汪開(kāi)英 李開(kāi)泰 李王林娟 樓振綱 朱曉丹

(1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 杭州 310058； 2.北卡羅萊納州立大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程系， 羅利 NC 27695-7625；3.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 杭州 310012)

保育舍冬季濕熱環(huán)境與顆粒物CFD模擬研究

汪開(kāi)英1李開(kāi)泰1李王林娟2樓振綱3朱曉丹3

(1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 杭州 310058； 2.北卡羅萊納州立大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程系， 羅利 NC 27695-7625；3.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 杭州 310012)

為對(duì)保育舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)估和改善舍內(nèi)環(huán)境提供有益參考，應(yīng)用CFD對(duì)采用負(fù)壓通風(fēng)和水泡糞保育豬舍的氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和顆粒物濃度場(chǎng)進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬。由模擬結(jié)果可知：在冬季送入氣流，舍內(nèi)動(dòng)物所在區(qū)域高度為0.2 m的風(fēng)速基本保持在0～0.2 m/s，大部分區(qū)域風(fēng)速在0.1 m/s以下，相對(duì)濕度則基本在60%～70%之間，舍內(nèi)的平均溫度保持在26～34℃，大部分區(qū)域的PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度分別在0～0.1 mg/m3、0～0.7 mg/m3和0～1.0 mg/m3之間。由《規(guī)模豬場(chǎng)環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》可知，舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量基本滿(mǎn)足保育豬對(duì)冬季環(huán)境需求，但在單元入口及墻角處仍有優(yōu)化空間。

保育舍； 濕熱環(huán)境； 顆粒物； CFD； 模擬

引言

隨著規(guī)?；竽翗I(yè)的發(fā)展，畜禽場(chǎng)空氣質(zhì)量特別是畜禽舍的顆粒物污染問(wèn)題正日漸受到重視。由于顆粒物可能攜帶細(xì)菌和病原體，并吸附有害氣體，對(duì)人畜健康、動(dòng)物福利造成不利影響，顆粒物在不同畜舍間傳播還會(huì)造成疫病的流行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

畜禽舍顆粒物來(lái)源于飼料、動(dòng)物本身、廢棄物等。豬舍的主要顆粒物來(lái)源是飼料[1-2]。由于飼養(yǎng)模式的高度集約化，豬舍中的空氣濕度一般比舍外空氣更加高，潮濕條件促進(jìn)了顆粒物中微生物的繁殖，許多致病微生物均以顆粒物作為載體存活并進(jìn)行傳播，如炭疽病、流感病毒等[3]；另外，空氣中極少量的病原微生物就可以直接導(dǎo)致畜禽的呼吸道感染，尤其是下呼吸道。顆粒物進(jìn)入豬的眼睛還會(huì)引起眼部不適，發(fā)生結(jié)膜炎，與皮脂等皮膚分泌物結(jié)合后刺激皮膚發(fā)癢，導(dǎo)致皮炎的發(fā)生。在歐洲，不同種類(lèi)的豬舍間顆粒物濃度差別很大，育肥豬舍一般為2～5 mg/m3，母豬舍一般為1～2 mg/m3[4]。何晴等[5]闡述了畜禽舍內(nèi)顆粒物與控制技術(shù)方面的內(nèi)容，近年來(lái)有部分學(xué)者從監(jiān)控、解析、減排等方面出發(fā)對(duì)其進(jìn)行了研究[6-8]，然而這些研究方法不僅成本較高，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

在應(yīng)用數(shù)字仿真模擬農(nóng)業(yè)污染物方面，大氣擴(kuò)散模型由于最初是針對(duì)工業(yè)污染源，因此在農(nóng)業(yè)上的模擬精準(zhǔn)度欠佳[9]，而CFD應(yīng)用在顆粒物模擬方面也需要選擇合適的湍流模型[10]。2015年，SEO等[11]利用CFD模擬空氣中的病毒擴(kuò)散，將得到的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際天氣的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比用于建立空氣中微生物、病毒的數(shù)據(jù)庫(kù)，為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域工作者提供基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

