基于CFD模擬的禽舍內(nèi)氣流組織方式優(yōu)化

閆 安，石 巖，于偉洋

吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院,長春 130118

0 引言

通風系統(tǒng)的作用是減少禽舍中過高的溫度,在禽舍中采用的傳統(tǒng)的通風系統(tǒng)已表現(xiàn)出其保持舒適和均勻的熱環(huán)境的困難性.如果設(shè)計或操作不當,在炎熱的夏天由于產(chǎn)蛋雞生存環(huán)境的惡劣條件下,蛋雞產(chǎn)生熱應激使產(chǎn)蛋率下降和母雞死亡率增加,最終導致產(chǎn)蛋量下降的重大經(jīng)濟損失[1].氣候變化可能會導致更極端的天氣狀況,例如高溫和高降雨天氣,這可能進一步加劇熱應激問題.

在層狀房屋中,室內(nèi)微環(huán)境的均勻性是首要指標,但當空氣沿建筑物長度方向流動時,現(xiàn)行傳統(tǒng)通風方式自然會產(chǎn)生較大的室內(nèi)溫度梯度,較大的熱環(huán)境梯度會導致不同水平面上的采食量、體重變化,甚至卵的大小不同,這是市場上不希望的[2].合理的冷卻是應對熱應激的有效解決方案,但對超高熱負荷的禽舍,通常成本較高.因此需要一種新型通風方式,該方式具有經(jīng)濟可行、冷卻合理的優(yōu)點,可有效提供均勻的室內(nèi)環(huán)境,從而減少蛋雞熱應激的發(fā)病率.

疾病爆發(fā)也是家禽業(yè)面臨的嚴重威脅.20世紀90年代以后,先后爆發(fā)了11次禽流感[3],流感的快速傳播部分是由于高致病性禽流感病毒可以通過氣流在禽舍內(nèi)甚至在農(nóng)場之間傳播[4]，家禽中普遍存在的呼吸道疾病也通過空氣傳播而在禽類中傳染[5].空氣傳播的病原體在各層之間的傳播，主要由室內(nèi)氣流驅(qū)動.目前的通風系統(tǒng)輸送載有病原體的空氣,其空氣在排除之前是先通過位于不同區(qū)域的大量禽類,因此不適用于疾病控制.隨著禽流感對家禽業(yè)的嚴重威脅,雞舍需要新通風系統(tǒng),以提供舒適、安全和均勻的室內(nèi)環(huán)境.

因場地有限,故作為現(xiàn)場測量的替代方法,對層疊式糞肥房屋用計算流體動力學(CFD)進行模擬是預測動物房屋氣流模式和熱環(huán)境的有力工具[6].根據(jù)二維CFD模擬,通過打破傳統(tǒng)向下氣流交叉通風的氣流方向,可以更好地實現(xiàn)通風和室內(nèi)空氣質(zhì)量[7].但是,此模型未經(jīng)驗證,并且二維模型具有有限的能力來解釋室內(nèi)環(huán)境條件的三維分布.Tong,Hong & Zhao開發(fā)了一個完整的三維CFD模型,以模擬典型通風方式商業(yè)化層狀糞肥房屋中的空氣速度、溫度和相對濕度的分布,并通過炎熱和寒冷的天氣條件下進行現(xiàn)場測量[8]對該模型進行驗證.經(jīng)過驗證的CFD模型可用于研究蛋雞舍的新通風方式.

本文旨在為禽舍設(shè)計一種新型夏季通風方式,并與傳統(tǒng)通風方式做通風效率和熱環(huán)境的比較分析,以評估其性能.新型通風方式可通過改善熱環(huán)境來提高禽舍蛋雞產(chǎn)蛋量和產(chǎn)蛋品質(zhì).

1 通風設(shè)計方案

本文模擬了某商業(yè)化禽舍傳統(tǒng)的上送側(cè)回通風方式,設(shè)計了該禽舍新的下送上排置換通風方式,并構(gòu)建了該禽舍上述兩種通風方式的CFD模型.基于CFD模擬結(jié)果,評估了下送上排置換通風方式的效果和熱環(huán)境,并將其與禽舍的傳統(tǒng)通風方式進行了比較.所用基本方程如下：

連續(xù)方程式：

(1)

動量方程式：

(2)

能量方程式：

(3)

式中，ui,uj(i,j=1,2,3)分別表示x,y,z坐標方向的流體流動速度，m/s；ρ是室內(nèi)空氣的密度，kg/m3；t是時間，s；p是壓力，Pa；μ是動力粘度，Pa·s；cp是定壓比熱，J/(kg·℃)；T是溫度，℃；λ是導熱系數(shù)，w/(m·℃)；Fi是動量源項，N/m3；ST是能量源項，W/m3.

1.1 物理模型

本文模擬對象為135 m(L)×20 m(W)×7 m(H)的禽舍內(nèi)環(huán)境.

1.2 氣流組織方式

圖1為禽舍內(nèi)下送上排通風方式.在層狀房屋中，底部設(shè)32個3 m(L)×3 m(W)進風口(每個進風口風速為2 m/s)并配備32個散流器,頂端墻壁上設(shè)三扇可排風的窗戶.

圖2為禽舍內(nèi)上送側(cè)回通風方式.在層狀房屋中,頂端墻壁上安裝了44臺排風扇(直徑為1.32 m、每個排風扇風速為2 m/s),側(cè)面墻壁上設(shè)一扇可排風的窗戶.

圖1 禽舍內(nèi)下送上排通風方式Fig.1 The pattern of the lower supply and upper exhaustventilation in the poultry house

圖2 禽舍內(nèi)上送側(cè)回通風模式Fig.2 The pattern of the upper supply and sidereturn ventilation in the poultry house

1.3 CFD模型

對夏季上送側(cè)回通風方式和下送上回通風方式的禽舍內(nèi)氣流、熱環(huán)境構(gòu)建CFD三維模型.

