陳昭輝，馬一暢，劉 睿，郭 霏，劉繼軍※，楊食堂（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 10019；2. 動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10019；. 北卡羅來納州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)，羅利 27606；. 高安市裕豐農(nóng)牧有限公司，高安 0800）

夏季肉牛舍濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境CFD模擬

陳昭輝1,2，馬一暢1,2，劉 睿3，郭 霏1,2，劉繼軍1,2※，楊食堂4
（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193；2. 動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；3. 北卡羅來納州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)，羅利 27606；4. 高安市裕豐農(nóng)牧有限公司，高安 330800）

為了研究濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于肉牛舍的夏季降溫效果，該試驗(yàn)在現(xiàn)場環(huán)境指標(biāo)實(shí)測的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的方法對濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)肉牛舍的氣流場與溫度場進(jìn)行模擬，并對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。模擬時(shí)將牛只按與實(shí)物原型等比例引入到模型中，結(jié)果表明：舍內(nèi)溫度分布均勻，但受牛體擋風(fēng)的影響，氣流分布不均，高風(fēng)速區(qū)主要集中在屋頂及飼喂走道，可達(dá)0.9～1.2 m/s；?；顒?dòng)區(qū)域風(fēng)速較小，均小于0.6 m/s，不能滿足飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在75個(gè)風(fēng)速測定點(diǎn)剔除異常值后，氣流場的相對誤差范圍為0.16%～94.41%，平均相對誤差為34.53%，45個(gè)溫度測點(diǎn)的相對誤差范圍為0.09%～10.74%，平均相對誤差4.71%。通過溫度場吻合性結(jié)果確定模擬與實(shí)測有較好的吻合度。在不改變牛舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)及舍內(nèi)構(gòu)造的前提下，對牛舍進(jìn)行優(yōu)化，舍內(nèi)安裝導(dǎo)流板，使得溫度與氣流場的分布均勻性顯著提高，降溫效果更為顯著。該研究可為濕簾風(fēng)機(jī)牛舍的優(yōu)化設(shè)計(jì)和環(huán)境調(diào)控提供參考。

溫度；模型；流場；肉牛舍；濕簾風(fēng)機(jī)；縱向通風(fēng)；CFD

0 引言

肉牛耐寒不耐熱，高溫高濕環(huán)境易引發(fā)肉牛熱應(yīng)激，造成采食量和日增重的明顯下降[1-2]。因此，對于高溫地區(qū)，采取適宜的降溫措施十分必要。

濕簾風(fēng)機(jī)負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)的降溫效率可達(dá)85%以上，是農(nóng)業(yè)設(shè)施中最有效、最經(jīng)濟(jì)的降溫方式[3-4]。20世紀(jì)50年代，Morris首先將濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于溫室并發(fā)現(xiàn)較好的降溫趨勢[5]。Huang等根據(jù)濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的原理與要求，結(jié)合PLC理論設(shè)計(jì)了畜舍自動(dòng)調(diào)控方案，很好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟閉[6]。Liao等通過對濕簾不同材質(zhì)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)纖維濕簾設(shè)計(jì)更具降溫能力，適宜厚度為10～30 cm[7]。隨著理論研究的進(jìn)一步深入，濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)開始應(yīng)用于畜舍且效果較好。龔建軍等采用濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)對妊娠豬舍在高溫季節(jié)的降溫效果進(jìn)行分析，舍內(nèi)溫度均在25～29 ℃，熱空氣經(jīng)濕簾可降低7.06 ℃，受外界溫度變化影響小，且氣體濃度均在各標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[8]。由于濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)適用于密閉舍，因此該系統(tǒng)在中國夏季肉牛舍降溫方面應(yīng)用較少。

隨著計(jì)算機(jī)時(shí)代的來臨，基于計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的數(shù)值模擬方法已被用于預(yù)測估計(jì)畜舍內(nèi)的氣流、氣體濃度或其他環(huán)境因子情況[9-10]。為提高CFD模擬精確性，Blanes-Vidal等使用4種邊界條件模型對機(jī)械通風(fēng)雞舍的氣流場進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整舍內(nèi)風(fēng)速可提高模型精確度，利于對舍內(nèi)氣流的預(yù)測[11]。盡管CFD數(shù)值模擬對動(dòng)物生產(chǎn)的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，然而對于CFD最先進(jìn)的研究發(fā)展還沒有相應(yīng)綜述，且大多數(shù)模擬都沒有考慮舍內(nèi)動(dòng)物的存在，或者是沒有將試驗(yàn)動(dòng)物等比例置于模擬畜舍內(nèi)，對于動(dòng)物體的模擬也只是將動(dòng)物簡化為發(fā)熱的板狀結(jié)構(gòu)[12-14]。為解決動(dòng)物體模型問題，鄧書輝等對低屋面橫向通風(fēng)牛舍的氣流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，并將與實(shí)際等比例的奶牛模型引入到計(jì)算模型中，這對于準(zhǔn)確模擬舍內(nèi)的空氣流動(dòng)是非常重要的[15]。Li等通過對滿載豬舍的氣流分布進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)出確保畜舍建模精確的驗(yàn)證方法，為評(píng)價(jià)模擬結(jié)果準(zhǔn)確性與精確性提供理論依據(jù)[16]。

