陳昭輝，熊浩哲，馬一暢，楊 皓，劉繼軍※，楊食堂

（1. 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193； 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193；3. 高安市裕豐農(nóng)牧有限公司，高安 330800）

0 引 言

肉牛屬恒溫動(dòng)物，無(wú)汗腺、熱增耗大、耐熱性差，在高溫高濕條件下極易出現(xiàn)熱應(yīng)激癥狀[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，夏季的熱應(yīng)激對(duì)肉牛的生長(zhǎng)存在著不可忽視的影響 ，對(duì)肉牛產(chǎn)業(yè)已造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，在高溫地區(qū)采取適當(dāng)?shù)慕禍卮胧┯葹橹匾?/p>

近年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）已被廣泛應(yīng)用于研究機(jī)械通風(fēng)畜舍氣流模式和氣體排放[3-5]。2014年，王校帥[6]對(duì)蛋雞舍濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境進(jìn)行CFD模擬，發(fā)現(xiàn)存在舍內(nèi)通風(fēng)不均、溫度過(guò)高的問(wèn)題。同年，鄧書(shū)輝等[7]發(fā)現(xiàn)在飼喂通道風(fēng)機(jī)側(cè)頸枷上方增加擋風(fēng)板可有效改善低屋面橫向通風(fēng)（low profile cross ventilated，LPCV）牛舍的氣流組織，提高奶牛活動(dòng)區(qū)域氣流的均勻性和氣流速度。2016年，Mondaca等[8]利用CFD技術(shù)，研究了導(dǎo)流板對(duì)管道通風(fēng)系統(tǒng)奶牛舍氣流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板可使射流范圍更集中于奶?；顒?dòng)區(qū)而又不影響整體流場(chǎng)。2017年，姚家軍等[9]針對(duì)地面鵝只阻礙導(dǎo)致舍內(nèi)氣流向上擴(kuò)散的問(wèn)題，基于CFD模擬結(jié)果提出導(dǎo)流板安裝方案，并將優(yōu)化方案用于實(shí)際改造。

陳昭暉等[10]于2016年對(duì)濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)肉牛舍進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明舍內(nèi)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，肉?；顒?dòng)區(qū)域風(fēng)速較小，均小于0.6 m/s，不能滿(mǎn)足飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。許多研究闡明了在畜舍中氣流均勻分布的好處[11-12]。因此，為提高動(dòng)物活動(dòng)區(qū)的風(fēng)速，初步提出在不改變牛舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的前提下，舍內(nèi)安裝高度2 m、間距6 m的屋頂導(dǎo)流板和長(zhǎng)度3 m、夾角60°的飼喂走道導(dǎo)流板，其中屋頂導(dǎo)流板下沿距地面2.2 m。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)溫度與風(fēng)速的均勻性顯著提高，降溫效果更佳。

但導(dǎo)流板的使用仍然存在一些問(wèn)題：首先，模擬中導(dǎo)流板高度為下沿距地面2.2 m，而飼喂走道高于牛躺臥區(qū)0.5 m，此時(shí)為飼養(yǎng)員剩余的活動(dòng)高度僅剩1.7 m，不利于飼喂等操作的進(jìn)行；其次，相鄰垂直導(dǎo)流板之間渦流嚴(yán)重，風(fēng)速減緩，對(duì)其下方的動(dòng)物活動(dòng)區(qū)產(chǎn)生影響；最后，垂直導(dǎo)流板的安裝會(huì)增大氣流阻力，造成風(fēng)機(jī)工況變化、風(fēng)量減小。因此，本試驗(yàn)采用薄膜吊頂代替導(dǎo)流板，對(duì)既有牛舍進(jìn)行改造（下文統(tǒng)稱(chēng)吊頂牛舍），探究吊頂牛舍的環(huán)境狀況并利用CFD對(duì)其氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1 吊頂牛舍原型

本試驗(yàn)在江西省宜春市（28.25°N，115.2°E）的國(guó)家肉牛體系高安試驗(yàn)站進(jìn)行。江西地處長(zhǎng)江以南，夏季高溫受西太平洋副熱帶高壓控制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，35 ℃高溫日的氣候概率7月是50.0%，8月是37.3%；37 ℃高溫日的氣候概率7月是33.9%，8月是24.5%[13]。

