北方蛋雞舍冬季顆粒物數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁月明 張 碩 賈樂(lè)心 李錦生 劉碧瑩 周麗娜

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 長(zhǎng)春 130118)

0 引言

畜禽生產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒物，舍內(nèi)的微生物憑借膠體分散系的相對(duì)穩(wěn)定性，以顆粒物為介質(zhì)進(jìn)行傳播，嚴(yán)重影響家畜和現(xiàn)場(chǎng)工作人員的健康[1-2]。當(dāng)雞舍內(nèi)的總懸浮顆粒物濃度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量值的30倍時(shí)，則會(huì)直接導(dǎo)致雛雞因顆粒物性氣管阻塞而致死[3]。長(zhǎng)期暴露于PM2.5濃度較高雞舍的生產(chǎn)管理一線人員，易患呼吸道疾病、哮喘以及慢性阻塞性肺病[4]。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)畜禽內(nèi)顆粒物研究主要集中在試驗(yàn)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)上，CFD在畜禽舍中的應(yīng)用主要集中在通風(fēng)和溫度場(chǎng)研究中[5-8]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)CFD技術(shù)在顆粒物方面的研究也逐漸展開。潘喬娜[9]對(duì)夏季保育豬舍的顆粒物濃度進(jìn)行CFD模擬仿真，模擬結(jié)果可在豬舍管理布局和顆粒物控制減排措施等方面提供建議。汪開英等[10]對(duì)冬季保育豬舍的顆粒物濃度場(chǎng)進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬，對(duì)舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)估并為改善舍內(nèi)環(huán)境提供有益參考。TAKAI等[11]通過(guò)對(duì)豬舍與雞舍內(nèi)顆粒物濃度進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雞舍內(nèi)各粒徑顆粒物濃度均大于豬舍顆粒物濃度。目前國(guó)內(nèi)利用CFD技術(shù)對(duì)雞舍內(nèi)顆粒物濃度及分布規(guī)律研究較少，開展利用CFD技術(shù)研究雞舍內(nèi)顆粒物濃度的分布規(guī)律對(duì)雞舍的環(huán)境質(zhì)量改善具有重要意義。

本文針對(duì)吉林省某密閉式籠養(yǎng)蛋雞舍，通過(guò)監(jiān)測(cè)舍內(nèi)空間位置的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速及顆粒物質(zhì)量濃度變化，利用CFD技術(shù)進(jìn)行三維建模，對(duì)雞舍內(nèi)的顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探究顆粒物的分布規(guī)律，通過(guò)調(diào)整側(cè)墻通風(fēng)口導(dǎo)流板角度降低顆粒物質(zhì)量濃度及擴(kuò)散，以期為密閉式籠養(yǎng)蛋雞舍內(nèi)的顆粒物控制提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)雞舍基本情況

試驗(yàn)雞舍為吉林省某蛋雞養(yǎng)殖基地，如圖1所示。雞舍為東西走向的鋼混結(jié)構(gòu)雞舍，舍長(zhǎng)55 m，跨度16 m，檐高4.2 m，脊高6 m。采用負(fù)壓縱向通風(fēng)，西墻設(shè)有5臺(tái)BNM-1460型風(fēng)機(jī)(濰坊搏諾溫控設(shè)備有限公司)，南北墻上設(shè)有0.5 m×0.3 m的通風(fēng)口。試驗(yàn)雞群為17周齡的“海蘭褐”蛋雞，采用四列五走道每列4層的階梯式層養(yǎng)，養(yǎng)雞規(guī)模為12 080只。飼喂時(shí)間為每日07：00、11：00和16：00。傳送帶自動(dòng)清糞，雞只產(chǎn)生的糞便直接由傳送帶傳至室外，并由清糞車運(yùn)送至儲(chǔ)糞池。

試驗(yàn)于2020年12月11—15日進(jìn)行。每天監(jiān)測(cè)時(shí)間為06：00—20：00，每2 h監(jiān)測(cè)1次雞舍內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度(RH)、風(fēng)速，每隔10 min采集一次PM1、PM2.5、PM10、TSP質(zhì)量濃度。試驗(yàn)期間只開啟1號(hào)風(fēng)機(jī)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