國(guó)內(nèi)CFD在畜禽舍內(nèi)環(huán)境模擬的研究處于探索階段，目前基于CFD的畜禽舍中的應(yīng)用主要集中在通風(fēng)和溫度場(chǎng)研究中[12-15]。國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果表明，使用CFD模擬方法能夠真實(shí)表達(dá)畜禽舍內(nèi)氣流狀態(tài)，對(duì)畜禽舍內(nèi)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的模擬是一種有效的方法。應(yīng)用CFD技術(shù)可大量節(jié)省測(cè)量時(shí)間和重復(fù)勞動(dòng)，更好地了解顆粒物濃度、時(shí)空分布及擴(kuò)散規(guī)律，幫助畜禽場(chǎng)工作人員更好地進(jìn)行管理。然而國(guó)內(nèi)對(duì)該領(lǐng)域的探究還處于初級(jí)發(fā)展階段，因此，本文應(yīng)用CFD對(duì)畜禽舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行模擬與評(píng)估，以期為改善畜禽舍環(huán)境質(zhì)量提供支撐。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 保育舍介紹

本研究豬場(chǎng)位于浙江省嘉興桐鄉(xiāng)(30°34′N(xiāo)、120°21′E)。該豬場(chǎng)占地0.14 km2，常年存欄母豬465頭，年出欄量9 200頭。

選擇一棟典型保育豬舍為研究對(duì)象，如圖1所示。豬舍內(nèi)部空間尺寸為58 m(長(zhǎng))×26 m(寬)×3.2 m(高)。整棟豬舍呈東西走向，內(nèi)設(shè)兩列，每列有5個(gè)單元間，中間為寬1.4 m的通道。每個(gè)單元間的布局為4欄，分別在通道左右兩側(cè)。豬欄采用熱鍍鋅鋼管，欄高0.9 m。每單元保育豬數(shù)量約70頭，保育豬體重8～20 kg，轉(zhuǎn)群周期為35～40 d。豬舍糞污收集采用漏糞地板下的水泡糞工藝，漏縫地板下面水泡糞的深度為0.8 m，清理周期為半年清理一次。喂料方式采用全自動(dòng)機(jī)械供料、自由采食粉狀飼料。飲水為自來(lái)水，分別經(jīng)石英砂和活性炭二次過(guò)濾全自動(dòng)式飲用，置于同側(cè)豬欄之間。該保育豬舍采用機(jī)械通風(fēng)，豬舍東西兩側(cè)布置濕簾，在每單元南北側(cè)配置一小一大風(fēng)機(jī)各1臺(tái)，其中小風(fēng)機(jī)和大風(fēng)機(jī)的直徑分別為1 m和1.3 m，額定功率和通風(fēng)量分別為1.2 kW、22 000 m3/h和2.2 kW、32 000 m3/h。風(fēng)機(jī)的啟用根據(jù)氣候情況決定，冬季該保育舍的小風(fēng)機(jī)啟動(dòng)條件為舍內(nèi)溫度達(dá)到25℃。豬舍空欄期間使用高壓噴霧系統(tǒng)進(jìn)行豬舍消毒。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)保育豬舍Fig.1 Weaned pig building for on-site test

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

保育豬在寒冷條件下易受冷應(yīng)激影響導(dǎo)致抵抗疾病的能力下降。該試驗(yàn)時(shí)間為2015年11月26日09:00至16:00。當(dāng)日舍外氣溫為4～6℃，相對(duì)濕度為49%時(shí)，為冬季典型氣溫水平。當(dāng)日舍內(nèi)外環(huán)境的測(cè)量與對(duì)照可以有效評(píng)估豬場(chǎng)所采用通風(fēng)方式的合理性和環(huán)境的舒適性。測(cè)量期間，位于南墻直徑為1 m的排風(fēng)風(fēng)機(jī)為開(kāi)啟狀態(tài)，氣流走向?yàn)橛晌飨驏|，再分別進(jìn)入各保育單元。