由于濕簾風(fēng)機(jī)負(fù)壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)還未在拴系肉牛舍中采用，且卷簾牛舍較少用數(shù)值模擬的方法研究，故本試驗(yàn)利用計(jì)算流體力學(xué)CFD的方法探究該系統(tǒng)肉牛舍的降溫效果以及溫度和氣流的分布狀況，并嘗試對模型進(jìn)行改進(jìn)，為該系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)牛舍原型

本試驗(yàn)在江西省宜春市（28.25°N，115.2°E）的國家肉牛體系高安試驗(yàn)站進(jìn)行。該地區(qū)6—9月平均相對濕度約80%，溫濕指數(shù)（temperature-humidity index, THI）≥74的天氣約占72%，7、8月份全月THI都在78以上[17]。試驗(yàn)牛舍為東西走向，長度54 m，跨度12 m，檐高4.2 m，雙列中走道布置，屋頂為雙坡彩鋼板屋面。南北墻通長設(shè)置2.7 m卷簾窗，窗臺(tái)高1.5 m。西側(cè)山墻設(shè)有寬3 m、高3.6 m的鐵門，兩側(cè)裝有4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為EM50（蒙特空氣處理設(shè)備（北京）有限公司生產(chǎn)），額定風(fēng)量為38 048 m3/h，功率1.1 kW，風(fēng)機(jī)下端距舍內(nèi)地面0.5 m。東側(cè)山墻中間裝有長9 m，高1.8 m，厚150 mm的濕簾，被兩根直徑60 mm的構(gòu)造柱分為3部分（中間濕簾尺寸為2.66 m×1.80 m，兩邊濕簾尺寸分別為2.57 m× 1.80 m），濕簾下端距舍內(nèi)地面0.5 m（圖1）。

圖1 濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)布置Fig.1 Arrangement plan of fan-pad cooling system

1.2 環(huán)境指標(biāo)檢測

1.2.1 檢測方法

2014年7—8月對拴系飼養(yǎng)58（平均質(zhì)量500 kg）頭西門塔爾牛的試驗(yàn)舍進(jìn)行環(huán)境檢測，內(nèi)容包括溫度、相對濕度、風(fēng)速、圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度、肉牛體表溫度和體尺。對于風(fēng)速的測定：如圖2a、2b所示，選取肉牛躺臥、站立和上方區(qū)域進(jìn)行測定，高度為0.6、1.2、1.8 m。使用1臺(tái)三維超聲波風(fēng)速儀81000，對75個(gè)風(fēng)速測點(diǎn)進(jìn)行測定。對于溫、濕度的測定：距地面0.6、1.2、1.8 m處采用手持溫濕、度測定儀（Testo625）對45個(gè)溫度測點(diǎn)進(jìn)行測定，同時(shí)2.3 m處懸掛溫濕度自動(dòng)記錄儀（Apresys 179A-TH），每5 min自動(dòng)記錄1次溫、濕度。對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度、肉牛體表溫度的測定：沿長度方向每隔6 m截取一個(gè)剖面，各剖面布點(diǎn)如圖2b，使用紅外熱像儀（Fluke Ti400）分別測定屋面、卷簾、墻體、臥床、飼喂走道的紅外溫度。對于進(jìn)出口邊界條件的測定：如圖2c、2d，使用三維超聲波風(fēng)速儀81000測定進(jìn)出口風(fēng)速，各點(diǎn)懸掛溫、濕度自動(dòng)記錄儀測定濕簾與4臺(tái)風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口溫濕度。

圖2 環(huán)境指標(biāo)測定點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement plan of environmental testing points