測(cè)量點(diǎn)分布在舍內(nèi)7個(gè)位置，如圖1a、1b所示，其中4個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別位于雞舍南、北過(guò)道的前側(cè)和后側(cè)，高度為1.5 m。雞舍中間過(guò)道的0.5、1、1.5 m的垂直高度上布置3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，溫濕度儀位置選取與顆粒物監(jiān)測(cè)儀相同的位置，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顆粒物測(cè)量點(diǎn)的溫濕度。

本試驗(yàn)采用高精度溫濕度記錄儀(SSN-22型,深圳宇問(wèn)加壹傳感系統(tǒng)有限公司)對(duì)測(cè)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集。選用優(yōu)利德(UNI-T)UT363迷你型數(shù)字風(fēng)速計(jì)(量程：0～30 m/s；分辨率：0.1 m/s)對(duì)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。利用Dust Truck DRX Desktop(8533型，美國(guó)TSI公司)對(duì)顆粒物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，顆粒物質(zhì)量濃度精度:±0.001 mg/m3，該儀器具有同時(shí)檢測(cè)PM1、PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度的特點(diǎn)[12]。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 幾何模型

2.1.1雞舍模型

密閉式半階梯籠養(yǎng)蛋雞舍利用三維軟件Gambit進(jìn)行1∶1比例建模，為了提高Fluent的運(yùn)行效率，對(duì)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，如圖2所示。將舍內(nèi)4條養(yǎng)殖線簡(jiǎn)化成4條形狀規(guī)則的長(zhǎng)方體。將每個(gè)雞籠中所有的雞簡(jiǎn)化為與雞籠同長(zhǎng)的長(zhǎng)方體，省略喂料和清糞設(shè)備。整個(gè)雞舍的氣體均設(shè)為空氣，并設(shè)置舍內(nèi)空氣為不可壓縮的理想氣體[13]。

2.1.2通風(fēng)口模型

側(cè)墻的通風(fēng)口設(shè)置為矩形，通風(fēng)口在雞舍兩側(cè)呈對(duì)稱狀態(tài)，其中每側(cè)分別安裝15個(gè)矩形通風(fēng)窗和導(dǎo)流板，模擬時(shí)只考慮有效的進(jìn)風(fēng)面積。通風(fēng)口現(xiàn)場(chǎng)圖和通風(fēng)口橫向切面簡(jiǎn)化模型如圖3所示。其中α為導(dǎo)流板與壁面的夾角，α的取值范圍為0°～90°，試驗(yàn)期間導(dǎo)流板與壁面的夾角為45°。

2.1.3網(wǎng)格劃分

如圖4所示，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，用網(wǎng)格收斂性指標(biāo)(GCI)量化網(wǎng)格收斂的不確定性[14]。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢測(cè)，確定最大網(wǎng)格尺寸為126 mm，網(wǎng)格劃分過(guò)程中，對(duì)雞舍的通風(fēng)口、風(fēng)機(jī)區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)劃分，局部網(wǎng)格最大尺寸為23 mm。所劃分的網(wǎng)格單位數(shù)13 966 489，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 867 662，整體的網(wǎng)格數(shù)量3 294 716。

2.2 邊界條件

為簡(jiǎn)化模型，提高仿真效率，對(duì)模型進(jìn)行如下假設(shè)[15-16]：①舍內(nèi)氣體為牛頓流體。②舍內(nèi)氣體在流動(dòng)過(guò)程中不可壓縮且符合Boussinesq 假設(shè)。③水蒸氣在固體壁面不凝結(jié)。④舍內(nèi)氣密性良好。

蛋雞舍內(nèi)顆粒物主要來(lái)源包括皮屑、飼料、糞便及廢棄物[17]，其中大部分來(lái)自于雞體自身以及雞只周圍區(qū)域。此次模擬將雞和雞籠簡(jiǎn)化長(zhǎng)方體的位置作為顆粒物釋放源區(qū)域，設(shè)置為無(wú)滑移壁面，顆粒物初始質(zhì)量濃度設(shè)置為PM1：0.5 mg/m3、PM2. 5:0.7 mg/m3、PM10: 4.2 mg/m3、TSP: 5.8 mg/m3。其他邊界條件具體設(shè)置見表1。

