)化舍內(nèi)進(jìn)、出風(fēng)口的數(shù)量、位置等措施調(diào)控雞舍環(huán)境［13，14］，但是通過雞舍結(jié)構(gòu)長度優(yōu)化調(diào)控雞舍環(huán)境的研究較少。本文通過實測雞舍內(nèi)溫度、風(fēng)速、顆粒物濃度分布等驗證Fluent軟件模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并結(jié)合線性規(guī)劃分析對雞舍長度結(jié)構(gòu)作出優(yōu)化。

1 試驗和方法

1.1 試驗雞舍

試驗雞舍為山西省祁縣柳健養(yǎng)雞場和宏藝養(yǎng)雞場的密閉層疊式籠養(yǎng)雞舍，雞舍輪廓分別為22 m×8 m×3 m和50 m×8 m×3 m，配置4排層疊式雞籠（5層），采用機(jī)械和自然通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式，東西墻各設(shè)2臺風(fēng)機(jī)、南墻設(shè)門一個，南北兩側(cè)設(shè)通風(fēng)窗，通風(fēng)窗下邊沿距離地面1.9 m，窗高0.6 m，詳細(xì)規(guī)格布置見圖1。風(fēng)機(jī)24 h不間斷送風(fēng)，舍內(nèi)輸入風(fēng)速為5 m·s-1。

圖1 雞舍建筑示意圖Fig.1 Sketch of Chicken house

1.2 試驗監(jiān)測點設(shè)計與數(shù)據(jù)測定

試驗數(shù)據(jù)采集所用儀器見表1所示。

采集儀器在雞舍東西、南北呈對稱分布設(shè)置，距地面z向0.5 m、1.5 m和2.5 m處分設(shè)3層，每層監(jiān)測平面沿舍內(nèi)通道設(shè)5排；22 m雞舍每通道設(shè)5個監(jiān)測點，50 m雞舍每通道設(shè)7個監(jiān)測點（如圖1b所示）。

本 文 選 取2019年5月6日 至2019年6月6日進(jìn)行試驗，試驗時段天氣晴朗且無風(fēng)，減小外界天氣因素對試驗的干擾。通過獲取各個監(jiān)測點的溫度、風(fēng)速、PM2.5和PM10濃度等環(huán)境參數(shù)值，建立和驗證雞舍環(huán)境物理模型。

1.3 試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)平均值見表2，表3。

表1 試驗儀器表Table 1 List of experimental equipment

表2 長度22 m雞舍各環(huán)境主要參數(shù)分布Table 2 Distribution of main parameters of each environment in a chicken house with a length of 22 m

由表2和表3可見，長度22 m雞舍與長度50 m雞舍內(nèi)溫度、風(fēng)速、PM2.5、PM10分布存在相似之處，皆于東西中軸線和南北中軸線垂直面呈對稱分布。溫度沿y方向呈波浪形式分布，越靠近雞籠部位溫度越高，離地面越遠(yuǎn)溫度越低，長度50 m雞舍內(nèi)溫度高于長度22 m雞舍，沿y軸方向變化幅度小。進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速最大，x軸上整體呈現(xiàn)兩邊風(fēng)速高、中間風(fēng)速低的態(tài)勢，長度50 m雞舍風(fēng)速在x軸中間位置25 m處風(fēng)速為0，在長度22 m雞舍x軸中間位置11 m處風(fēng)速大于0。長度為50 m雞舍內(nèi)的顆粒物濃度比長度22 m雞舍內(nèi)顆粒物濃度大且沿y方向濃度差異更明顯，顆粒物濃度沿y方向呈波浪線分布。

分析可知，雞舍長度結(jié)構(gòu)增加，舍內(nèi)降溫、通風(fēng)等耗能變大，顆粒物濃度上升。長度50 m雞舍與長度22 m雞舍內(nèi)的顆粒物濃度分布并不完全相似，除了雞舍長度結(jié)構(gòu)不同之外，也與測試方法有關(guān)［15］。

表3 長度50 m雞舍各環(huán)境主要參數(shù)分布Table 3 Distribution of main parameters of each environment in a chicken house with a length of 50 m

2 雞舍建模與仿真

本文采用國際上廣泛應(yīng)用的Fluent軟件對雞舍環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行模擬［16～18］，以得到精確的模擬結(jié)果并使之能應(yīng)用于生產(chǎn)實際中。