牛舍尺寸為52 m×12 m×4.2 m，為小群散養(yǎng)模式。舍內(nèi)肉牛躺臥區(qū)域沿長(zhǎng)度方向，每隔2～3個(gè)開(kāi)間設(shè)置1個(gè)小群，由600 mm高、240 mm厚的擋墻隔開(kāi)，每小群飼養(yǎng)8～12頭育肥牛。牛舍兩側(cè)縱墻分別設(shè)置1.2 m寬、1.5 m高的清糞門(mén)3個(gè)與1.5 m寬、1.4 m高的清糞門(mén)1個(gè)，設(shè)置2.8 m寬、0.8 m高飲水槽2個(gè)，供舍內(nèi)肉牛自由飲水。為增大肉牛活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速，同時(shí)不影響人工飼喂的操作，距肉牛躺臥區(qū)3.3 m處安裝塑料薄膜吊頂，但由于重力作用，薄膜中部向下垂落，因此模擬的吊頂高設(shè)為3.0 m（見(jiàn)圖1、圖2）。系統(tǒng)運(yùn)行期間，卷簾落下、門(mén)關(guān)閉，縱墻清糞小門(mén)及飲水槽處均使用帆布堵住，為牛舍創(chuàng)造相對(duì)密閉的空間。飼喂方式為人工飼喂，時(shí)間為 05:30與 16:30；清糞方式為人工清糞，時(shí)間為 05:30與17:00。

圖1 吊頂牛舍布置圖Fig.1 Arrangement plan of furred ceiling test barn

圖2 吊頂牛舍平面圖Fig.2 Plan of beef cattle barn with ceiling

1.2 環(huán)境指標(biāo)檢測(cè)

1.2.1 檢測(cè)方法

2016年7―8 月對(duì)小群飼養(yǎng)81頭安格斯牛的試驗(yàn)舍進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)，檢測(cè)指標(biāo)包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度、肉牛體表溫度、呼吸頻率和體尺。對(duì)于風(fēng)速的測(cè)定：如圖3a、3b所示，選取肉牛躺臥、站立和上方區(qū)域進(jìn)行測(cè)定，由于各小群擋墻高0.6 m，為探究擋墻對(duì)氣流的影響，檢測(cè)擋墻兩側(cè)及上方風(fēng)速，本試驗(yàn)測(cè)定高度選取0.7、1.2、1.7 m。使用1臺(tái)三維超聲波風(fēng)速儀81000，對(duì)108個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定。對(duì)于溫、濕度的測(cè)定：距地面 0.7、1.2 m處采用手持溫濕度測(cè)定儀（Testo625）對(duì)45個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度、肉牛體表溫度的測(cè)定：沿長(zhǎng)度方向每隔6 m截取1個(gè)剖面，各剖面布點(diǎn)如圖 3b，使用紅外熱像儀（Fluke Ti400）分別測(cè)定屋面、卷簾、墻體、臥床、飼喂走道的紅外溫度。對(duì)于進(jìn)出口邊界條件的測(cè)定：如圖 3c、3d，使用三維超聲波風(fēng)速儀 81000測(cè)定進(jìn)出口風(fēng)速，各點(diǎn)懸掛溫、濕度自動(dòng)記錄儀測(cè)定濕簾與 4臺(tái)風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口溫濕度，每5 min自動(dòng)記錄1次溫、濕度。對(duì)于體尺的測(cè)定：選取15頭體質(zhì)量相近、年齡及生理狀況相似的肉牛測(cè)定其體尺大小。對(duì)于呼吸頻率的測(cè)定：選取15頭體質(zhì)量相近、年齡及生理狀況相似的肉牛，觀察牛腹部起伏情況，記錄肉牛1 min的呼吸次數(shù)。

分別對(duì)吊頂安裝前后的小群飼養(yǎng)舍進(jìn)行檢測(cè)，各環(huán)境指標(biāo)每天測(cè)定 4次，測(cè)定時(shí)間 10:00、12:00、14:00、16:00，且通過(guò)對(duì)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(cè)定時(shí)間對(duì)實(shí)測(cè)值的影響。舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)測(cè)定布點(diǎn)如圖 3a、3b（A為靠近風(fēng)機(jī)端，N為靠近濕簾端， A1表示第一列、第一排、1.7 m高測(cè)點(diǎn)）；舍外環(huán)境指標(biāo)測(cè)定選取靠近試驗(yàn)舍且避免陽(yáng)光暴曬、避雨處作為采樣點(diǎn)。

1.2.2 等溫指數(shù)評(píng)價(jià)