各環(huán)境指標(biāo)每天測定3次，測定時(shí)間10:00、14:00、18:00，此時(shí)為全天舍外溫度剛剛升高、溫度最高、溫度開始降低的時(shí)刻，且通過對各點(diǎn)同一時(shí)刻的溫濕度自動(dòng)記錄儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1 h內(nèi)溫度值差異不顯著，因此忽略測試時(shí)間對實(shí)測值的影響。舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)測定布點(diǎn)如圖2a、2b（A為靠近濕簾端，E為靠近風(fēng)機(jī)端，1Aa表示第1列、第1排、1.8 m高測點(diǎn)）；舍外環(huán)境指標(biāo)測定選取靠近試驗(yàn)舍且避免陽光暴曬、避雨處作為采樣點(diǎn)。

1.2.2 試驗(yàn)儀器

表1 試驗(yàn)儀器表Table 1 List of test instruments

1.3 控制方程

任何流體的流動(dòng)均遵循三大基本定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律[18-20]。計(jì)算流體力學(xué)是將以三大定律為基礎(chǔ)推導(dǎo)的微積分方程或偏微分方程轉(zhuǎn)換成離散代數(shù)的形式，然后求解這些代數(shù)方程以得到離散的空間和時(shí)間點(diǎn)上的流場數(shù)值。本模擬中不考慮通風(fēng)過程中的能量交換和組分變化，空氣簡化為不可壓流體，定常流動(dòng)，則控制方程組簡化為

質(zhì)量守恒方程

式中p是微元體上的壓力，Pa；V是速度矢量，m/s；u、v、w分別表示流體質(zhì)點(diǎn)速度的3個(gè)分量，m/s；τxx、τxy、τxz分別是因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力的分量；ρ?為微元體上的體力；K為熱傳導(dǎo)率，W/(m·K)；T為流體溫度，℃；q為單位質(zhì)量體積熱的增長率；ρ為流體密度，kg/m3。

1.4 計(jì)算模型

1.4.1 牛舍模型

牛舍的3D模型如圖3所示，以牛舍地面上長度（54 m）的1/2和跨度（12 m）的1/2的交叉點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，牛舍跨度方向?yàn)閄方向， 垂直于地面方向?yàn)閅方向，牛舍長度方向?yàn)閆方向。牛舍為全封閉舍，舍內(nèi)氣流變化主要受卷簾密閉性、肉牛位置分布影響。為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，增強(qiáng)試驗(yàn)可操作性，對模型進(jìn)行簡化處理，模型與實(shí)體建筑等比例創(chuàng)建，忽略牛舍中栓牛欄桿對氣流和傳熱的影響，忽略舍外風(fēng)速（漏風(fēng)等）對舍內(nèi)氣流的影響。

圖3 濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)牛舍三維幾何模型Fig.3 Three-dimensional geometric model of fan-pad evaporative cooling system of beef cattle barn

1.4.2 肉牛模型

肉牛的3D模型如圖4所示：由于牛舍中肉牛的存在對舍內(nèi)氣流場和溫度場均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此將肉牛模型與實(shí)際牛體等比例創(chuàng)建引入到計(jì)算模型中，對于提高模擬的準(zhǔn)確性十分重要。本文根據(jù)實(shí)測的10頭試驗(yàn)牛的體高、體尺，等比例創(chuàng)建了肉牛三維模型?？紤]到肉牛的耳朵、尾巴、蹄等細(xì)小部位在劃分網(wǎng)格時(shí)需要大量的網(wǎng)格，而這些部位對舍內(nèi)氣流場的影響較小，為了節(jié)省計(jì)算資源，在不影響模型精度的前提下，創(chuàng)建模型時(shí)忽略了牛的這些部位。

圖4 肉牛模型及網(wǎng)格劃分Fig.4 Three-dimensional geometric model and meshing of beef cattle

1.4.3 網(wǎng)格劃分

模擬時(shí)，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在氣流進(jìn)出口處對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以確保氣流場的精確模擬。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢測，確定最大網(wǎng)格尺寸為1 024 mm，風(fēng)機(jī)、濕簾等局部網(wǎng)格最大尺寸為256 mm，肉牛表面網(wǎng)格最大尺寸為128 mm，網(wǎng)格單元數(shù)量為1 711 124個(gè)。

1.4.4 材料定義

通過查閱相關(guān)資料和計(jì)算[21-24]，定義了圍護(hù)結(jié)構(gòu)和肉牛的密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。其中肉牛的密度為1 080 kg/m3，比熱為3 500 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.491 W/(m·K)，產(chǎn)熱量為280.607 3 W/m3；表2為維護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 2 Parameters of building envelopes materials

1.5 流體域及邊界條件

1.5.1 濕簾入口

為準(zhǔn)確模擬空氣流經(jīng)濕簾時(shí)壓力損失與氣流速度之間的關(guān)系，濕簾區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)。進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口（velocity inlet），經(jīng)測定，過簾風(fēng)速分別為1.49、1.52、1.54 m/s，風(fēng)速角度垂直于邊界，初始溫度為300.87 K（27.7 ℃）。