本試驗(yàn)采用多功能風(fēng)速-溫濕度測(cè)量?jī)x(TES-1341型，±3%，檢測(cè)限為0.01 m/s，泰仕電子工業(yè)股份有限公司，臺(tái)灣)和溫濕度計(jì)(CENTER313型，±0.7%，檢測(cè)限為0.1℃和0.1%，泰仕電子工業(yè)股份有限公司，臺(tái)灣)檢測(cè)豬舍內(nèi)外環(huán)境中的風(fēng)速、溫度和濕度。紅外溫度儀(Raytek MX4型，±2.5%，檢測(cè)限為0.1℃，雷泰公司，美國(guó))則用于測(cè)量圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度以及保育豬體表的溫度。采用7臺(tái)相同的智能空氣/TSP采樣器(嶗應(yīng)2050型，±2.5%，青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所，中國(guó))對(duì)保育舍的不同單元內(nèi)顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算單位時(shí)間(min)通過(guò)的空氣量(m3/min)中的粉塵質(zhì)量(mg)。

豬舍測(cè)量的分布點(diǎn)如圖2所示，包括飼料槽處粉塵源顆粒物濃度，作為后續(xù)模擬邊界條件。選取豬舍近門(mén)處與靠近內(nèi)部2個(gè)進(jìn)風(fēng)機(jī)豬欄處進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)不同的水平面，測(cè)量高度分別為H=0.2 m(保育豬呼吸帶)和H=1.6 m(工作人員呼吸帶)，共40個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)位測(cè)量3次取平均值得到該點(diǎn)位的最終數(shù)據(jù)，采樣間隔為1 min。從北至南分別設(shè)為列1、列2、列3和列4便于后續(xù)與模擬值對(duì)比分析。

圖2 保育舍內(nèi)布局與測(cè)量點(diǎn)分布圖(圓點(diǎn)代表儀器測(cè)量點(diǎn))Fig.2 Layouts of piglet house and measurement locations

2 保育舍數(shù)值模擬

流體流動(dòng)遵守物理守恒定律，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。如果流動(dòng)包含不同成分(組元)的混合或相互作用，系統(tǒng)要遵守組分守恒定律。如果流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程?？刂品匠淌沁@些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。同時(shí)本研究的數(shù)值模擬還基于以下假定：①保育舍內(nèi)的空氣是一種完全氣體，滿(mǎn)足狀態(tài)方程。②保育舍內(nèi)的氣流是一種湍流，舍內(nèi)環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài)。③保育舍內(nèi)柵欄形式的豬欄對(duì)風(fēng)的阻力可以忽略。④冬季保育豬為取暖互相靠近，根據(jù)其形狀特點(diǎn)，將4個(gè)互動(dòng)區(qū)域建立為4個(gè)立方體模型等效為保育豬體。⑤研究表明，豬舍內(nèi)的顆粒物有91%來(lái)自于飼料[16-17]，因此本研究為簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮來(lái)自于飼料的顆粒物部分,在Fluent中選擇粉狀飼料作為材料進(jìn)行模擬。

2.1基本守恒方程

2.1.1質(zhì)量守恒方程

任何流動(dòng)問(wèn)題都滿(mǎn)足質(zhì)量守恒定律[18]，即：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。

(1)

式中Sm——質(zhì)量源，kg/m3ρ——密度，kg/m3t——時(shí)間，sv——速度，m/s

2.1.2動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒定律也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿(mǎn)足的基本定律[18]，即：微元體中流體動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，實(shí)際上是牛頓第二定律。

(2)

2.1.3能量守恒方程

能量守恒定律是具有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿(mǎn)足的基本定律。即：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體積力與面積力對(duì)微元體所做的功，實(shí)際上是熱力學(xué)第一定律。

(3)

式中 E——總能量，Jkeff——傳熱系數(shù) hj——比焓，J/kgJj——擴(kuò)散通量組分，kg/(m2·s) Sh——總熵，J/KT——溫度，℃