表1 邊界條件設(shè)置Tab.1 Boundary condition setting

2.3 基本守恒方程

質(zhì)量守恒方程為

(1)

其中

式中ρf——流體密度，kg/m3

t——時(shí)間，sv——速度，m/s

Sm——質(zhì)量源項(xiàng)，kg/(m3·s)

動(dòng)量守恒方程為

(2)

式中p——壓力，PaF——外力，N/m3

g——重力加速度，m/s2

能量守恒方程為

(3)

式中Ef——流體總能量，J

keff——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

T——溫度，℃hi——比焓，J/kg

ji——擴(kuò)散通量，kg/(m2·s)

為研究舍內(nèi)濕度場(chǎng)的分布規(guī)律，引入基于組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)方程[14]。其方程為

(4)

式中Yi——組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文為水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Si——水蒸氣質(zhì)量源項(xiàng)，kg/(m3·s)

2.4 湍流模型選擇

SEO等[18-19]和LEE等[20]發(fā)現(xiàn)重整化群RNGk-ε湍流模型能有效表達(dá)畜禽舍內(nèi)流場(chǎng)分布。本文采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值求解，選擇精度較高的重整化群RNGk-ε湍流模型開展了數(shù)值模擬，近壁區(qū)的模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，控制方程采用基于有限體積的離散方法，壓力-速度耦合選用SIMPLEC算法，動(dòng)量和湍流動(dòng)能選用二階迎風(fēng)離散格式，對(duì)顆粒物設(shè)置離散相模型(Discrete phase model，DPM)。

3 結(jié)果與分析

3.1 雞舍實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

3.1.1溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速變化

試驗(yàn)期間舍內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間溫度變化規(guī)律如圖5所示。3號(hào)點(diǎn)溫度比較穩(wěn)定且較高，因?yàn)?號(hào)點(diǎn)周圍的雞只溫度較高，且保溫性較好，受氣流、光照影響小。位于南側(cè)4、5號(hào)點(diǎn)均起伏較大，主要與風(fēng)機(jī)和自身位置有關(guān)。由于1、2號(hào)點(diǎn)位于雞舍的北側(cè)，幾乎不受光照影響，且1號(hào)點(diǎn)位于門的一側(cè)，所以溫度一直偏低，且波動(dòng)較小。溫度變化范圍為19.08～24.98℃，平均溫度為22.1℃。

由圖6可知，試驗(yàn)期間舍內(nèi)相對(duì)濕度變化范圍為52%～77%，平均相對(duì)濕度為67%，說(shuō)明舍內(nèi)的相對(duì)濕度適宜蛋雞生長(zhǎng)。從數(shù)值上看，3號(hào)點(diǎn)相對(duì)濕度最低，1號(hào)點(diǎn)相對(duì)濕度最高，舍內(nèi)遠(yuǎn)風(fēng)機(jī)端(1號(hào)點(diǎn)、4號(hào)點(diǎn))的相對(duì)濕度高于近風(fēng)機(jī)端(2號(hào)點(diǎn)、5號(hào)點(diǎn))。12：00時(shí)刻相對(duì)其他時(shí)間相對(duì)濕度降低，其中5號(hào)點(diǎn)變化最為明顯，這是由于12：00時(shí)刻舍內(nèi)溫度升高，風(fēng)機(jī)開啟較為頻繁且5號(hào)點(diǎn)距離風(fēng)機(jī)最近，因此該點(diǎn)相對(duì)濕度最低。

因試驗(yàn)時(shí)間為冬季，雞舍為密閉式雞舍，舍內(nèi)整體風(fēng)速較小。風(fēng)機(jī)附近區(qū)域5號(hào)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速為2.2 m/s，其他4個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速均小于0.5 m/s，且無(wú)體感風(fēng)速。