由于隨著風(fēng)速的增加，通風(fēng)阻力也會(huì)顯著提高[25]。有限厚度的多孔介質(zhì)的黏性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)根據(jù)Darcy定律如下式所示[26-27]

式中Δppad為壓力降，Pa；1/α為黏性阻力系數(shù)，1/m2；C2為慣性阻力系數(shù)，1/m；μ為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；vpad為過簾風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Δm為濕簾厚度，m。

牛舍濕簾的阻力特性曲線表達(dá)式為[15]

根據(jù)式（6）和式（7）計(jì)算多孔介質(zhì)的黏性阻力系數(shù)1/α和慣性阻力系數(shù)C2。

1.5.2 風(fēng)機(jī)出口

出風(fēng)口設(shè)置為基于壓力出口的排風(fēng)扇邊界（exhaust fan），由測定得：四臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速大小分別為3.77、3.89、3.82、3.91 m/s，并依據(jù)風(fēng)速推算出目標(biāo)流量與壓強(qiáng)躍升量，如表3所示。

表3 排風(fēng)扇邊界條件Table 3 Boundary condition of fan

1.5.3 溫度邊界

流場中其他壁面均設(shè)置為無滑移的墻面邊界，熱力學(xué)邊界設(shè)置為溫度邊界條件，根據(jù)紅外熱像儀測定數(shù)據(jù)，具體設(shè)定數(shù)值如表4所示。

表4 溫度邊界條件Table 4 Boundary condition of temperature

1.6 數(shù)值求解

采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值求解，模擬選用realizable k-ε湍流模型，近壁區(qū)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SIMPLE算法，動(dòng)量和湍流動(dòng)能選用二階迎風(fēng)格式。

2 結(jié)果與分析

2.1 CFD模擬驗(yàn)證

2.1.1 氣流場的驗(yàn)證

氣流場采用相對誤差作為模擬值精確度的衡量指標(biāo)。相關(guān)研究對豬舍或LPCV牛舍進(jìn)行CFD模擬過程中，測定點(diǎn)的平均相對誤差范圍多處于17.1%～30.8%之間，模擬值與實(shí)測值具有較高的吻合度[15,28-29]。

圖5a為本試驗(yàn)各測定點(diǎn)風(fēng)速實(shí)測值與模擬值。通過對氣流場的吻合度分析發(fā)現(xiàn)，在75個(gè)風(fēng)速測定點(diǎn)中，E1a、E1b、E1c、A5a、E5a 5個(gè)測點(diǎn)實(shí)測風(fēng)速過小，判斷為異常值，認(rèn)為是肉牛擋風(fēng)所致。剔除異常值后，氣流場的相對誤差范圍為0.16%～94.41%，平均相對誤差34.53%，略高于理想值。

2.1.2 溫度場的驗(yàn)證

溫度場也采用相對誤差作為模擬值精確度的衡量指標(biāo)。相關(guān)研究對豬舍與LPCV奶牛舍的模擬中，實(shí)測值與模擬值的最大絕對誤差為1.4 ℃，平均相對誤差0.5%～2%之間，認(rèn)為溫度的模擬值與實(shí)測值之間擬合度較高[28-30]，但是這些模擬多為空載試驗(yàn)獲得的模擬結(jié)果。

圖5b為本試驗(yàn)各測定點(diǎn)12:00時(shí)刻溫度實(shí)測值與模擬值的比較，通過對溫度場的吻合度分析發(fā)現(xiàn)，45個(gè)溫度測點(diǎn)的相對誤差范圍為0.09%～10.74%，平均相對誤差4.71%。

2.1.3 驗(yàn)證結(jié)果分析

首先，經(jīng)過實(shí)際測定，該試驗(yàn)肉牛舍平均溫度為31.06 ℃，屬于高溫環(huán)境，而牛的產(chǎn)熱量根據(jù)CIGR公式計(jì)算而來，由于高溫時(shí)牛的體熱調(diào)節(jié)導(dǎo)致產(chǎn)熱量增加但無法找到修正方法，故牛的實(shí)際產(chǎn)熱量高于計(jì)算值，這是造成溫度實(shí)測值偏高的主要原因；其次，該試驗(yàn)舍為卷簾牛舍，其隔熱性能較豬舍與LPCV牛舍差，導(dǎo)熱性能快，從而造成溫度實(shí)測值偏高；最后，大多模擬采用空載畜舍進(jìn)行吻合性驗(yàn)證，或?qū)?dòng)物體簡化為板狀結(jié)構(gòu)，且模擬中動(dòng)物模型的位置是固定的，但實(shí)際飼養(yǎng)中肉牛的排列、走動(dòng)、分布等時(shí)刻變化，這是影響風(fēng)速吻合性驗(yàn)證不理想的主要原因。