結(jié)合環(huán)境變量得出的 ETI（equivalent temperature index）是用于估計(jì)牛舍炎熱程度和奶牛熱應(yīng)激程度的指標(biāo)，多適用于評(píng)價(jià)高溫高濕環(huán)境下的牛只表現(xiàn)。具體公式如下[14-15]

式中t為干球溫度，℃；RH為相對(duì)濕度，%；v為舍內(nèi)風(fēng)速，m/s。

圖3 環(huán)境指標(biāo)測(cè)定點(diǎn)布置圖Fig.3 Arrangement plan of environmental measuring points

1.2.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器見(jiàn)表1。

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

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excle軟件分析，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式表達(dá)，在數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用Duncan新復(fù)極差法對(duì)各處理間計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.01）。

1.3 控制方程

控制方程見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

1.4 計(jì)算模型

1.4.1 牛舍模型

本次模擬采用UG軟件（Unigraphics NX 8.0）以牛舍實(shí)際尺寸為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模型，以牛舍地面上長(zhǎng)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，牛舍長(zhǎng)度方向?yàn)?X方向，垂直于地面方向?yàn)閅方向，牛舍跨度方向?yàn)閆方向（X朝向風(fēng)機(jī)端）。其他簡(jiǎn)化處理操作與《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》[10]中一致，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）。出風(fēng)口設(shè)置為基于壓力出口的排風(fēng)扇邊界（exhaust fan）。流場(chǎng)中其他壁面均設(shè)置為無(wú)滑移的墻面邊界，熱力學(xué)邊界設(shè)置為溫度邊界條件[10]。此外，根據(jù)實(shí)測(cè)的15頭試驗(yàn)牛的體高、體尺，等比例創(chuàng)建肉牛三維模型，創(chuàng)建方法與簡(jiǎn)化措施與上一章相同，只肉牛體尺改變。

1.4.2 網(wǎng)格劃分

本模擬采用 ANSYS FLUENT軟件生成非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在氣流進(jìn)出口處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以確保氣流場(chǎng)的精確模擬。牛舍整體網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)設(shè)置為500 mm，舍內(nèi)四壁表面定義網(wǎng)格層數(shù) 5，濕簾與風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格加密，濕簾網(wǎng)格數(shù)為1 573，尺寸為200 mm；風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)為497，尺寸為200 mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該牛舍網(wǎng)格劃分中，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 014 626，單元數(shù)為5 805 285。肉牛表面網(wǎng)格最大尺寸為50 mm，網(wǎng)格單元數(shù)量為260 806個(gè)。

1.4.3 材料定義

由于 2次模擬試驗(yàn)牛舍為同一棟牛舍，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，矮墻參數(shù)與磚墻相同[10]。家畜的顯熱散熱量可直接加熱空氣，對(duì)舍內(nèi)溫度產(chǎn)生影響。因此，在創(chuàng)建模型時(shí)應(yīng)考慮肉牛散熱量，作為熱源考慮。本模擬中，肉牛的平均體質(zhì)量為330 kg，日糧干物質(zhì)能量取10.14，環(huán)境溫度取30 ℃。由式（2）、（3）計(jì)算可得：肉牛的總散熱量為575.84 W，顯熱散熱量為271.98 W。

式中φtot為總散熱量，W；sφ為顯熱散熱量，W；Y2是日增質(zhì)量，0.7～1.1 kg/d；M 是干物質(zhì)能量，粗飼料M=10 MJ/kg，精飼料M=11～12 MJ/kg；m是肉牛體質(zhì)量，kg；α、Kt是無(wú)量綱數(shù)，

1.5 流體域與邊界條件

1.5.1 濕簾入口

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(cè)定，過(guò)簾風(fēng)速分別為1.51、1.48、1.44 m/s，風(fēng)速角度垂直于邊界，初始溫度為 302.84 K（29.69 ℃），濕簾的黏性阻力系數(shù)為12.097 8，慣性阻力系數(shù)為67.745 7。

1.5.2 風(fēng)機(jī)出口

出風(fēng)口設(shè)置為基于壓力出口的風(fēng)扇邊界（exhaust fan），由測(cè)定得：4臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速大小分別為3.66、3.57、3.49、3.53 m/s，并依據(jù)風(fēng)速推算出質(zhì)量流量與壓強(qiáng)躍升量，如表2所示。

