基于CFD的某畜禽車廂體內(nèi)機械通風優(yōu)化設計
2024-05-14 14:02:35王朋苗永存王建林吳彥宣傅愛軍
廣西科技大學學報 2024年2期
王朋 苗永存 王建林 吳彥宣 傅愛軍
摘 要：為研究某畜禽車廂體的內(nèi)部結構對廂體溫度場和風速場的影響，并了解廂體內(nèi)氣流的流動狀態(tài)和溫度的分布情況，利用計算流體力學的方法，建立計算流體動力學（computational fluid dynamics， CFD）模型，并對廂體的溫度場和風速場進行仿真分析。將模型的模擬值與實測值進行對比，結果顯示，模擬值與實測值最大絕對誤差為1.8 ℃，溫度值相對誤差范圍在5%以內(nèi)的測點有20個，風速值相對誤差范圍在10%以內(nèi)的測點有21個，模擬得到的結果與實測值擬合度較高。通過改變廂體內(nèi)隔板的結構和通風孔的尺寸及數(shù)量來提供優(yōu)化方案，優(yōu)化后的廂體內(nèi)溫度均勻性得到明顯改善，溫度顯著降低，為畜禽車廂體的內(nèi)環(huán)境優(yōu)化提供可靠基礎。
關鍵詞：畜禽運輸車；計算流體動力學（CFD）；溫度場；風速場
中圖分類號：U469.62；S815.9 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.02.003
0 引言
在畜禽銷售過程中，通常會用專用車進行運輸。以生豬為例，在高溫天氣的運輸過程中，由于畜禽車廂體尾部冷空氣不足，豬產(chǎn)生應激反應，導致豬的死亡率達到30%，甚至高達50%，會造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。為了改善畜禽車廂體的內(nèi)部環(huán)境，降低豬出現(xiàn)應激反應的風險，提高運輸質(zhì)量，減少露天式畜禽運輸車帶來的環(huán)境污染，柳州市某專用車廠設計了一款封閉式恒溫畜禽運輸車。
在設計生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的實驗與測量費時費力，受外部條件影響較大，存在很大的局限性[2]。21世紀以來，隨著計算流體動力學（computational fluid dynamics， CFD）的快速發(fā)展，目前在航空航天、汽車設計、石油、天然氣等工業(yè)領域應用廣泛，也可用于畜牧建筑內(nèi)外氣流研究[3]。雖然國內(nèi)外利用流體力學方法對畜禽車廂體進行模擬與優(yōu)化的成果不多，但模擬結果越來越接近實際環(huán)境下測量的數(shù)據(jù)，能夠反映實際變化規(guī)律[4-6]。Kim等[7]根據(jù)不同環(huán)境下的CFD計算結果，對通風系統(tǒng)的通風量和外部空氣混合比進行內(nèi)環(huán)境評估，確定了維持適當溫度和氣體濃度所需的通風量和外部空氣混合比。房俊龍等[8]通過計算流體力學的方法對豬舍垂直通風擋風板進行結構優(yōu)化，設計出5種優(yōu)化方案，結果表明：CFD模擬溫度場和風速場與實測值的誤差值很小，仿真精度高，并且優(yōu)化后的豬舍內(nèi)環(huán)境溫度較優(yōu)化前降溫效果明顯。吳志東等[9]采用CFD技術對垂直管道通風模式下豬舍內(nèi)的空氣流場進行模擬，并對保育豬舍通風系統(tǒng)進行改造，優(yōu)化后的結果顯示：該垂直送排風管道組合換氣系統(tǒng)可以精確控制豬舍環(huán)境，兼顧冬季豬舍通風與保溫問題。王小超等[10]采用k-ε模型對空載豬舍內(nèi)的溫度和氣流分布進行三維穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬，得到的模擬值與實測值吻合度較高，送風角度為45°時，豬舍內(nèi)溫度分布均勻，滿足豬的生長要求。周麗娜等[11]采用計算流體力學技術對豬舍機械通風條件下的氣流環(huán)境進行研究，對母豬舍進行通風系統(tǒng)優(yōu)化與模擬，結果顯示：試驗豬舍內(nèi)結構設施越簡單，氣流軌跡線分布越密集；豬舍內(nèi)位置越高，氣流速度分布越均勻。
本文對某款封閉式畜禽運輸車廂體內(nèi)的溫度場與風速場進行仿真分析，模擬廂體內(nèi)通風時的溫度和氣流分布情況，并將模擬值與實測值進行對比，以驗證模擬的準確性，為改善廂體內(nèi)環(huán)境提供依據(jù)。
1 研究對象和方法
1.1 畜禽運輸車廂體介紹