2.1 物理模型

根據(jù)雞舍實際尺寸建立物理模型，即雞舍的長寬高分別為22 m×8 m×3 m和50 m×8 m×3 m。雞籠簡化為4個立方體，尺寸分別為18 m×0.5 m×2.5 m和46 m×0.5 m×2.5 m，其他設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、門窗等依據(jù)實際模型測量值設(shè)計，透視圖見圖1a。

本次模擬過程中，根據(jù)雞舍實際情況作相應(yīng)的簡化以建立模型。本文使用Gambit軟件進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分，采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型模擬雞舍內(nèi)的湍流流動，采用拉格朗日法描述顆粒物濃度分布［19］。

對模型進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）假定該房間無人員出入，也不考慮太陽輻射對房間內(nèi)空氣流動與傳熱的影響；

（2）假定氣體為不可壓縮空氣；

（3）假定房間各個表面均為漫射灰表面；

（4）假定室內(nèi)空氣的流動為穩(wěn)態(tài)湍流流動，滿足Boussinesq假設(shè)［20］。

2.2 數(shù)值模擬分析

本文以2座僅長度不同（22 m和50 m）的雞舍物理模型做數(shù)值模擬對比分析，設(shè)定進(jìn)風(fēng)口溫度為20℃、風(fēng)速為5 m·s-1。因雞舍結(jié)構(gòu)對稱，本文模擬分析對比以x=0～11 m和x=0～25 m作重點分析。

2.2.1 溫度分布對比分析

雞舍的平面溫度分布圖見圖2，左側(cè)為長度22 m雞舍，右側(cè)為長度50 m雞舍。

圖2 平面溫度分布圖Fig.2 Planar temperature profile

由圖2可見，雞舍內(nèi)溫度分布于y=4 m垂直面呈對稱分布，舍內(nèi)溫度沿z方向呈遞降趨勢，沿y方向呈波浪形式分布，與測驗數(shù)據(jù)分析所得結(jié)論相符。越靠近雞籠部位溫度越高，是因為雞籠區(qū)域由于雞呼吸作用產(chǎn)生的CO2對密集分布的雞散發(fā)的熱量產(chǎn)生了保溫作用；離地面越遠(yuǎn)溫度越低，是因為風(fēng)機(jī)、窗戶都處于雞舍上部分，保溫性較差。長度22 m雞舍內(nèi)，y=4 m處溫度沿x方向保持不變。長度50 m雞舍內(nèi)，x=25 m垂直面上，達(dá)到穩(wěn)態(tài)收斂時風(fēng)機(jī)的吹風(fēng)效果不能使y=4 m垂直面的溫度都達(dá)到25℃以下。經(jīng)對比，長度50 m雞舍內(nèi)溫度高于22 m雞舍內(nèi)溫度，可認(rèn)為雞舍長度超出一定范圍，僅在東西墻各設(shè)2臺吹風(fēng)溫度20℃、進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速5 m·s-1的風(fēng)機(jī)，不能使x方向雞籠中間位置達(dá)到有效降溫。

2.2.2 風(fēng)速分布對比分析雞舍的平面風(fēng)速分布圖如圖3，左側(cè)為長度22 m雞舍，右側(cè)為長度50 m雞舍。

由圖3可以看出，雞舍內(nèi)風(fēng)速分布于y=4 m垂直面呈對稱分布；風(fēng)機(jī)位置和窗口處風(fēng)速最大，新風(fēng)經(jīng)過雞籠后風(fēng)速迅速下降，距風(fēng)機(jī)3.5 m外風(fēng)速可以忽略不計。y=4 m處x方向雞籠中間位置風(fēng)速幾近于0；風(fēng)機(jī)未直吹雞籠，雞籠上半部分所承受吹風(fēng)感遠(yuǎn)大于下半部分。造成這一平面流速分布的原因與雞舍結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。對比分析圖3與測試結(jié)果，長度22 m雞舍在x方向中間位置風(fēng)速幾近于0，是由于東西兩側(cè)都有風(fēng)機(jī)同時吹風(fēng)，到了x=11 m的垂直面上，風(fēng)速相互抵消；長度50 m雞舍之所以在x=25 m的位置風(fēng)速為0，是由于風(fēng)機(jī)風(fēng)力不足，無法對x=25 m垂直面產(chǎn)生影響?？傻媒Y(jié)論，對于長度50 m雞舍，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為5 m·s-1并不能夠?qū)φ麠濍u舍進(jìn)行通風(fēng)換氣，應(yīng)考慮加大風(fēng)機(jī)風(fēng)口風(fēng)速或在雞舍中間加裝風(fēng)機(jī)等方法進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.3 顆粒物濃度分布對比分析