表2 排風(fēng)扇邊界條件Table 2 Boundary condition of fan

1.5.3 溫度邊界

流場(chǎng)中其他壁面與牛體均設(shè)置為無(wú)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(cè)定數(shù)據(jù)，具體設(shè)定數(shù)值如表3所示。

1.5.4 數(shù)值求解

采用 Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值求解，選用 Realizable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。

表3 溫度邊界條件Table 3 Boundary condition of temperature

2 結(jié)果與分析

2.1 CFD模擬驗(yàn)證

2.1.1 氣流場(chǎng)驗(yàn)證

圖4、圖5、圖6為距地面0.7、1.2、1.7 m處各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果，同時(shí)以平均相對(duì)誤差作為判定標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算得出：0.7m高度為27%，1.2 m高度為14%，1.7 m高度為13%。對(duì)比Bustamante等[16]模擬的相對(duì)誤差14.7%，可認(rèn)為本試驗(yàn)1.2、1.7 m高度的氣流速度吻合性較高。雖然0.7 m高度的相對(duì)誤差較大，但從圖中可得氣流速度的實(shí)測(cè)值與模擬值之間趨勢(shì)吻合，尤其走道處無(wú)障礙物等影響，模擬值與實(shí)測(cè)值的吻合更佳。圖4a、圖5a中C點(diǎn)的風(fēng)速值變化趨勢(shì)不一致，原因可能是在C點(diǎn)前設(shè)有糞溝蓋板，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)蓋板不嚴(yán)實(shí)的情況，導(dǎo)致畜舍氣密性不佳。同時(shí)在實(shí)際測(cè)量時(shí)，受飼喂擋墻的影響，測(cè)定位點(diǎn)存在一定的偏差。此外，肉牛的行為會(huì)對(duì)氣流場(chǎng)造成一定的阻力，影響風(fēng)速值。并且由于實(shí)際狀態(tài)下肉牛四處走動(dòng)，但模擬中牛的位置是固定的，因此造成0.7 m處風(fēng)速的實(shí)測(cè)值偏差較大、吻合性略差。以絕對(duì)誤差為判定標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算得出：在 108個(gè)風(fēng)速測(cè)定點(diǎn)中有 95個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)誤差不超過(guò)0.3 m/s、占比 88.0%，對(duì)比 Blanes-Vidal等[17]模擬的 27個(gè)測(cè)點(diǎn)中有19個(gè)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)誤差在0.3 m/s以下、占比70.4%，本試驗(yàn)吻合性驗(yàn)證更佳，認(rèn)為模型有效，可基于此模型來(lái)預(yù)測(cè)舍內(nèi)的氣流分布。

圖4 0.7 m高度風(fēng)速實(shí)測(cè)值和模擬值Fig.4 Measured and simulated value of air velocity at 0.7 m height

圖5 1.2 m高度風(fēng)速實(shí)測(cè)值和模擬值Fig.5 Measured and simulated value of air velocity at 1.2 m height

圖6 1.7 m高度風(fēng)速實(shí)測(cè)值和模擬值Fig.6 Measured and simulated value of air velocity at 1.7m height

2.1.2 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

為保證模型具有良好的精度，應(yīng)對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行驗(yàn)證。Chen等推薦將網(wǎng)格呈現(xiàn)倍數(shù)增長(zhǎng)、并對(duì)不同倍數(shù)網(wǎng)格數(shù)的模型進(jìn)行比較來(lái)判定網(wǎng)格獨(dú)立性[18]。本模擬利用該方法進(jìn)行檢驗(yàn)，最終對(duì)0.5倍網(wǎng)格、1倍網(wǎng)格、2倍網(wǎng)格數(shù)（網(wǎng)格數(shù)分別為2.9×106、5.8×106、1.2×107）進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，見(jiàn)圖7。

圖7 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)Fig.7 Grid independence test

由圖7可知，在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到5.8×106（1倍網(wǎng)格）時(shí)，再增加網(wǎng)格數(shù)量，結(jié)果無(wú)明顯改善，1倍網(wǎng)格與2倍網(wǎng)格下的模擬結(jié)果差異不顯著，這就說(shuō)明該模型較多計(jì)算域內(nèi)，網(wǎng)格數(shù)量已達(dá)到獨(dú)立性。為提高計(jì)算速度，本模擬選擇5.8×106網(wǎng)格數(shù)的模型進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 氣流場(chǎng)模擬結(jié)果