本文研究對象為廣西壯族自治區(qū)柳州市某專用車車企設計制造的一款封閉式恒溫畜禽運輸車，該畜禽運輸車后面部分主要由冷熱交換室和廂體組成，如圖1所示。廂體由全鋁合金制作，廂體長寬高分別為9 350、2 440、2 570 mm，整車整備質(zhì)量為15 500 kg。
該畜禽運輸車廂體分為上、中、下3層，每一層又分為左側限位欄和右側限位欄；每一側分為4個限位區(qū)，一共24個限位區(qū)，每個限位區(qū)裝載3～5頭生豬，總裝載量為72～120頭生豬。廂體內(nèi)部結構如圖2所示。
冷熱交換室的冷空氣通過9個進風口送入廂體內(nèi)部，進風口為9個完全相同的圓形風洞，直徑D=316 mm，每層進風口數(shù)量設置為水平方向上3個，位置設置在廂體前端，與冷熱交換室共壁面，標號為1—9號。出風口位于廂體后端的第四限位欄壁面上，其中每一層每一側有1個出風口，共計6個出風口，出風口直徑一致為D=265 mm，進風口、出風口位置分布如圖3所示。在9個進風口中，1—3號和7—9號進風口與每層的通風管道相連接，冷空氣通過通風管道送入廂體內(nèi)相應的限位區(qū)。4—6號進風口由于廂體內(nèi)部結構特殊的原因，未與通風管道進行連接，冷空氣直接通過4—6號進風口送入廂體內(nèi)部，通風管道結構如圖4所示。
1.2 實際測量
生豬處于高溫的環(huán)境下極易出現(xiàn)應激反應，隨之也會導致免疫力下降，從而造成損失，生豬能夠接受的環(huán)境溫度為25.0～38.0 ℃[12]。本次實地測量時間為2023年5月4日，選擇時間段為13：00～15：00。使用的測量儀器有：德圖高精度熱敏風速儀（Testo 405i，量程為0～30 m/s，精度0.1 m/s）；優(yōu)利德藍牙風速儀（量程為0～30 m/s，精度為0.1 m/s）；小米室內(nèi)高精度溫度計（溫度量程-9.9～50.0 ℃，精度為0.1 ℃；濕度量程0～99.9% RH，精度為0.1 RH）；Cheerman紅外線測溫儀（溫度量程-50.0～500.0 ℃，精度為0.1 ℃）。德圖高精度熱敏風速儀和小米室內(nèi)高精度溫度計分別放置在9個進風口處進行測量，測量3次并求取平均值，測得的進風口處進風速度值和溫度值作為模擬的邊界條件。其余24個小米室內(nèi)高精度溫度計分別放置在24個限位欄中間位置，且每層測點依次距離第一層地板高度H1=260 mm、H2=1 050 mm、H3=1 850 mm處，第一層測點標號如圖5所示。廂體的6個壁面溫度值均由Cheerman紅外線測溫儀測量得到。經(jīng)過測量之后，廂體的實測數(shù)據(jù)如表1所示。
2 CFD模型搭建與模擬
2.1 基本控制方程
流動仿真計算的過程中需要滿足三大微分方程，即連續(xù)性方程、動量方程及能量方程[13]。
2.2 物理模型建立
為了在保證計算精度準確的條件下減少計算機的工作量，根據(jù)研究對象及實物圖的具體結構，直接處理掉對研究分析無影響的一些構件，如：冷熱交換室、尾部液壓升降板、駕駛室及底盤部分等。再通過ANSA軟件對搭建的模型進行前處理及網(wǎng)格生成，其中每個限位欄的長、寬、高依次為2 025、1 220、810 mm，最終得到的模型圖如圖6所示。
2.3 網(wǎng)格劃分
將ANSA處理好的模型導入STAR CCM+中，并設置域和邊界，包括：進風口（inlet_air）、排風口（outlet_air）、左壁面（wall_left）、右壁面（wall_right）、送風管道（airflue）、底板（floor）、頂板（roof）、柵欄（handrail）。
通過STAR CCM+軟件對搭建的模型進行網(wǎng)格劃分。一般而言，網(wǎng)格數(shù)量越多，計算結果的精度越高，但網(wǎng)格的數(shù)量越多，計算的成本就會越高，因此需要對結構進行合理的網(wǎng)格劃分[14]。利用該軟件的重疊網(wǎng)格技術對整個廂體進行內(nèi)流場分析，由于進風口和通風管道在整個網(wǎng)格劃分中的重要性，以及影響到仿真計算的整體效率和準確性，需要對進風口和通風管道的網(wǎng)格進行加密處理并增加選擇棱柱層網(wǎng)格模型，將inlet_air和outlet_air網(wǎng)格尺寸設置為8 mm，airflue網(wǎng)格尺寸設置為10 mm。其他部分則進行一般的網(wǎng)格劃分處理，將roof、wall、floor、handrail網(wǎng)格尺寸設置為40 mm。進行加密處理后，最終生成網(wǎng)格單元1 250萬個，網(wǎng)格面3 760萬個。廂體網(wǎng)格劃分圖如圖7所示。
2.4 邊界條件設置
為了使仿真模擬的數(shù)據(jù)更為準確、與實測值更為吻合，邊界條件的選取尤為重要。