雞舍的平面顆粒物分布圖見圖4，左側(cè)為長度22 m雞舍，右側(cè)為長度50 m雞舍。由圖4可以看出，新風(fēng)由風(fēng)機(jī)進(jìn)入舍內(nèi)，促使東西兩側(cè)顆粒物沿x軸向雞舍中部移動，一部分通過窗戶直接去往舍外，一部分向上或向下形成環(huán)路沿著x軸方向移動。y＜2.5 m產(chǎn)生的顆粒物多經(jīng)窗戶去往室外，認(rèn)為出風(fēng)口處顆粒物濃度大于雞舍內(nèi)部，這與陳峰等［21］的研究結(jié)果一致。經(jīng)對比，長度50 m雞舍內(nèi)顆粒物運動比長度22 m雞舍內(nèi)更復(fù)雜。長度22 m雞舍內(nèi)，x方向中間位置顆粒物運動弱；長度50 m雞舍內(nèi)，y=4 m垂直面顆粒物在x=19 m處產(chǎn)生回旋，x=7～23 m顆粒物運動十分劇烈，可見雞舍越長，顆粒物沿x方向越易形成連續(xù)的風(fēng)旋閉環(huán)，使得舍內(nèi)空氣質(zhì)量更差。因此認(rèn)為，雞舍長度達(dá)到50 m，僅在東西墻各設(shè)2臺風(fēng)機(jī)不能使雞舍中間位置滿足雞體的正常生長發(fā)育條件，應(yīng)當(dāng)對雞舍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

綜合圖2～圖4與測量所得數(shù)據(jù)，本文2個模型較完善、立體地描述了雞舍內(nèi)顆粒物濃度的分布情況。

圖4 y=4 m顆粒物跡線圖Fig.4 y=4 m Particle trace diagram

2.3 雞舍長度結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

為優(yōu)化雞舍長度結(jié)構(gòu)，使雞舍環(huán)境滿足雞體正常的生長發(fā)育條件，本文選擇2棟雞舍中間溫度、風(fēng)速、顆粒物濃度（PM2.5和PM10）為參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立線性規(guī)劃模型，得到雞舍結(jié)構(gòu)極值。求解最大長度結(jié)構(gòu)函數(shù)y值的范圍，利用線性規(guī)劃的方法，得到以下模型：

式 中：x1，溫度/℃；x2，風(fēng) 速/m·s-1；x3，PM2.5濃 度/μg·m-3；x4，PM10濃 度/μg·m-3。a、b、c、d分別為x1、x2、x3、x4的加權(quán)系數(shù)，均大于0，且其和為1。根據(jù)雞體生長發(fā)育條件和生產(chǎn)經(jīng)驗，溫度和PM10濃度需要占據(jù)較高權(quán)重，因此取a=0.6，b=0.1，c=0.1，d=0.2。

為研究長度22 m和50 m雞舍結(jié)構(gòu)下密閉式雞舍環(huán)境參數(shù)的邊界條件，本文以雞舍中間位置的溫度、風(fēng)速、PM2.5濃度、PM10濃度為約束條件建立模型。雞舍中間位置是最后受到外界環(huán)境影響的區(qū)域，即對外界環(huán)境變化反應(yīng)最慢的區(qū)域，雞舍結(jié)構(gòu)不佳將導(dǎo)致此區(qū)域溫度、風(fēng)速、顆粒物等環(huán)境參數(shù)無法及時受到調(diào)控，影響雞體舒適度，進(jìn)而影響其生長。因此將雞舍中間的環(huán)境參數(shù)值作為約束條件。由實際測量可知，長度22 m雞舍中間位置（x方向11 m，y方向4 m）處溫度為20～24℃，風(fēng)速最大達(dá)0.5 m·s-1，PM2.5濃度值最大能達(dá)到150.85μg·m-3，PM10濃 度 值 最 大 能 達(dá) 到266.99 μg·m-3；長度50 m雞舍中間位置（x方向25 m，y方向4 m）處溫度為26～31℃，風(fēng)速最大能達(dá)到0.5 m·s-1，PM2.5濃 度 值最大能達(dá)到169.54μg·m-3，PM10濃度值最大能達(dá)到296.58μg·m-3。在一般的飼養(yǎng)條件下，產(chǎn)蛋雞舍的最適宜溫度為25℃左右［22］。又由于極小值20℃為控制進(jìn)風(fēng)口溫度，因此設(shè)置x1的約束邊界為20～26℃。同理，x2的約束邊界為0～0.5 m·s-1。本文選定實際測量得出的PM2.5和PM10濃度最大值作為x3和x4的約束邊界條件，x3的約束邊界為0～169.54μg·m-3，x4的約束邊界為0～296.58μg·m-3。約束條件如下：