不同截面的風(fēng)速分布狀況見(jiàn)圖8。由圖8a、8b、8c可知，較高風(fēng)速仍主要集中在飼喂走道（中間顏色最淺區(qū)域），但與安裝吊頂前相比[10]，南北側(cè)臥床處的風(fēng)速顯著增加，牛舍中部區(qū)域不再存在極小風(fēng)速區(qū)。在Y=700 mm平面上，飼喂走道的平均風(fēng)速為 1.05～1.57 m/s，肉?；顒?dòng)范圍的平均風(fēng)速為0.26～0.78 m/s，在Y=1 200 mm平面上，全舍風(fēng)速得到有效改善，肉牛活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速在 0.52 m/s以上，且靠近濕簾處風(fēng)速更大。在Y=1 700 mm平面上，全舍風(fēng)速在1.05 m/s以上。高度上的風(fēng)速差異是由于牛、擋墻等產(chǎn)生的阻礙作用不同而產(chǎn)生的。在Y=0.7 m平面上，氣流受到擋墻和牛體的影響，阻力較大，從而風(fēng)速較低；在Y=1.2 m平面上，僅有部分擋墻與牛體上半部分對(duì)氣流產(chǎn)生阻礙作用，因此風(fēng)速有所提高；在Y=1.7 m平面上，氣流幾乎不受到阻礙，所以風(fēng)速最大。由圖8d、8e發(fā)現(xiàn)，擋墻兩側(cè)風(fēng)速出現(xiàn)明顯降低，但影響范圍基本在 0.6～0.7 m高度以下的區(qū)域，靠近擋墻處風(fēng)速為0.26 m/s以下，這可能是由于擋墻對(duì)氣流的阻礙作用造成的。擋墻水平高度上方的氣流平行于平面流動(dòng)，靠近吊頂處風(fēng)速為 1.31～1.57 m/s。沿牛舍縱軸方向的風(fēng)速稍有衰減，靠近濕簾處的風(fēng)速稍高。

圖8 截面氣流場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.8 Simulated results of airflow field section

注：X朝向濕簾端，下同。

Note: X is toward to the pad. The same as below.

綜上，在試驗(yàn)牛舍原型中增加吊頂時(shí)，可將氣流導(dǎo)向肉牛活動(dòng)范圍內(nèi)，有效改善肉?；顒?dòng)區(qū)域風(fēng)速，舍內(nèi)的氣流均勻性得到提高。但由于薄膜吊頂?shù)馁N附作用，氣流貼薄膜表面前行，因此隨著高度的增加，風(fēng)速越高、氣流均勻性越好。但總體而言，舍內(nèi)風(fēng)速的增加有助于降低肉牛的體感溫度，緩解牛只熱應(yīng)激，滿(mǎn)足夏季肉牛飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 氣流分布均勻性評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)吊頂安裝前后肉?；顒?dòng)區(qū)域的氣流分布均勻性，參照民用建筑的氣流均勻性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[19]。由式（4）、（5）計(jì)算得出吊頂安裝前后的舍內(nèi)氣流均勻性。吊頂安裝前，Y=1.0 m截面風(fēng)速的不均勻系數(shù)為9.26；吊頂安裝后，舍內(nèi)Y=0.7 m截面風(fēng)速的不均勻系數(shù)為6.32，Y=1.2 m截面風(fēng)速的不均勻系數(shù)為6.09，Y=1.7 m截面風(fēng)速的不均勻系數(shù)為 5.99。由此可知，安裝吊頂不僅提高了舍內(nèi)風(fēng)速，氣流均勻性也得以提高。式中Jh為距地面高度h mm的平面上的氣流不均勻系數(shù)，值越低，氣流均勻性越好；Vh為距地面高度h mm的平面上的平均氣流速度，m/s；Vi為第i個(gè)測(cè)定點(diǎn)的氣流速度，m/s；n為測(cè)定點(diǎn)數(shù)量。