1）模型狀態(tài)選擇
由于在實測時選取全天氣候最穩(wěn)定的時間，因此可以認為實測中環(huán)境溫度基本保持不變。實測時，冷熱交換器也保持穩(wěn)定工作狀態(tài)，由此可以認為廂體內(nèi)的內(nèi)環(huán)境是穩(wěn)態(tài)環(huán)境。故模擬狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)模擬，湍流模型為標準k-ε模型[15-16]。
2）流體初始條件選取
設置9個進風口為速度進口，6個出風口為壓力出口，出風口速度及溫度由實際測量所得。根據(jù)設計手冊[17]，除底部以外的其他5個面的對流系數(shù)取5 W/（m2·K），壓力出口為常壓出口[18]。廂體6個壁面中，底面設置為絕熱狀態(tài)，其他壁面設置為溫度狀態(tài)，溫度值均由實測所得。廂體實測邊界條件如表1所示，其余壁面設置為無滑移的絕熱壁面。重力方向為-Y方向，取值9.81 m/s2。故進行模擬仿真時進風口溫度選取15.0 ℃，速度為4 m/s。
3）湍流模型選擇
流體的流動狀態(tài)在自然界中主要有2種形式，即層流和湍流[19]。為了判斷冷空氣在廂體內(nèi)的流動狀態(tài)，引入雷諾數(shù)Re，其表示方式為[Re=ρνd／μ]，其中[ρ]為流體的密度，[ν]表示流體的流速，d表示特征長度，[μ]表示流體的動力黏度。當Re≤2 300時，流體的流動狀態(tài)判定為層流；當2 300
3 模擬結果分析與優(yōu)化
3.1 廂體模擬結果分析
3.1.1 風速場
模擬風速矢量圖結果如圖8所示，冷空氣由進風口輸入時速度最大，達到3.9～4.0 m/s，隨著向后輸送，速度越來越慢，在垂直方向第四限位欄的風速值達到最低，風速小于0.5 m/s。冷空氣在垂直方向前兩欄送風時上部分呈現(xiàn)平行于地板流動、下部分出現(xiàn)明顯的回流現(xiàn)象。第三、第四限位欄風速值不高且呈現(xiàn)明顯的回流及渦流現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因是：一方面，通過4—6號通風口進入廂體的冷空氣在通過垂直方向上的第一與第二、第二與第三、第三與第四之間的限位隔板時受到阻礙，導致后部冷空氣量逐漸減少，并產(chǎn)生回流現(xiàn)象；另一方面，由于冷空氣通過通風管道從通風孔處通向限位區(qū)域時，垂直方向上第一、第二限位欄區(qū)域由于冷空氣在通風管道中沒有消減，而通過第三、第四限位欄區(qū)域的冷空氣失去了原有的動量，導致在尾部因冷空氣不足而產(chǎn)生風速低的現(xiàn)象。尾部由于門板的阻礙，導致氣流無法流通而產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，此問題不容易得到解決。
3.1.2 溫度場
模擬廂體溫度云圖如圖9所示，3個截面云圖分別取自廂體的不同高度。由圖9中得出：廂體內(nèi)溫度分布極為不均，并且?guī)w尾部溫度明顯高于前端部分，達到26.0～34.0 ℃，廂體第三層尾部溫度格外高，達到33.0～35.0 ℃；每層中間部分溫度稍低，達到16.0～24.0 ℃，但中間位置向兩側的溫度則逐漸升高。造成廂體內(nèi)溫度分布不均的原因是：冷空氣通過通風管道從通風孔處通向限位區(qū)域時，垂直方向上第一、第二限位欄區(qū)域由于冷空氣在通風管道中沒有消減，直接通過通風孔進入相應的區(qū)域，與熱氣流進行能量交換，使得溫度降低；而通過第三、第四限位欄區(qū)域的冷空氣失去了原有的動量，導致在尾部冷空氣不足且流速過慢，進而進入第三、第四限位區(qū)域的冷空氣量較少，導致熱氣流得不到良好的熱交換，使得區(qū)域溫度升高。兩側與中間位置溫度分布差異大，是由于4—6號進風口不需要通風管道進行輸送，冷空氣直接從4—6號進風口進入廂體，使得中間熱氣流能夠得到較好的熱交換；而兩側部分的冷空氣來源只有通過通風管道進來的冷空氣進行熱交換，由于通風管道的冷空氣量與直接從4—6號通風口進入的冷空氣量存在較大的差異，由此產(chǎn)生兩側較中間位置溫度高的現(xiàn)象。很明顯，廂體內(nèi)這樣的內(nèi)環(huán)境不適合生豬的長距離運輸，需要對廂體內(nèi)的結構進行優(yōu)化設計。
3.2 模擬值與實測值驗證
圖10為廂體內(nèi)24個測點的實測風速值和模擬風速值，其中風速值相對誤差范圍在10%以內(nèi)的測點有21個，最大絕對誤差為0.24 m/s。從對比結果中可以看出模擬值與實測值的誤差范圍較小，近似吻合。部分模擬值與實測值存在誤差，可能是由于湍流模型模擬流場時存在一定的偏差；測量環(huán)境與模擬環(huán)境存在差異，但整體擬合度較高，不影響整體的分析與優(yōu)化。