2.1.4組分質(zhì)量守恒方程

在一個(gè)特定的系統(tǒng)中，可能存在質(zhì)的交換，或者存在多種化學(xué)組分，每一種組分都需要遵守組分質(zhì)量守恒定律。對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng)而言，組分質(zhì)量守恒定律可表述為：系統(tǒng)內(nèi)某種化學(xué)組分質(zhì)量對(duì)時(shí)間的變化率，等于通過(guò)系統(tǒng)界面凈擴(kuò)散流量與通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的生產(chǎn)率之和。一種組分的質(zhì)量守恒方程實(shí)際上就是一個(gè)濃度傳輸方程。當(dāng)水流或空氣在流動(dòng)過(guò)程中混有某種污染物質(zhì)時(shí)，污染物質(zhì)在流動(dòng)情況下除了有分子擴(kuò)散外，還會(huì)隨流傳輸，即傳輸過(guò)程包括對(duì)流和擴(kuò)散兩部分，污染物質(zhì)的濃度隨時(shí)間和空間變化。

(4)

式中 c——該組分的體積濃度 ρc——該組分的質(zhì)量濃度 Ds——該組分的擴(kuò)散系數(shù) S——生產(chǎn)率，為系統(tǒng)內(nèi)部單位時(shí)間內(nèi)單位體積通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量

2.2 湍流模型選擇

本研究在綜合考慮硬件與軟件，以及前人試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上[19]，選擇在畜禽舍的模擬評(píng)估上采用適用性和精確性都較高的RNGk-ε模型，在RNGk-ε模型中，k方程和ε方程可表示為

(5)

(6)

式中 k——湍動(dòng)能，m2/s2ε——湍流耗散率，m2/s3Gk——平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能，kg/(m·s2)

Gb——浮力引起的湍流動(dòng)能，kg/(m·s2)

YM——在可壓縮湍流中對(duì)整體耗散率的貢獻(xiàn)，kg/(m·s2)

αk——k的逆效普朗特常數(shù)

αε——ε的逆效普朗特常數(shù)

C1ε、C2ε、C3ε——常數(shù)

Sk、Sε——用戶(hù)自定義源項(xiàng)

2.3 物理模型建立

為提高計(jì)算效率，節(jié)約計(jì)算機(jī)模擬的時(shí)間，保育豬舍的物理模型需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，圖3為簡(jiǎn)化后的保育舍，是計(jì)算域模型，其中包括簡(jiǎn)化了豬舍圍欄等圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及將保育豬等效為四方體模型。

圖3 保育舍計(jì)算域Fig.3 Computational domain of piglet house

2.4 網(wǎng)格劃分

使用Gambit 2.4.6建立物理模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所劃分的網(wǎng)格如圖4所示。整體的網(wǎng)格數(shù)量為2 740 897。

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.4 Computational domain with grids

2.5 邊界條件

邊界條件設(shè)置包括對(duì)模擬狀態(tài)的確定、湍流模型的選擇、流體邊界條件和豬體邊界條件的設(shè)定等方面。

(1)模擬狀態(tài)的確定

在本模擬過(guò)程中，考慮到試驗(yàn)階段外界溫度穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，故可認(rèn)為舍內(nèi)環(huán)境是處于穩(wěn)態(tài)的，即選擇模擬狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)模擬。

(2)湍流模型的選擇

由2.2可知，本次模擬選擇重整化群RNGk-ε湍流模型。

(3)流體初始設(shè)置

選擇該保育舍進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為自由入口，空氣溫度為25℃，相對(duì)濕度為80%，風(fēng)機(jī)排風(fēng)口設(shè)置為速度出口，-1 m/s。

(4)豬體邊界條件

保育豬被設(shè)置為無(wú)滑移壁面，表面溫度為34℃。

(5)其余壁面邊界條件

豬舍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)均設(shè)置為無(wú)滑移壁面，屋頂18.1℃，地面16.3℃，東墻22.1℃，西墻19.6℃，南墻17.5℃，北墻18.6℃。