2.3 環(huán)境狀況實(shí)測(cè)值分析

2.3.1 風(fēng) 速

表 4為吊頂安裝前后舍內(nèi)不同高度的平均風(fēng)速。濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行后，未安裝吊頂?shù)呐Ｉ醿?nèi)，高風(fēng)速區(qū)主要集中在飼喂走道，風(fēng)速為0.80～0.99 m/s，造成通風(fēng)資源浪費(fèi)，肉牛活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速小于0.5 m/s，且靠近墻的區(qū)域風(fēng)速更低。這是由于肉牛拴系飼養(yǎng)依次排列以及墻體對(duì)氣流產(chǎn)生阻礙，而飼喂走道處無(wú)障礙物，因此肉?；顒?dòng)區(qū)風(fēng)速變小。1.2 與1.7 m高度處的風(fēng)速值均高于0.7 m高度，這是由于隨著高度的增加，牛體以及擋墻其他障礙物對(duì)氣流場(chǎng)的阻力減小，從而引起風(fēng)速增大；吊頂牛舍內(nèi)，各區(qū)域風(fēng)速值都顯著提高，不同高度平均風(fēng)速值的差異減小，表明舍內(nèi)氣流分布更為均勻。雖然高風(fēng)速區(qū)仍然集中在飼喂走道，但肉?；顒?dòng)區(qū)平均風(fēng)速增至0.75 m/s。根據(jù)肉牛適宜的通風(fēng)參數(shù)，育肥牛舍（1歲以上）的夏季適宜風(fēng)速為0.8～1.0 m/s[20]；CIGR推薦的夏季適宜風(fēng)速1.0～3.0 m/s[21]，對(duì)照這一標(biāo)準(zhǔn)，未安裝吊頂?shù)呐Ｉ醿?nèi)風(fēng)速小于0.5 m/s，而安裝吊頂后舍內(nèi)平均風(fēng)速均顯著提高。由圖9可知，吊頂安裝后較安裝前肉牛附近的平均風(fēng)速提高0.38 m/s，說(shuō)明吊頂安裝后顯著提高舍內(nèi)風(fēng)速，滿(mǎn)足肉牛夏季生長(zhǎng)需要。但靠近擋墻處的風(fēng)速出現(xiàn)規(guī)律性上下浮動(dòng)，這是擋墻對(duì)氣流產(chǎn)生阻礙作用的結(jié)果。

表4 吊頂安裝前后舍內(nèi)平均風(fēng)速Table 4 Average velocity in barn before and after ceiling installation(m?s-1)

2.3.2 溫濕度

表 5為吊頂安裝前后舍內(nèi)外各時(shí)刻的平均溫度。濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)開(kāi)啟后，未安裝吊頂?shù)呐Ｉ?，舍外平均溫度?5.0±2.7）℃條件下，0.7 m高度處平均溫度（30.0±0.7）℃，1.2 m高度處平均溫度（30.1±0.8）℃，較舍外平均降溫14%；安裝吊頂?shù)呐Ｉ幔嵬馄骄鶞囟龋?7.2±2.1℃）℃條件下，0.7 m高度處平均溫度（31.1±0.7）℃，1.2 m高度處平均溫度（31.1±0.7）℃，較舍外平均降溫16%；且14:00時(shí)刻吊頂牛舍內(nèi)平均溫度（31.3±0.8）℃，較舍外降低18%，說(shuō)明安裝吊頂后降溫效果顯著。

圖9 吊頂安裝前后舍內(nèi)平均風(fēng)速對(duì)比Fig.9 Comparison of average velocity before and after ceiling installation

表5 吊頂安裝前后舍內(nèi)外平均溫度Table 5 Average temperature in barn before and after ceiling installation℃

表6為吊頂牛舍內(nèi)外各時(shí)刻平均相對(duì)濕度。系統(tǒng)運(yùn)行后，除10:00外舍內(nèi)相對(duì)濕度小于或接近80%，舍內(nèi)平均相對(duì)濕度80.9%。NY/T388-1999規(guī)定的牛舍環(huán)境濕度上限是80%[22]，一般認(rèn)為育肥牛舍的相對(duì)濕度不宜超過(guò)85%[23]，對(duì)照這一標(biāo)準(zhǔn)，舍內(nèi)相對(duì)濕度略高，超過(guò)這一標(biāo)準(zhǔn)。

表6 吊頂安裝后舍內(nèi)外平均相對(duì)濕度Table 6 Average relative humidity in barn after ceiling installation%

2.3.3 有害氣體濃度

表7為吊頂牛舍不同區(qū)域、不同時(shí)刻的平均NH3與CO2濃度。由數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)開(kāi)啟運(yùn)行后，舍內(nèi)北側(cè)肉?；顒?dòng)區(qū)域的平均NH3濃度與CO2濃度較高，中走道的平均NH3濃度與CO2濃度較低。這種差異是由于肉?；顒?dòng)引起的。CIGR推薦牛適宜的CO2質(zhì)量濃度為3 000 μL/L，NH3質(zhì)量濃度為20 μL/L[21]，因此兩者均滿(mǎn)足肉牛舍空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表7 吊頂安裝后舍內(nèi)平均氣體濃度Table 7 Average mass concentration in barn after ceiling installation