1.3.1 型號配置

用Gambit 2.2.30創(chuàng)建房屋的幾何形狀和網(wǎng)格,然后將其導入Fluent(美國賓夕法尼亞州ANSYS 16.0)進行CFD模擬.在網(wǎng)格劃分過程中,將區(qū)域劃分為有限體積的小六面體單元,這是針對同一房屋進行網(wǎng)格獨立性測試中最佳網(wǎng)格在劃分的尺寸[9].在每個單元格中,求解(RANS)方程的雷諾數(shù),以解決質(zhì)量、動量和能量守恒問題[10].使用重歸一化(RNG)k-ε湍流模型確定湍流效應,因其在模擬通風動物房屋建筑中的氣流和熱條件方面具有良好的表現(xiàn)[11-13].

1.3.2 假設(shè)

屋頂及天花板與屋頂之間的空間不在計算范圍內(nèi),這是因為它們對于確定室內(nèi)氣流模式和室內(nèi)環(huán)境不是至關(guān)重要的因素.流體被認為是空氣和水蒸氣的混合物,并被認為是不可壓縮的理想氣體,其中氣相的密度僅取決于溫度，不包括化學反應及相變.基于假設(shè)它們對氣流的影響可以忽略不計,建筑物中的較小障礙物(如支線、立柱和管道)也未包括在模型中.

1.3.3 邊界條件

本文模擬夏季上送風側(cè)回風系統(tǒng)送風方式的一個方案及夏季的下送風上回風置換通風系統(tǒng)的一個方案,見表1.

表1 模擬案例Table 1 Simulation cases

2 模擬討論

模擬結(jié)果包括通風效率(空氣速度)和熱環(huán)境(空氣溫度)的三維分布.在夏季條件下,上送風側(cè)回風系統(tǒng)和下送風上回風禽舍的房屋模型.

2.1 常規(guī)氣流組織方式與優(yōu)化后氣流組織方式的效果比較(優(yōu)化模式的結(jié)果分析)

圖3顯示了夏季用上送側(cè)回通風方式層狀房屋的速度場和排風扇由上至下其中一列禽舍的速度場, 在該通道中,上送側(cè)回進入房屋后的空氣主要沿建筑物長度水平方向流向側(cè)壁上的排風口.空氣速度由入口附近的0.2 m/s～0.5 m/s顯著增至出口附近的1.74 m/s～3.48 m/s,導致室內(nèi)空氣速度分布顯著的不均勻.在水平氣流作用下,籠子與籠子之間的空氣交換非常重要,在相比之下,采用置換通風方式空氣主要在過道中向上流至天花板出口處,這樣既可保持均勻通風,又可使氣流流經(jīng)路程最小.

圖4顯示了夏季用下送上回通風方式空氣速度由入口附近的0.7 m/s～0.8 m/s增至出口附近的1.30 m/s～2.09 m/s.優(yōu)化后的通風方式具有經(jīng)濟上可行、合理的冷卻系統(tǒng),可有效提供均勻的室內(nèi)環(huán)境,從而減少蛋雞熱應激的發(fā)病率.

圖3 上送側(cè)回通風方式下禽舍內(nèi)風速場Fig.3 The velocity field under the pattern of the upper supply and side return ventilation in the poultry house

圖4 下送上排通風方式下禽舍內(nèi)風速場Fig.4 The velocity field under the pattern of the lower supply and upper exhaust ventilation in the poultry house

2.2 上送側(cè)回通風方式的熱環(huán)境

圖5給出了夏季上送側(cè)回通風方式中室內(nèi)空氣溫度場.在夏季條件下,上送側(cè)回通風方式在建筑物長度方向上遠離出風口處的空氣溫度升高,接近出風口處的溫度下降,在靠近墻壁的大多數(shù)籠子中觀察到空氣溫度高于30.0 ℃.整體溫度分布很不均勻,可以看到送風口的溫度偏低,這是氣流沒有得到很好的擴散.

圖6給出了夏季優(yōu)化后的通風方式即下送上排通風方式下室內(nèi)空氣溫度分布.因為氣流流經(jīng)的路程變小,由進口溫度到出口溫度,溫差很小,整體溫度分布很均勻,無較大溫度梯度.

圖5 上送側(cè)回通風方式下禽舍內(nèi)溫度場Fig.5 The temperature field under the pattern of the upper supply and side return ventilation in the poultry house

圖6 下送上排通風方式下禽舍內(nèi)溫度場Fig.6 The temperature field under the pattern of the lower supply and upper exhaust ventilation in the poultry house

3 結(jié)論

根據(jù)夏季傳統(tǒng)通風方式即上送側(cè)回通風方式速度場和溫度場的CFD仿真模擬結(jié)果可知,夏季送風速度分布和溫度分布很不均勻,僅從一列禽舍籠子的速度場便可觀察到,頂部的送風速度明顯大于底部的送風速度;由整體速度場可以觀察到,室內(nèi)內(nèi)側(cè)的送風速度明顯小于出口的送風速度.由溫度場可以觀察到,室內(nèi)內(nèi)側(cè)的溫度明顯高于出口處溫度,這種室內(nèi)速度和溫度分布的不均勻性導致了室內(nèi)空氣的不流通性,從而使其內(nèi)部雞的熱應激患病率明顯增高.相對于優(yōu)化后的通風方式即下送上排通風方式縮短了氣流流經(jīng)路徑,且送風口排列緊密,從根本上改善了傳統(tǒng)通風方式下溫度場速度場的不均勻性,降低了雞的熱應激患病率.