(6)粉塵源邊界條件

該保育舍粉塵源主要為飼料槽，飼料槽設(shè)置為無(wú)滑移壁面，粉塵源初始質(zhì)量濃度設(shè)置為PM2.5：0.1 mg/m3、PM10：0.7 mg/m3、TSP：0.8 mg/m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 保育舍的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

圖5分別顯示了圖2所示的列1、列2、列3、列4處的風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度以及顆粒物濃度的實(shí)測(cè)值，分析的數(shù)據(jù)主要為分布在保育豬呼吸帶高度，即z=0.2 m水平高度。如圖5a所示，通道2和通道3處的風(fēng)速明顯小于通道1和通道4處，這是由于通道2和3位于豬舍中間遠(yuǎn)離排風(fēng)口的地方。由于氣流在豬舍當(dāng)中的流向?yàn)橛晌飨驏|，風(fēng)速?gòu)奈鱾?cè)入口至東側(cè)主要呈遞減趨勢(shì)，然而由于各單元門(mén)具有縫隙的原因，導(dǎo)致該區(qū)域湍流強(qiáng)度增大，引起單元間門(mén)口處風(fēng)速較大，總體而言豬舍單元間內(nèi)的整體氣流流動(dòng)呈平穩(wěn)趨勢(shì)，無(wú)較大波動(dòng)。

圖5b顯示了保育舍4個(gè)通道處的溫度測(cè)量值。保育舍內(nèi)最低氣溫位于通道3最西側(cè)，為22℃，這是由于此處為通道進(jìn)風(fēng)口，外界氣流進(jìn)入豬舍，氣流流動(dòng)帶走了部分熱量，最高氣溫位于通道1，為23.6℃，另外由圖可見(jiàn)豬舍中間的氣溫普遍高于東西兩側(cè)，這是因?yàn)閮蓚?cè)風(fēng)速較大而中間氣流更為穩(wěn)定。

相對(duì)濕度也是保育豬舍內(nèi)環(huán)境的重要評(píng)估參數(shù)之一，圖5c顯示了保育舍4個(gè)通道處的相對(duì)濕度測(cè)量值，范圍為51%～56.8%。

圖5d、5e和5f分別顯示了此次保育豬舍內(nèi)部PM2.5、PM10和TSP濃度的測(cè)量值。由圖可知，PM2.5質(zhì)量濃度為0.016～0.025 mg/m3，PM10質(zhì)量濃度為0.17～0.30 mg/m3，TSP質(zhì)量濃度為0.58～0.81 mg/m3。各個(gè)單元間的顆粒物濃度差異不大，通道1和通道4處的顆粒物濃度比通道2和通道3處要略大，主要是由于風(fēng)速較大，氣流的擾動(dòng)導(dǎo)致。

圖5 風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度和顆粒物濃度實(shí)測(cè)值Fig.5 Measured results of velocity, temperature, relative humidity and particle concentration

總體而言，保育豬活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速平均值為0.15 m/s，豬舍內(nèi)部平均溫度為22.9℃，顆粒物濃度處于合理的范圍，基本滿(mǎn)足保育豬對(duì)冬季通風(fēng)的需求[20]。

3.2 模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)CFD模擬的精確度可以用下述公式來(lái)計(jì)算，當(dāng)NMSE值小于0.25可認(rèn)為CFD的模擬精確度是合理的[21]。

(7)

(8)

(9)

式中Ev——模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差Cs——模擬值Cm——實(shí)測(cè)值Csm——模擬值的平均Com——實(shí)測(cè)值的平均值n——實(shí)測(cè)采樣個(gè)數(shù)