3.1.2顆粒物質(zhì)量濃度

為了了解蛋雞舍內(nèi)顆粒物濃度日變化的趨勢(shì)，選取12月13日舍內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖7所示。試驗(yàn)雞舍在07：00、11：00、16：00進(jìn)行喂料，PM10和TSP濃度在這些時(shí)間段均有所升高，這主要因?yàn)槲沽蠒r(shí)雞群易出現(xiàn)躁動(dòng)、搶食等行為，導(dǎo)致PM濃度升高；在其他時(shí)間段，雞群處于安靜狀態(tài)，各粒徑PM濃度明顯下降。PM10與TSP波動(dòng)較大，這是因?yàn)榇罅筋w粒受重力沉降作用，落到地面或雞群體表，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中[21]。雞群頻繁的活動(dòng)會(huì)將已經(jīng)沉降下來(lái)的粗顆粒重新?lián)P到空氣中，造成PM10和TSP濃度升高。對(duì)于細(xì)顆粒(d<2.5 μm)而言，雞群活動(dòng)性增強(qiáng)，造成空氣流動(dòng)紊亂，并不會(huì)對(duì)其濃度造成太大的影響。因?yàn)榱教?，而無(wú)法迅速在空氣中沉降下來(lái)，可以長(zhǎng)時(shí)間在空氣中懸浮。所以PM1和PM2.5濃度變化并不明顯。這與 LIN 等[22]得出的蛋雞舍內(nèi)顆粒物濃度與蛋雞的活動(dòng)性有關(guān)的結(jié)論相一致。由表2可知，蛋雞舍內(nèi)顆粒物濃度與熱濕環(huán)境參數(shù)相關(guān)，溫度與PM1、PM2.5濃度呈正相關(guān)性，濕度與顆粒物濃度呈負(fù)相關(guān)性，對(duì)PM2.5、PM10濃度影響更大。

表2 PM1、PM2.5、PM10和TSP濃度與溫度和相對(duì)濕度Pearson系數(shù)Tab.2 Pearson’s correlation coefficient for PM1, PM2.5, PM10 and TSP concentrations versus temperature and relative humidity

試驗(yàn)期間舍內(nèi)顆粒物PM1/PM2.5、PM1/PM10、PM2.5/PM10、PM2.5/TSP、PM10/TSP的質(zhì)量濃度比值如圖8所示。垂直方向上，高度越高，細(xì)顆粒物濃度越小，PM1/PM10、PM2.5/PM10在雞舍上部顯著低于下部(P<0.05)，說(shuō)明試驗(yàn)雞舍的下部細(xì)顆粒物含量較高，PM10/TSP在雞舍上部顯著高于下部(P<0.05)，說(shuō)明垂直高度越高，PM10濃度越大，而且PM10/TSP比值較大，說(shuō)明試驗(yàn)雞舍PM10質(zhì)量濃度相比其他粒徑濃度較高。本試驗(yàn)PM2.5/PM10比值為0.28～0.366，MODINI等[23]監(jiān)測(cè)所得的 PM2.5/PM10比值為 0.23，說(shuō)明試驗(yàn)雞舍中下部的細(xì)顆粒物含量較大，研究表明，粒徑越小的顆粒物對(duì)人和動(dòng)物的危害越大[24]，試驗(yàn)雞舍PM10質(zhì)量濃度為5.736～7.37 mg/m3，TSP質(zhì)量濃度為9.049～10.8 mg/m3，均高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的PM10質(zhì)量濃度日均值4 mg/m3和TSP質(zhì)量濃度日均值8 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)值[25]，由于此時(shí)蛋雞處于產(chǎn)蛋不穩(wěn)定期，且雞群較為活躍，導(dǎo)致雞舍內(nèi)各粒徑顆粒物濃度均較高。

3.2 模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

為分析評(píng)估CFD模擬的精確度，使用歸一化均方誤差(Normalized mean squared error，NMSE)指標(biāo)[26]進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)NMSE小于0.25可認(rèn)為 CFD 的模擬精確度是合理的[27]。

圖9為模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，溫度、相對(duì)濕度的模擬與實(shí)測(cè)相對(duì)誤差為1.23%～8.88%和5.11%～14.00%，結(jié)果表明，溫度模擬值相對(duì)于實(shí)測(cè)值整體偏大，而相對(duì)濕度模擬值相對(duì)于實(shí)測(cè)值整體偏小，可能是因?yàn)槟M過(guò)程中未考慮與室外相通的清糞口，從而造成溫度的模擬結(jié)果偏大。同時(shí)由于溫度模擬值比實(shí)測(cè)值偏高，導(dǎo)致相同質(zhì)量的水蒸氣在表示為相對(duì)濕度時(shí)會(huì)偏小,由于未考慮糞便中的水分蒸發(fā)也導(dǎo)致相對(duì)濕度模擬結(jié)果偏小。計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差在合理的范圍內(nèi)，模擬結(jié)果較可靠，可準(zhǔn)確揭示雞舍內(nèi)的溫濕度場(chǎng)分布情況。