雖然本試驗(yàn)吻合性不理想，但圖5中實(shí)測值與模擬值表達(dá)的變化趨勢較一致，尤其風(fēng)速模擬為靠近濕簾端和風(fēng)機(jī)端風(fēng)速較高，而中間區(qū)域風(fēng)速較低，與實(shí)際趨勢吻合，因此認(rèn)為該模型能夠模擬實(shí)際狀況下的風(fēng)速與溫度變化，可以基于此模型來預(yù)測濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

2.2 模擬結(jié)果

由于牛體高約1.3 m，該模擬截取的Y=1 000 mm的截面恰為牛體高度的中部區(qū)域、X=3 000 mm的截面恰為牛體長度的中部區(qū)域，以此表示肉牛活動(dòng)區(qū)域，對于實(shí)際生產(chǎn)具有代表性。

2.2.1 氣流場的模擬結(jié)果

根據(jù)舍內(nèi)Y = 1000 mm平面的氣流速度模擬結(jié)果，如圖6a所示，可知?dú)饬饔蓾窈熯M(jìn)入牛舍，高風(fēng)速區(qū)主要集中在飼喂走道，風(fēng)速為0.9～1.2 m/s，造成通風(fēng)資源浪費(fèi)；除濕簾風(fēng)機(jī)附近區(qū)域風(fēng)速較大，中部的活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速小于0.6 m/s。如圖6b所示的模擬結(jié)果，在X = 3 000 mm平面上，氣流進(jìn)入牛舍后迅速卷入牛舍上部，在牛舍上部形成高速區(qū)，風(fēng)速為0.6～1.2 m/s，而舍內(nèi)中部的肉牛附近風(fēng)速更低，風(fēng)速幾乎為0。

2.2.2 溫度場的模擬結(jié)果

根據(jù)圖6c所示的模擬結(jié)果，可知濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于肉牛舍具有較好的降溫效果，舍內(nèi)溫度可達(dá)28.0～30.6 ℃（301.15～303.75 K），利于夏季肉牛養(yǎng)殖。但牛舍的長度方向存在溫差，近濕簾端形成一塊低溫區(qū)，牛舍跨度方向溫度差異不明顯。圖6d模擬結(jié)果表明：牛舍高度方向的溫度差異不明顯，溫度集中在29.0～30.2 ℃（302.15～303.35 K）范圍，達(dá)到較好的降溫效果。結(jié)合實(shí)際測定情況，此時(shí)舍外實(shí)測溫度為36.8 ℃，舍內(nèi)肉牛活動(dòng)區(qū)域?qū)崪y溫度為31.1 ℃，說明該系統(tǒng)降溫效果顯著。此外，圖中紅色區(qū)域表示由于肉牛產(chǎn)熱對牛舍空氣加熱產(chǎn)生的高溫部位。

圖6 截面氣流場與溫度場模擬結(jié)果Fig.6 Simulated results of airflow field section and temperature field section

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)

2.3.1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決舍內(nèi)肉?；顒?dòng)區(qū)域氣流較小的問題，該試驗(yàn)提出設(shè)計(jì)走道及天花板導(dǎo)流板的改進(jìn)措施，飼喂走道導(dǎo)流板長度3 m，距濕簾角度60°，每間隔6 m設(shè)置1塊天花板導(dǎo)流板，高度2 m。并對改進(jìn)后的牛舍氣流場與溫度場進(jìn)行模擬，驗(yàn)證改進(jìn)措施是否有效（圖7）。

2.3.2 改進(jìn)后模擬結(jié)果與分析

由圖8a、8b可知，走道導(dǎo)流板有效地將氣流引向兩側(cè)，在肉牛體附近形成新的氣流高速區(qū)，風(fēng)速可達(dá)0.6～0.9 m/s；同時(shí)天花板導(dǎo)流板有效降低了屋頂高度，除了導(dǎo)流板之間有少量湍流外，大部分氣流不會(huì)流向屋頂上部，明顯提高舍內(nèi)肉?；顒?dòng)區(qū)域的氣流均勻性。與改進(jìn)前模擬結(jié)果對比，肉?；顒?dòng)區(qū)域風(fēng)速提高0.3～0.6 m/s。由圖8c、8d可知，改進(jìn)措施進(jìn)一步擴(kuò)大了低溫區(qū)范圍，舍內(nèi)溫度梯度差異不明顯。全舍溫度處于29.0～31.0 ℃（302.15～304.55 K），利于緩解肉牛發(fā)生熱應(yīng)激。