圖6顯示此次模擬的模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度的模擬與實(shí)測(cè)相對(duì)誤差范圍為5.26%～33.33%、 3.75%～12.26%和11.11%～21.45%，PM2.5、PM10和TSP的模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差范圍分別為 4.0%～31.3%、 3.4%～22.7%和1.37%～28.07%，其中PM2.5的誤差最大，這是由于源于糞便的顆粒物粒徑較小，即PM2.5的成分中有部分來(lái)源于糞便，而在模擬中沒(méi)有考慮此部分導(dǎo)致誤差[22]。然而模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的NMSE值分別為0.087(風(fēng)速)、0.008(溫度)、0.028(相對(duì)濕度)、0.033(PM2.5)、0.018(PM10)和0.021(TSP)，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保育舍顆粒物模擬模型的合理可用。誤差較大的點(diǎn)位于通道2的最西側(cè)和最東側(cè)，這是由于通道2靠近通風(fēng)通道，較高風(fēng)速引起湍流導(dǎo)致顆粒物的運(yùn)動(dòng)加劇，引起實(shí)測(cè)與模擬的較大偏差。

3.3 模擬結(jié)果評(píng)估

3.3.1風(fēng)速

圖6 風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度和顆粒物濃度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.6 Comparisons of simulated and measured velocity, temperatare, humidity and particle concentration results

圖7 不同水平高度風(fēng)速分布云圖Fig.7 Velocity contours at two horizontal heights

在高度上分別選取z=0.2 m(保育豬呼吸帶高度)和z=1.6 m(工作人員呼吸帶高度)進(jìn)行研究。圖7為整個(gè)保育豬舍在這2個(gè)水平高度的風(fēng)速分布云圖。從模擬結(jié)果來(lái)看，豬舍內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)的風(fēng)速范圍為0～5 m/s，最大風(fēng)速位于進(jìn)風(fēng)通道與各單元門(mén)的交匯處，由于氣流從門(mén)縫進(jìn)入單元間導(dǎo)致此處風(fēng)速較大，而在保育豬活動(dòng)范圍，風(fēng)速較為穩(wěn)定，大部分風(fēng)速在0 ～0.2 m/s之間，靠近排風(fēng)口處，風(fēng)速有所上升，這是為了排除冬季保育豬舍內(nèi)的污濁空氣，更換舍內(nèi)新鮮空氣。各個(gè)保育單元間風(fēng)速并無(wú)明顯差異，整體通風(fēng)效果良好，基本滿(mǎn)足保育豬對(duì)冬季通風(fēng)的需求。但同時(shí)也要注意在保育豬的活動(dòng)區(qū)域存在較大面積氣流停滯區(qū)，這是因?yàn)楸Ｓi在冬季聚集取暖的行為導(dǎo)致，在冬季為保育豬維持溫度的同時(shí)，存在空氣質(zhì)量的下降。因此，冬季需增強(qiáng)對(duì)較強(qiáng)氣流的阻擋作用，并適時(shí)合理地進(jìn)行換氣。

3.3.2溫度

在寒冷的冬季，豬舍內(nèi)的溫度對(duì)于保育豬的生長(zhǎng)尤為重要。較低的溫度會(huì)使保育豬散熱過(guò)快，為維持體熱平衡，則需要進(jìn)食更多的飼料用于產(chǎn)熱消耗，不僅不能促進(jìn)豬的生長(zhǎng)，還會(huì)導(dǎo)致飼料轉(zhuǎn)化率下降。從溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果(圖8)來(lái)看，保育豬舍內(nèi)的溫度范圍為22～34℃左右，在保育豬活動(dòng)區(qū)域，溫度范圍集中在26～34℃，而在較高處的z=1.6 m平面，溫度下降至22～25℃，該舍內(nèi)溫度范圍整體滿(mǎn)足保育豬對(duì)冬季環(huán)境溫度的需求。但從模擬結(jié)果可以看出，受外界低溫氣流影響，出現(xiàn)進(jìn)風(fēng)通道以及各單元間氣流入口處溫度較低的情況，這也解釋了在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，保育豬的活動(dòng)范圍主要集中在單元中間較為溫暖的區(qū)域，而很少活動(dòng)在單元門(mén)入口附近。比較氣流分布與溫度的云圖可以發(fā)現(xiàn)，溫度和氣流流速有顯著的關(guān)系，速度越高的地方，溫度越低。因此，在排風(fēng)口以及單元入口處建議采取保溫措施。