PM1、PM2.5、PM10和TSP濃度的模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差范圍為2.80%～35.30%、7.20%～23.30%、3.20%～30.20%和6.25%～47.32%，其中TSP濃度的誤差最大，這是由于模擬過(guò)程只考慮了飼料產(chǎn)生的顆粒物，忽略了糞便、羽毛等產(chǎn)生的顆粒物，從而導(dǎo)致誤差較大。然而模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的 NMSE 均小于0.25，因此認(rèn)為模擬值與實(shí)測(cè)值無(wú)顯著差異，模擬結(jié)果在可接受的范圍，說(shuō)明該 CFD蛋雞舍顆粒物模擬模型合理可用。其他相對(duì)誤差和NMSE見表3。

3.3 模擬結(jié)果評(píng)估

3.3.1溫度場(chǎng)

圖10為截取的蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的7個(gè)平面內(nèi)的溫度分布圖。各截面在垂直位置上隨著高度的增加，溫度逐漸升高，且以過(guò)道中線為對(duì)稱軸，各縱截面的溫度分布呈明顯的對(duì)稱性，說(shuō)明舍內(nèi)溫度在過(guò)道兩側(cè)的分布較為一致，驗(yàn)證了該舍采用的負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)中將進(jìn)風(fēng)口對(duì)稱布置的科學(xué)性。整體溫度變化范圍為19.1～41.8℃，過(guò)道區(qū)域溫度變化范圍為19.1～32.3℃，平均溫度為26.2℃。

3.3.2相對(duì)濕度場(chǎng)

圖11為截取的蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的7個(gè)平面內(nèi)的相對(duì)濕度分布圖。平均相對(duì)濕度為58%，變化范圍為 43%～72%，各截面在垂直位置上隨著高度的增加，相對(duì)濕度逐漸降低，與溫度變化規(guī)律相反，這是由于水汽的沉積所導(dǎo)致的。在同一高度上，北側(cè)相對(duì)濕度均高于南側(cè)。越靠近中間過(guò)道，相對(duì)濕度有逐漸升高的趨勢(shì)。

3.3.3空氣速度場(chǎng)

圖12為截取的蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的7個(gè)平面內(nèi)的速度分布圖。從模擬結(jié)果來(lái)看，蛋雞舍內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)的風(fēng)速為0～2.7 m/s，整個(gè)雞舍大部分位置氣流速度都在0.5 m/s以下。在垂直高度1.5 m處可以發(fā)現(xiàn)，南側(cè)、北側(cè)分布基本相同，最大速度也只有0.6 m/s。但沿X軸遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)端的氣流速度過(guò)小，說(shuō)明當(dāng)前雞舍通風(fēng)方式不合理，僅開啟的風(fēng)機(jī)不能使該雞舍遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)位置滿足雞體的正常生長(zhǎng)發(fā)育條件以及無(wú)法對(duì)整棟雞舍進(jìn)行通風(fēng)換氣[28]，需要考慮適當(dāng)增大舍內(nèi)氣流流動(dòng)速度，以利于雞舍內(nèi)空氣交換。

表3 溫度、相對(duì)濕度和顆粒物質(zhì)量濃度相對(duì)誤差和NMSETab.3 Relative error and normalized mean squared error value of temperature, relative humidity and particle concentration