3.2.1 溫度場驗證
圖11為廂體內(nèi)24個測點的實測溫度值和模擬溫度值，其中溫度值相對誤差范圍在5%以內(nèi)的測點有20個，個別測點的誤差偏大，最大絕對誤差為1.8 ℃。從對比結果中可以看出模擬值與實測值的誤差范圍較小，近似吻合。部分模擬值與實測值存在誤差，可能是由于實測時的環(huán)境與模擬的邊界條件存在差異，但整體擬合度較高，不影響整體的分析與優(yōu)化。
3.2.2 驗證結果
通過風速值和溫度值的對比驗證，可以得出模擬值與實測值擬合度較高，說明利用計算流體力學的方法來研究畜禽運輸車廂體的流動狀態(tài)和溫度分布是可行的，利用STAR CCM+軟件設置的邊界條件是合理、準確的，可以利用該方法進一步對廂體內(nèi)的結構進行優(yōu)化。
3.3 優(yōu)化廂體內(nèi)部結構對流場分布的影響
3.3.1 改變通風圓孔數(shù)量及大小對廂體內(nèi)氣流分布的影響
廂體內(nèi)每層每側有2個通風管道，每個通風管道的通風口數(shù)量及尺寸一致，直徑為D=40 mm。通過以上分析得知，需要改變廂體內(nèi)某些結構來解決廂體內(nèi)溫度分布不均、兩側較中間位置溫度高的問題。為了解決此問題，本文將通風圓孔的尺寸及數(shù)量進行調(diào)整。在進風溫度和速度不變的情況下，將垂直方向上的第一、第二限位欄區(qū)域的通風管道通風孔由原來的32個改為8個，通風孔尺寸不變，每一限位區(qū)4個通風孔。另將垂直方向上的第三、第四限位欄通風圓孔尺寸由原來的D=40 mm改為D=60 mm，通風圓孔數(shù)量不變。結構優(yōu)化圖如圖12所示，經(jīng)過更改后的模擬云圖如圖13所示?？梢钥闯觯?jīng)過優(yōu)化后的溫度圖較優(yōu)化前有了明顯的改善，廂體內(nèi)溫度分布較優(yōu)化前較為均勻，并且未出現(xiàn)高溫區(qū)域；兩側較中間位置溫度有了明顯的改善，兩側溫度與中間位置溫度相近且均勻度良好。水平方向上第三層后面部分的溫度為25.0 ℃左右的原因是冷空氣與廂體內(nèi)的熱氣流進行熱交換后，高溫空氣聚集在尾部，由于高溫空氣向上流動的原因，導致較多的高溫氣流聚集在上層尾部，最后通過排氣口排出廂體。經(jīng)過優(yōu)化后的溫度云圖可知，該優(yōu)化方案是可行的，對于解決廂體內(nèi)溫度分布不均、兩側與中間位置溫度差異大等問題具有良好的效果。
3.3.2 鏤空隔板結構對廂體內(nèi)氣流分布的影響
通過以上分析得知，需要改變廂體內(nèi)某些結構來解決廂體內(nèi)尾部溫度高、存在大量冷空氣回流和尾部渦流現(xiàn)象的問題。本文將廂體內(nèi)的限位隔板改成鏤空式限位隔板，與每層上面部分的結構相同，以減少冷空氣回流，讓更多的冷空氣能夠輸送到后面部分進行熱交換。隔板結構優(yōu)化圖如圖14所示，經(jīng)過優(yōu)化后的風速矢量圖如圖15所示。通過改變限位隔板的結構，使得大量的冷空氣能夠被輸送到后面部分且回流現(xiàn)象明顯減少。圖13顯示，經(jīng)過優(yōu)化后的廂體溫度有了明顯的改善，溫度與優(yōu)化前有了明顯的降低，效果良好。
4 結論
1）通過計算流體力學的方法對畜禽運輸車的內(nèi)環(huán)境進行模擬，得出的模擬值與實測值相比，擬合度較高，說明利用計算流體力學的方法對畜禽運輸車的內(nèi)環(huán)境進行模擬是可行的，在仿真過程中設置的邊界條件是正確的、合理的，為后面的進一步優(yōu)化仿真提供了理論支撐和技術支持。
2）通過模擬得出溫度云圖和風速矢量圖，可以直觀地分析造成廂體內(nèi)溫度分布不均的原因是流經(jīng)第一和第二限位區(qū)域的冷空氣量與第三、第四限位區(qū)域的冷空氣量存在差異；兩側溫度值與中間溫度值存在差異的原因是兩側的冷空氣量與中間位置的冷空氣量不同；廂體尾部風速低且存在大量回流現(xiàn)象的原因是每2個限位區(qū)域之間的限位隔板阻礙了冷空氣向后方流動。這為后面進一步對廂體的內(nèi)部結構進行優(yōu)化提供了參考。
3）通過優(yōu)化后的方案，使得廂體的溫度分布較優(yōu)化前有了明顯的改善，溫度大幅度降低且回流現(xiàn)象較少，效果顯著，兩側與中間溫度分布較為均勻，說明本文的優(yōu)化方案是可行的，整體溫度符合生豬的運輸環(huán)境。