圖8 不同水平高度溫度分布云圖Fig.8 Temperature contours at two horizontal heights

3.3.3相對(duì)濕度

從相對(duì)濕度場(chǎng)的模擬結(jié)果(圖9)來(lái)看，保育豬舍內(nèi)的相對(duì)濕度范圍為30%～92%。盡管相對(duì)濕度范圍差距較大，但在保育豬活動(dòng)區(qū)域相對(duì)濕度較為穩(wěn)定，處于60%～70%之間，這是由于保育豬舍的濕度主要來(lái)源于保育豬呼吸產(chǎn)生以及漏縫地板下的水泡糞。在寒冷的冬季，由于通風(fēng)較差，水泡糞養(yǎng)殖模式由于糞便的蓄積易導(dǎo)致舍內(nèi)氨氣濃度過(guò)高，而氨氣是極易溶于水的強(qiáng)烈刺激性物質(zhì)，對(duì)保育豬的呼吸道、皮膚等產(chǎn)生不利因素，在冬季該范圍的相對(duì)濕度雖不是保育豬生長(zhǎng)的最優(yōu)環(huán)境，但基本滿(mǎn)足保育豬的生長(zhǎng)需求。

圖9 不同水平高度相對(duì)濕度分布云圖Fig.9 Relative humidity contours at two horizontal heights

3.3.4顆粒物濃度

圖10 不同水平高度PM2.5質(zhì)量濃度分布云圖Fig.10 PM2.5 concentration contours at two horizontal heights

圖11 不同水平高度PM10濃度分布云圖Fig.11 PM10 concentration contours at two horizontal heights

圖12 不同水平高度TSP濃度分布云圖Fig.12 TSP concentration contours at two horizontal heights

圖10～12分別為2個(gè)水平高度的PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度的模擬分布圖。從圖10～12可知，該保育舍內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度范圍為0～0.1 mg/m3、PM10質(zhì)量濃度范圍為0 ～0.7 mg/m3、TSP質(zhì)量濃度范圍為0～1 mg/m3。顆粒物濃度最大的地方為各單元的中間，也就是保育豬的食槽處，由于保育豬在此處采食，動(dòng)作頻繁密集，易導(dǎo)致飼料顆粒運(yùn)動(dòng)加劇，空氣中的顆粒物濃度增加。在水平高度上，z=1.6 m處的顆粒物濃度小于z=0.2 m處。由圖13的風(fēng)速與顆粒物濃度的局部圖可見(jiàn)，顆粒物濃度與風(fēng)速相關(guān)，具體表現(xiàn)為風(fēng)速較大處也是顆粒物濃度較低的地方(風(fēng)速圖中顏色較紅的地方與顆粒物圖中顏色較藍(lán)的相對(duì)應(yīng)，特別是單元門(mén)氣流入口處，如圖中紅框所示)。PM2.5、PM10和TSP有著共同的趨勢(shì)，食槽處的顆粒物濃度最高，其他地方受氣流風(fēng)速影響，風(fēng)速越大，顆粒物濃度越小。在各單元?dú)饬魅肟谔幫捎陲L(fēng)速較高導(dǎo)致較低的顆粒物濃度，但由于冬季保暖要求，保育舍內(nèi)大部分區(qū)域風(fēng)速較小，因此顆粒物濃度區(qū)分不大，分布較均勻，其中，PM2.5由于粒徑較小，質(zhì)量較小，受氣流影響最大。另外，保育豬的活動(dòng)區(qū)域密集處要比豬舍墻體附近的顆粒物濃度高，這同樣是因?yàn)楸Ｓi的運(yùn)動(dòng)引起揚(yáng)塵。據(jù)歐美相關(guān)研究表明，機(jī)械通風(fēng)的保育豬舍內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度在0.08～0.4 mg/m3之間，PM10質(zhì)量濃度在0.316～2.6 mg/m3，而TSP質(zhì)量濃度可達(dá)到4.2 mg/m3，尤其是在保育豬進(jìn)行采食的時(shí)段顆粒物濃度最高。本次研究豬舍內(nèi)的PM2.5、PM10與TSP濃度與國(guó)外都有高度可比性，說(shuō)明本文所模擬的保育豬舍內(nèi)顆粒物濃度有實(shí)際參考價(jià)值[23-25]。由規(guī)模豬場(chǎng)環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理[20]可知，顆粒物濃度建議小于1.2 mg/m3，該保育豬舍內(nèi)TSP濃度大約為0.8 mg/m3，基本滿(mǎn)足保育豬生長(zhǎng)條件。