圖7 畜舍改進(jìn)措施Fig.7 Optimization design of beef cattle barn

圖8 改進(jìn)后氣流場與溫度場模擬Fig.8 Simulated results of airflow field and temperature field after optimization

鄧書輝等提出對LPCV牛舍的氣流組織改善措施：為防止氣流向牛舍上部偏轉(zhuǎn)，在飼喂通道內(nèi)側(cè)頸枷上方增加擋風(fēng)板，可將氣流重新導(dǎo)向下部空間，顯著增加采食通道和臥床區(qū)域的空氣流速[15]。呂潔等通過改變低屋面橫向通風(fēng)牛舍上部擋風(fēng)板的傾斜角度來改善牛舍內(nèi)空氣均勻度，并對其氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：當(dāng)擋風(fēng)板與垂直方向夾角為60°時(shí)，牛舍中氣流分布最為均勻，牛只生存高度的氣流也最合適。由此可見，增加導(dǎo)流板的改善措施是可行的[31]。

3 結(jié) 論

本研究對濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)肉牛舍進(jìn)行了三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)際測量，得出以下結(jié)論：

1）計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬表明，牛舍內(nèi)氣流分布不均，飼喂走道與屋頂風(fēng)速高，可達(dá)0.9～1.2 m/s，肉?；顒?dòng)區(qū)域風(fēng)速較低，均小于0.6 m/s。同時(shí)，舍內(nèi)溫度分布不均，濕簾端與風(fēng)機(jī)端存在溫差，不利于肉牛飼養(yǎng)。

2）運(yùn)用建立的模型對該降溫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，即在飼喂走道和屋頂安裝導(dǎo)流板，改進(jìn)后肉?；顒?dòng)區(qū)域的風(fēng)速明顯提高，可達(dá)0.6～1.2 m/s。同時(shí)，低溫區(qū)范圍擴(kuò)大，舍內(nèi)溫度差異不明顯，全舍溫度處于29.0～31.0 ℃（302.15～304.55 K），表明數(shù)值模擬效果較好，改善了肉牛的環(huán)境條件。

CFD模擬不作為一項(xiàng)精確描述某一事物的技術(shù)，模擬的結(jié)果表達(dá)的是一種趨勢。綜上所述，該模型可用于模擬舍內(nèi)氣流場與溫度場，為指導(dǎo)該形式牛舍的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] Soliman E B, Abd-El-Moty A K I, Fahmy S T M, et al. Some physiological responses of lactating Friesian cows to dietary fat supplementation[J]. Alexandria Journal of Agricultural Research, 2001, 46(3): 21—29.

[2] Sanchez B. Nutritionist has role in reducing effects of heat stress[J]. Feedstuffs, 2003, 75(19): 10—12.

[3] Malli A, Seyf H R, Layeghi M, et al. Investigating the performance of cellulosic evaporative cooling pads[J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52(7): 2598—2603.

[4] Sethi V P, Sharma S K. Survey of cooling technologies for worldwide agricultural greenhouse applications[J]. Solar Energy, 2007, 81(12): 1447—1459.

[5] Morris L G. Some aspects of the control of plant environment[J]. Journal of Agricultural Engineering Research ,1956,1:156—166.

[6] Huang Y I, Hsieh K W, Cheng C C. Application of programmable logic controller for environmental control management in livestock building with evaporative cooling pad system[J]. Journal of Taiwan Livestock Research, 2000, 33(4): 384—396.

[7] Liao Chungmin, Singh S, Wang Tinsen. Characterizing the performance of alternative evaporative cooling pad media inthermal environmental control applications[J]. Journal of Environmental Science & Health Part A, 1998, 33(7): 1391—1417.

[8] 龔建軍，雷云峰，何志平，等. 高溫季節(jié)“濕簾-風(fēng)機(jī)”系統(tǒng)降溫效果研究[J]. 家畜生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，37(1)：46—52. Gong Jianjun, Lei Yunfeng, He Zhiping, et al. Investigation on cooling effect of cooling pad-fan system during hot season[J]. Acta Ecologae Animalis Domastici, 2016, 37(1): 46—52. (in Chinese with English abstract)

[9] Harral B B, Boon C R. Comparison of predicted and measured air flow patterns in a mechanically ventilated livestock building without animals[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1997, 66(3): 221—228.