4）本文未將生豬作為邊界條件進行分析，后續(xù)需要將生豬作為模擬中的邊界條件進行運算分析。本文只分析畜禽運輸車在空載狀態(tài)下的內(nèi)環(huán)境，其結果顯示優(yōu)化方案可行，為改善畜禽運輸車的內(nèi)環(huán)境提供參考。
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Optimization design of mechanical ventilation of the carriage body of a livestock and poultry carrier based on CFD simulation
WANG Peng1， MIAO Yongcun1， WANG Jianlin1， WU Yanxuan2， FU Aijun*1
（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China; 2. Sinotruk Liuzhou Yunli Special Purpose Vehicle Co.， Ltd.， Liuzhou 545100， China）
Abstract： To study the effect of the internal structure of the carriage of a livestock and poultry carrier on temperature field and wind speed field， and to understand the flow state and temperature distribution of the air flow in the carriage， the CFD model was established by using the computational fluid dynamics （CFD） method， and the temperature field and wind speed field of the carriage were simulated and analyzed. By comparing the simulated values of the model with the measured values， the results show that the maximum absolute error between the simulated values and the measured values is 1.8 ℃; there are 20 measuring points with the relative error range of temperature value within 5%; and there are 21 measuring points with the relative error range of wind speed value within 10%. The simulated results are in good agreement with the measured values. By changing the structure of the bulkhead in the carriage body and the size and number of the ventilation holes， the optimization scheme is provided. After the optimization， the temperature uniformity in the carriage body is significantly improved and the temperature is significantly reduced， which provides a reliable basis for the optimization of the internal environment of the carriage.
Keywords： livestock and poultry carrier; computational fluid dynamics （CFD）; temperature field; wind speed field
（責任編輯：黎 婭）
收稿日期：2023-06-05；修回日期：2023-09-22
基金項目：柳州市科技計劃項目（2021AAA0115）資助
第一作者：王朋，在讀碩士研究生
*通信作者：傅愛軍，教授，碩士生導師，研究方向：汽車結構優(yōu)化，E-mail：2394523982@qq.com