圖13 第一單元間局部風(fēng)速與顆粒物質(zhì)量濃度圖Fig.13 Local contours of velocity and PM in the first unit

4 結(jié)論

(1)CFD模擬與實(shí)測(cè)的顆粒物濃度比較接近，相對(duì)誤差及NMSE值在可接受的范圍，因此采用該CFD模型來(lái)模擬保育豬舍內(nèi)濕熱環(huán)境以及顆粒物濃度是可行的。

(2)豬舍內(nèi)顆粒物濃度與熱濕環(huán)境參數(shù)相關(guān)，風(fēng)速越大，溫度越低，顆粒物濃度越低。

(3)該豬舍在冬季空間結(jié)構(gòu)較為密閉、通風(fēng)量低，豬舍內(nèi)氣流流速、溫度基本保證冬季保育豬的需求，但從顆粒物分布來(lái)看，在保育豬活動(dòng)頻繁區(qū)域內(nèi)的濃度較高。

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CFDSimulationofIndoorHygrothermalEnvironmentandParticleMatterofWeanedPigBuilding

WANG Kaiying1LI Kaitai1LI Wanglinjuan2LOU Zhen’gang3ZHU Xiaodan3

(1.CollegeofBiosystemsEngineeringandFoodScience，ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2.DepartmentofBiologicalandAgriculturalEngineering,NorthCarolinaStateUniversity,Raleigh,NC27695-7625,USA3.ZhejiangEnvironmentMonitoringCenter,Hangzhou310012,China)

The quality of the environment could directly affect the production performance of pigs. Especially for weaned pigs, they have just undergone weaned stress and are very sensitive to external environment change. In order to evaluate the environmental conditions in the weaned pigs building in typical East China, and provide useful suggestions for pig barn structure design and the environment improvement, based on computational fluid dynamics (CFD) method, a three-dimensional steady state simulation was conducted on air speed, temperature, relative humidity and particle concentration distribution of a weaned pig building with negative pressure ventilation system and manure pit system. It was known from the CFD results that CFD could be a useful tool in analyzing the indoor environment in livestock house. When air was input to the pig house during winter days, the wind speeds in the region where pig was fed atz=0.2 m could maintain within 0～0.2 m/s, and most of them were below 0.1 m/s. Also, the relative humidity remained at about 60%～70%. Its temperature was maintained within 26～34℃. In addition, the PM2.5, PM10and TSP concentrations were kept in 0～0.1 mg/m3, 0～0.7 mg/m3and 0～1.0 mg/m3, respectively,in most area of pig house, which could meet the requirements of weaned pigs in winter according to environmental parameters and environmental management for intensive pig farms. Yet, at entrance of the units and some corners, there was still potential for optimization.

weaned pig; hygrothermal environment; particle matter; CFD; simulation

X513; S811.7

A

1000-1298(2017)09-0270-09

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.034

2016-11-23

2017-03-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31672467)和浙江省環(huán)保科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012A007)

汪開(kāi)英(1968—)，女，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)空氣質(zhì)量研究，E-mail: zjuwky@zju.edu.cn