3.3.4顆粒物

圖13為截取的蛋雞舍垂直高度為Z=1.5 m的截面PM1、PM2.5、PM10、TSP顆粒物質(zhì)量濃度分布圖。從模擬結(jié)果來(lái)看，PM1質(zhì)量濃度變化范圍為0～1.2 mg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度變化范圍為0～1.4 mg/m3，PM10質(zhì)量濃度變化范圍為0～7.0 mg/m3，TSP質(zhì)量濃度變化范圍為0～10.0 mg/m3，模擬所得顆粒物濃度值與試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)值基本一致。由于北方冬季對(duì)保暖的要求，蛋雞舍內(nèi)大部分區(qū)域風(fēng)速較小，因此顆粒物濃度區(qū)分不大，且分布較均勻。顆粒物主要受風(fēng)速帶動(dòng)氣流流動(dòng)的影響，由于采用負(fù)壓通風(fēng)的原理，空氣由壓力入口向風(fēng)機(jī)出口流動(dòng)，顆粒物由前向后不斷地聚集，且氣流受到雞籠和西墻的阻擋，造成靠近風(fēng)機(jī)一側(cè)顆粒物濃度較高。由于舍內(nèi)氣流速度較小且分布不均勻，導(dǎo)致顆粒物運(yùn)動(dòng)不規(guī)律，從雞體及雞籠位置產(chǎn)生的顆粒物無(wú)法擴(kuò)散出去，易在部分位置形成積累，導(dǎo)致過(guò)道區(qū)域個(gè)別位置濃度極高。在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)位置的PM10與TSP濃度較高，這是因?yàn)殡u舍越長(zhǎng)，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[29]。

3.4 雞舍通風(fēng)口優(yōu)化分析

為解決雞舍舍內(nèi)存在氣流分布不均勻的問(wèn)題，需兼顧對(duì)雞舍進(jìn)行通風(fēng)的同時(shí)還需避免雞群受冷應(yīng)激的矛盾，使得雞舍環(huán)境滿足雞體正常的生長(zhǎng)發(fā)育條件。李文良等[30]利用CFD技術(shù)對(duì)密閉式平養(yǎng)雞舍縱向通風(fēng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板與壁面的傾角明顯影響了舍內(nèi)氣流分布的均勻性。江曉明等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在白天溫度較高(25℃左右)的情況下，導(dǎo)流板開啟角α=67.5°時(shí)較為合理。本文在白天舍內(nèi)溫度超過(guò)20℃的情況下，將原有的導(dǎo)流板與壁面的角度α從45°增加至67.5°，并利用CFD技術(shù)對(duì)舍內(nèi)的溫度、風(fēng)速以及PM1、PM2.5、PM10、TSP的濃度進(jìn)行對(duì)比分析。

3.4.1溫度優(yōu)化分析

圖14為截取的優(yōu)化后蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的7個(gè)平面內(nèi)的溫度分布圖。從模擬結(jié)果來(lái)看，溫度變化范圍為17.8～40.2℃，過(guò)道區(qū)域溫度變化范圍為17.8～28.4℃，平均溫度為23.5℃。和試驗(yàn)雞舍的原有溫度模擬值相比有所下降但下降幅度小，這是因?yàn)榭諝鈴碾u舍側(cè)墻上方的通風(fēng)口進(jìn)入雞舍，進(jìn)入雞舍的氣流會(huì)沿頂棚到達(dá)雞舍的高處，在下降的過(guò)程中會(huì)被逐漸加熱，當(dāng)?shù)竭_(dá)雞群所處高度時(shí)溫差逐漸變小。海蘭褐蛋雞飼養(yǎng)手冊(cè)指出，產(chǎn)蛋期舍內(nèi)的最適溫度為21℃，研究發(fā)現(xiàn)，蛋雞舍溫度的舒適區(qū)間為18～25℃，模擬結(jié)果整體滿足溫度要求。

3.4.2風(fēng)速優(yōu)化分析

圖15為截取的優(yōu)化后蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的 7 個(gè)平面內(nèi)的氣流分布圖。從模擬結(jié)果來(lái)看，氣流速度變化范圍為 0 ～ 3.2 m/s，過(guò)道區(qū)域氣流速度變化范圍為 0～2.8 m/s，和試驗(yàn)雞舍的原有氣流模擬值相比分布更加均勻，這是因?yàn)楫?dāng)α=45°時(shí)，對(duì)稱氣流進(jìn)入舍內(nèi)后在天花板最高處匯流，使舍內(nèi)中間氣流速度相對(duì)較高，遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的一端空氣幾乎不流動(dòng)，均勻性差[31]。由于導(dǎo)流板角度的變化，加大氣流在過(guò)道區(qū)域流速，雞只區(qū)域的風(fēng)速仍然保持在0～1.2 m/s，有利于雞群的生長(zhǎng)條件，遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)端的氣流分布也更加合理。