[10] Zhang G, Svidt K, Bjerg B, et al. Buoyant flow generated by thermal convection of a simulated pig[J]. Transactions of the ASAE, 1999, 42(4): 1113—1120.

[11] Blanes-Vidal Victoria, Guijarro Enrique, Balasch Sebastian, et al. Application of computational fluid dynamics to the prediction of airflow in a mechanically ventilated commercial poultry building[J]. Biosystems Engineering, 2008, 100(1): 105—116.

[12] De Paepe Merlijn, Pieters Jan G, Cornelis Wim M, et al. Airflow measurements in and around scale model cattle barns in a wind tunnel: Effect of ventilation opening height[J]. Biosystems Engineering, 2012, 113(1): 22—32.

[13] Gilkeson C A, Thompson H M, Wilson M C T, et al. Quantifying passive ventilation within small livestock trailers using Computational Fluid Dynamics[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2016, 124: 84—99.

[14] Benjamin I J, McMillan D R. Stress (heat shock) proteins[J]. Circulation Research, 1998, 83(2): 117—132.

[15] 鄧書輝，施正香，李保明，等. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍空氣流場CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(6)：139—146. Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, et al. CFD simulation of airflow distribution in low profile cross ventilated dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 139—146. (in Chinese with English abstract)

[16] Li Rong, Nielsen P V, Bjerg B, et al. Summary of best guidelines and validation of CFD modeling in livestock buildings to ensure prediction quality[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2016, 121: 180—190.

[17] 汪銀鋒，李素平，高騰云，等. 肉牛舍溫?zé)岘h(huán)境對肉牛生理指標(biāo)的影響[J]. 家畜生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，30(3)：56—59. Wang Yinfeng, Li Suping, Gao Tengyun, et al. The thermal environment influence on the physiology target on beef cattle in beef cattle cowshed[J]. Acta Ecologiae Animalis Domastici, 2009, 30(3): 56—59. (in Chinese with English abstract)

[18] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD 軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：7—11.

[19] John D Anderson. 計(jì)算流體力學(xué)入門[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2010：47—60.

[20] 李先庭，趙彬. 室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：32—36.

[21] 嚴(yán)寒和. 寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ 26-2010 [S].

[22] 胡達(dá)明，趙士懷，黃夏東，等. 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)用材料的隔熱性能及其相關(guān)性探討[J]. 建筑砌塊與砌塊建筑，2007，(4)：8—11.

[23] 朱新榮，劉加平. 關(guān)于底層地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的探討[J]. 暖通空調(diào)，2008，38(5)：105—108. Zhu Xinrong, Liu Jiaping. Study of ground floor heat transfer coefficients[J]. HVAC, 2008, 38(5): 105—108. (in Chinese with English abstract)

[24] El Houssine Bartali, Frederick Wheaton. CIGR handbook of agricultural engineering, volume II: Animal production and aquacultural engineering[J]. American Society of Agricultural Engineers, 1999(2): 31—49.

[25] 田海林，李曦，孫夢瑤，等. 常用濕簾產(chǎn)品的技術(shù)性能測試[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(4)：148—151. Tian Hailin, Li Xi, Sun Mengyao, et al. Technical performance testing of commonly used specifications wet pad[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(4): 148-151. (in Chinese with English abstract)

[26] Wu B, Gebremedhin K G. CFD development and simulation of flow fields in ventilated spaces with multiple occupants[J]. Transactions of the ASAE, 2001, 44(6): 18—39.

[27] 朱紅鈞. FLUENT 流體分析及仿真實(shí)用教程[M]. 北京：人民郵電出版社，2010：19—35.

[28] 王小超，陳昭輝，王美芝，等. 冬季豬舍熱回收換氣系統(tǒng)供暖的數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(12)：227—233. Wang Xiaochao, Chen Zhaohui, Wang Meizhi, et al. Numerical simulation of heat supply for heat recovery ventilation system of piggery in winter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(12): 227—233. (in Chinese with English abstract)

[29] 林加勇，劉繼軍，孟慶利，等. 公豬舍夏季溫度和流場數(shù)值CFD模擬及驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(23)：207-212. Lin Jiayong, Liu Jijun, Meng Qingli, et al. Numerical CFD simulation and verification of summer indoor temperature and airflow field in boar building[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(23): 207—212. (in Chinese with English abstract)

[30] 鄧書輝，施正香,，李保明. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍溫濕度場CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),，2015，31(9)：209—214. Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, et al. CFD simulation of temperature and humidity distribution in low profile cross ventilated dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(9): 209—214. (in Chinese with English abstract)