同時建立雞舍長度x值在22～50 m之間的雞舍環(huán)境物理模型，結(jié)合線性規(guī)劃分析，在風(fēng)速、雞舍寬度、高度等邊界條件確定的情況下，得到長度x值41 m為雞舍長度結(jié)構(gòu)極大值。長度x值為41 m的雞舍內(nèi)環(huán)境主要參數(shù)分布見圖5～圖8。

圖5 平面溫度分布圖Fig.5 Plane temperature profile

由圖5可知，長度41 m雞舍內(nèi)溫度于x=20.5 m、y=4 m兩垂直面呈對稱分布。雞籠周圍溫度在20～25℃內(nèi)，y=4 m處溫度最高為25℃，與吹風(fēng)溫度相差5℃。

圖6 平面流速分布圖Fig.6 Plane velocity profile

圖7 y=4 m平面速度矢量分布圖Fig.7 y=4 m plane velocity vector distribution diagram

圖8 y=4 m顆粒物跡線圖Fig.8 y=4 m Particle trace diagram

由圖6可知，長度41 m雞舍內(nèi)風(fēng)速于x=20.5 m、y=4 m兩垂直面呈對稱分布。y=4 m，x=11 m的線上，風(fēng) 速約0.26 m·s-1。與 圖3相比，長度41 m雞舍比長度22 m和50 m的雞舍風(fēng)速覆蓋面更優(yōu)。

由圖7可知，長度41 m雞舍內(nèi)進(jìn)風(fēng)口氣流到達(dá)x=20.5 m垂直面后向地面回返，不會造成顆粒物在雞舍內(nèi)混亂的現(xiàn)象，引起顆粒物濃度的上升。

圖8 與圖4對比可以得出，長度＜41 m的雞舍顆粒物跡線圖更清晰，顆粒物運動更有序。

由所建立的線性規(guī)劃模型可知，在x=20.5 m、y=4 m、z=2.5 m處，x1=25℃，x2=0.26 m·s-1，代入方程（1）中，證明長度41 m為模型極大值。

綜上所述，設(shè)計進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為5 m·s-1，雞舍寬度、高度確定的情況下，41 m為雞舍長度極大值。

3 結(jié)論

本文對長度分別為22 m和50 m及該范圍內(nèi)雞舍的溫度、風(fēng)速、PM2.5、PM10等主要環(huán)境參數(shù)分布進(jìn)行監(jiān)測模擬，得出雞舍內(nèi)主要環(huán)境參數(shù)的分布特性及規(guī)律如下：

（1）通過對2座雞舍建立仿真模型和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，證明了所建立物理模型的合理性和所得模擬試驗結(jié)果的有效性，為相關(guān)研究提供了理論分析基礎(chǔ)。

（2）假設(shè)輸入風(fēng)速為5 m·s-1（風(fēng)機(jī)控制）的雞舍，其溫度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)能對雞舍中間位置的顆粒物濃度產(chǎn)生影響，結(jié)合線性規(guī)劃分析得到雞舍不宜采用長度超過41 m的結(jié)構(gòu)。如果雞舍長度超過該值，必須對其通風(fēng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

綜上所述，優(yōu)化雞舍結(jié)構(gòu)有利于控制和保持雞舍內(nèi)環(huán)境，滿足雞體的生長發(fā)育需要，為研究與設(shè)計雞舍結(jié)構(gòu)提供了理論支撐。