2.3.4 呼吸頻率

由于一天當(dāng)中12:00～14:00溫度最高，因此測(cè)定這2個(gè)時(shí)刻下的呼吸頻率。目前尚無(wú)關(guān)于肉牛的呼吸頻率范圍標(biāo)準(zhǔn)，故參考奶牛相關(guān)數(shù)據(jù)：正常情況，呼吸頻率 20次/min；輕度熱應(yīng)激，呼吸頻率 50～60次/min；中度熱應(yīng)激，呼吸頻率＞80～120次/min；嚴(yán)重?zé)釕?yīng)激，呼吸頻率＞120～160次/min[24]。經(jīng)測(cè)定，在這2個(gè)時(shí)刻肉牛的呼吸頻率分別為（36±7）、（35±4）次/(min)，雖高于正常情況，但未達(dá)到輕度熱應(yīng)激水平，說(shuō)明肉牛處于較好的生理狀態(tài)。

2.3.5 等溫指數(shù)（ETI）

表8為由式（1）計(jì)算得出的吊頂牛舍ETI。由于目前鮮見(jiàn)關(guān)于肉牛的 ETI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此參考奶牛標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Baeta等[15]指出，當(dāng)ETI在16～26.5范圍為安全狀態(tài)，當(dāng)ETI在＞26.5～31.5范圍為預(yù)警狀態(tài)，當(dāng)ETI＞31.5為特別預(yù)警狀態(tài)，當(dāng)ETI＞37.5為危險(xiǎn)狀態(tài)，當(dāng)ETI＞43.5為特別危險(xiǎn)狀態(tài)。Silva等[25]在巴西地區(qū)進(jìn)行同樣研究，指出當(dāng)ETI＜30為安全狀態(tài)，當(dāng)ETI在30～34范圍為預(yù)警狀態(tài)，當(dāng)ETI在34～38范圍為特別預(yù)警狀態(tài)，當(dāng)ETI＞38為危險(xiǎn)狀態(tài)。對(duì)照以上標(biāo)準(zhǔn)，吊頂牛舍內(nèi)的 ETI均處于安全狀態(tài)，說(shuō)明通風(fēng)降溫效果較好。

表8 吊頂安裝后舍內(nèi)平均等溫指數(shù)ETITable 8 Average ETI (equivalent temperature index) index in barn after ceiling installation

3 討 論

首先，針對(duì)氣流場(chǎng)，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(jiǎn)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。針對(duì)舍內(nèi)的風(fēng)速分布，賀城等[26]對(duì)縱向通風(fēng)系統(tǒng)育肥豬舍進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)氣流在進(jìn)出風(fēng)口風(fēng)速較大，中部區(qū)域風(fēng)速較低，且越靠近出風(fēng)口舍內(nèi)溫度越高；王校帥[6]對(duì)蛋雞舍濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境進(jìn)行 CFD模擬，發(fā)現(xiàn)由于雞籠的阻礙作用，舍內(nèi)中部存在低風(fēng)速區(qū)，風(fēng)速僅為0.5 m/s，易使蛋雞發(fā)生熱應(yīng)激。而本次試驗(yàn)中模擬的吊頂牛舍結(jié)構(gòu)形式雖與原牛舍相同，但肉牛飼養(yǎng)方式、牛群頭數(shù)不同。其中原牛舍的模擬為拴系飼養(yǎng)，飼養(yǎng)頭數(shù)58頭，吊頂牛舍為小群飼養(yǎng)方式，飼養(yǎng)頭數(shù)81頭。因此本次試驗(yàn)對(duì)原模型進(jìn)行了改進(jìn)，增加了牛的數(shù)量同時(shí)將其隨機(jī)分布于牛舍中。但吊頂牛舍與原牛舍的模擬結(jié)果均表明由于牛體擋風(fēng)的影響，靠近濕簾與風(fēng)機(jī)端的區(qū)域風(fēng)速較大，牛舍中部的肉?；顒?dòng)區(qū)域風(fēng)速減小，與上述試驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明不同的飼養(yǎng)方式未對(duì)舍內(nèi)風(fēng)速環(huán)境產(chǎn)生較大影響。因此在探究氣流場(chǎng)變化原因時(shí)不考慮該因素。