3.4.3顆粒物優(yōu)化分析

圖16為截取的優(yōu)化后蛋雞舍垂直高度為Z=1.5 m截面PM1、PM2.5、PM10、TSP顆粒物質(zhì)量濃度分布圖。從模擬結(jié)果來(lái)看，PM1質(zhì)量濃度變化范圍為0～0.9 mg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度變化范圍為0～1.1 mg/m3，PM10濃度變化范圍為0～5.6 mg/m3，TSP質(zhì)量濃度變化范圍為0～8.7 mg/m3。與原模擬值相比，PM1質(zhì)量濃度下降17.4%、PM2.5質(zhì)量濃度下降15.9%、PM10質(zhì)量濃度下降18.1%、TSP質(zhì)量濃度下降21.6%。通過(guò)改變通風(fēng)口導(dǎo)流板的角度，增大氣流流動(dòng)速度和增強(qiáng)氣流均勻性，很大程度改善了過(guò)道區(qū)域個(gè)別位置濃度極高的問(wèn)題，使雞體及雞籠位置產(chǎn)生的顆粒物得到很好的擴(kuò)散。增大舍內(nèi)氣流流速，加快帶動(dòng)顆粒物向風(fēng)機(jī)方向流動(dòng)，更多的顆粒物通過(guò)風(fēng)機(jī)排到舍外，舍內(nèi)的顆粒物含量明顯降低，有利于雞體的生長(zhǎng)發(fā)育和更好地改善雞舍舍內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)蛋雞舍內(nèi)顆粒物濃度與熱濕環(huán)境參數(shù)相關(guān)，溫度與PM1、PM2.5濃度呈正相關(guān)性(P<0.01)，相對(duì)濕度與顆粒物濃度呈負(fù)相關(guān)性，對(duì)PM2.5、PM10影響更大(P<0.01)。產(chǎn)蛋不穩(wěn)定期間顆粒物含量較大，雞群活動(dòng)會(huì)引起顆粒物濃度的上升，且對(duì)TSP影響較大；試驗(yàn)雞舍內(nèi)PM10和TSP的質(zhì)量濃度均大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)CFD模擬值與實(shí)測(cè)的顆粒物濃度比較接近，相對(duì)誤差及 NMSE 在可接受的范圍，因此采用該CFD 模型來(lái)模擬蛋雞舍內(nèi)濕熱環(huán)境以及顆粒物濃度是可行的。溫度模擬值與實(shí)測(cè)值最大差值不超過(guò)4℃，相對(duì)誤差為1.23%～8.88%，平均相對(duì)誤差為5.05%。相對(duì)濕度相對(duì)誤差為5.11%～14.00%，平均相對(duì)誤差為9.6%。因冬季對(duì)保暖的要求，雞舍內(nèi)大部分區(qū)域風(fēng)速較小，都在0.5 m/s以下，使得顆粒物分布較均勻。顆粒物濃度模擬值相對(duì)于實(shí)測(cè)值整體偏小。舍內(nèi)部分位置的顆粒物含量較大，需對(duì)試驗(yàn)雞舍進(jìn)行優(yōu)化以改善舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

(3)在白天溫度超過(guò)20℃的情況下，將導(dǎo)流板與壁面的角度α從45°增加至67.5°。與試驗(yàn)雞舍模擬值相比，優(yōu)化后的溫度較之前略有下降，溫度范圍仍為蛋雞舍溫度的舒適區(qū)間。氣流分布更為均勻，增大舍內(nèi)氣流流速，加快帶動(dòng)顆粒物向風(fēng)機(jī)方向流動(dòng)。PM1濃度下降17.4%、PM2.5濃度下降15.9%、PM10濃度下降18.1%、TSP濃度下降21.6%。說(shuō)明適當(dāng)增加導(dǎo)流板與壁面的角度可以有效改善試驗(yàn)雞舍內(nèi)的空氣質(zhì)量，更好地滿足雞只生長(zhǎng)需要。