[31] 呂潔，吳亞平，周勃. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍傾斜擋風(fēng)板流場數(shù)值模擬[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(6)：700—704. Lü Jie, Wu Yaping, Zhou Bo, et al. Numerical simulation forflow field of sloping wind deflector in low profile cross ventilation cow barn[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2015, 37(6):700—704. (in Chinese with English abstract)

Numerical simulation of environmental conditions for fan-pad evaporative cooling system of beef cattle barn in summer

Chen Zhaohui1,2, Ma Yichang1,2, Liu Rui3, Guo Fei1,2, Liu Jijun1,2※, Yang Shitang4
(1. College of Animal Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. State Key Laboratory of Animal Nutrition, Beijing 100193, China; 3. Computer Science, North Carolina State University, Raleigh 27606, America; 4. Yufeng Agriculture Co., Ltd. Gao’an 330800, China)

Although fan-pad tunnel ventilation evaporative cooling system is energy efficient and environmental friendly, which consists of a fan on one sidewall and a pad on the other sidewall, is rarely applied in beef cattle barn. The cooling efficiency of the fan-pad evaporative system can reach more than 85%. With the advent of the computer age, computational fluid dynamics (CFD) technology is widely used to predict the movement of air or other environmental factors. In order to study the effects of fan-pad evaporative cooling system applied in beef cattle barn in summer, the CFD technique was used to simulate airflow and temperature distribution inside the barn, based on the environmental index measurement, to improve and optimize the effect of the system. The barn building was 54 m long, 12 m wide and 4.2 m at height, window sill height was 1.5 m, and electric curtain was 2.7 m high. There were 58 beef cattle averaged 500 kg of weight included in the study. In the simulation, the beef cattle were introduced into the model according to equal proportion, a realizable k-ε model was built, and the SIMPLE (semi-implicit method for pressure linked equation) was used for the pressure velocity coupling. Measurements experiments were implemented from July to August, 2014. Seventy-five measurement points were dispersed uniformly in the building at 3 different heights as 0.6, 1.2 and 1.8 m above the bed floor, which respectively represented the lying down area, activity area and head above. For each measurement point, both air velocities and temperatures were recorded, using a three-dimensional anemometer and a temperature and humidity instrument respectively. Measurements were conducted at 10:00, 14:00 and 18:00. These measurement indices were used for the validation of the anastomosis. Meanwhile, the velocity and the temperature of fan and pad were also measured. The temperatures of walls, floors and ceiling were recorded by thermal infrared imager (Fluke Ti400), which were used for modeling. After the simulation was completed, the results showed that the temperature distribution was uniform, but affected by the beef cattle in the barn, and the air distribution was uneven, the high air velocity area was mainly concentrated in the roof and feeding aisle with 0.9-1.2 m/s, and the wind speed of beef cattle activity area was less than 0.6 m/s, which could not meet the feeding standards. The CFD model was validated via comparison with the field experimental results at the same locations by the sensors. Comparison between simulations and measurements showed that the relative errors were 0.16%-94.41% after 5 outlier elimination, the average relative errors were 34.53%. For the 45 temperature measuring points, the relative errors were 0.09%-10.74%, the average relative error was 4.71%, which indicated that there was a good fit between field measurement and numerical simulation. Without changing the envelope and indoor barn structure, a guide plate was arranged inside, making the uniformity of the temperature and airflow field in the room improved significantly and the cooling effects more significant. Therefore, this study can provide references for the optimization design and environment regulation of fan-pad evaporative cooling system of beef cattle barn.

temperature; models; flow; beef cattle barn; fan-pad evaporative cooling system; tunnel ventilation; CFD

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.028

S823.9+2

A

1002-6819(2017)-16-0211-08

陳昭輝，馬一暢，劉 睿，郭 霏，劉繼軍，楊食堂. 夏季肉牛舍濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：211-218.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.028 http://www.tcsae.org

Chen Zhaohui, Ma Yichang, Liu Rui, Guo Fei，Liu Jijun, Yang Shitang. Numerical simulation of environmental conditions for fan-pad evaporative cooling system of beef cattle barn in summer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 211-218. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.028 http://www.tcsae.org

2017-03-29

2017-07-07

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)基金南方地區(qū)草食家畜舍飼小氣候調(diào)控技術(shù)研究（201303145）；國家肉牛耗牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-38）

陳昭輝，男，浙江樂清人，副教授，研究方向?yàn)樾竽镰h(huán)境工程。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，100193。Email：chenzhaohui@cau.edu.cn。※通信作者：劉繼軍，男，吉林榆樹人，教授，研究方向?yàn)樾竽镰h(huán)境工程。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，100193。Email：liujijun@cau.edu.cn。