雖然導(dǎo)流板能在一定程度上解決畜舍氣流分布不均的問(wèn)題，但它的也存在一些缺陷。導(dǎo)流板在 LPCV奶牛舍中的應(yīng)用效果較好，可使平均風(fēng)速增加52.8%，氣流不均勻性指標(biāo)降低41.8%[7]，但由于LPCV牛舍屬于橫向通風(fēng)系統(tǒng)，故對(duì)于導(dǎo)流板在縱向通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用效果仍有待探究。Cheng等[27]發(fā)現(xiàn)，在縱向通風(fēng)系統(tǒng)的雞舍中，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)屋頂導(dǎo)流板之后，會(huì)返回頂棚，造成相鄰導(dǎo)流板之間的渦流區(qū)的形成，同時(shí)導(dǎo)流板的存在會(huì)增大氣流場(chǎng)阻力，影響風(fēng)機(jī)工況。這一問(wèn)題同樣出現(xiàn)在采用管道通風(fēng)系統(tǒng)的奶牛舍中[6]。此外，Smyk等[28]在探究導(dǎo)流板對(duì)氣流場(chǎng)的影響后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板雖能使得室內(nèi)氣流分布更均勻，但這一效果在氣流場(chǎng)的上風(fēng)向區(qū)域很不穩(wěn)定，且該區(qū)域風(fēng)速變異度較大。

由前期試驗(yàn)結(jié)果可知[10]，安裝導(dǎo)流板后雖然可將氣流引向2側(cè)，但效果十分有限，相鄰屋頂導(dǎo)流板之間存在低風(fēng)速區(qū)，風(fēng)速接近0。肉?；顒?dòng)區(qū)的風(fēng)速約為0.6 m/s，與初始牛舍相比僅提高0.3 m/s，而安裝吊頂后，由于牛舍體積有效減小，使相同進(jìn)氣量的牛舍風(fēng)速提高，同時(shí)使得氣流更集中于肉?；顒?dòng)區(qū)，風(fēng)速可達(dá)1 m/s，與安裝導(dǎo)流板的牛舍相比提高了0.4 m/s。2016年，Duan等[29]利用CFD技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)的兔舍中，降低塑料天花板高度的兔舍風(fēng)速提高0.8 m/s，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。因此認(rèn)為吊頂牛舍更有利于提高舍內(nèi)風(fēng)速與氣流均勻性，從而緩解肉牛發(fā)生熱應(yīng)激。

在畜舍中，空氣分布與通風(fēng)設(shè)計(jì)高度相關(guān)。因此，在動(dòng)物所占據(jù)的空間內(nèi)，在達(dá)到適宜的風(fēng)速的同時(shí)產(chǎn)生均勻分布的氣流場(chǎng)對(duì)于畜舍的熱舒適條件而言至關(guān)重要[30]。綜上所述，認(rèn)為在縱向通風(fēng)的畜舍中，合理利用吊頂是一種方便有效且經(jīng)濟(jì)適宜的降溫措施。

4 結(jié) 論

本研究對(duì)濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)吊頂肉牛舍進(jìn)行了三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，得出以下結(jié)論：

1）環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果表明，牛舍內(nèi)氣流均勻性得到提升，肉?；顒?dòng)區(qū)域風(fēng)速顯著提高，在Y=0.7 m截面上，肉?；顒?dòng)范圍的平均風(fēng)速為0.26～0.78 m/s，Y=1.2 m截面上，肉?；顒?dòng)區(qū)域風(fēng)速在0.52 m/s以上，Y=1.7 m截面上，全舍風(fēng)速在1.05 m/s以上。

2）環(huán)境指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果表明：吊頂牛舍內(nèi)Y=0.7 m截面的平均風(fēng)速為 0.75 m/s，Y=1.2 m截面的平均風(fēng)速為0.88 m/s，Y=1.7 m截面的平均風(fēng)速為1.00 m/s，吊頂安裝后較安裝前平均風(fēng)速提高0.38 m/s。未安裝吊頂?shù)呐Ｉ?，舍外平均溫度?5.0±2.7）℃條件下，0.7 m高度處平均溫度（30.0±0.7）℃，1.2 m高度處平均溫度（30.1±0.8）℃，較舍外平均降溫 14%；安裝吊頂?shù)呐Ｉ幔嵬馄骄鶞囟龋?7.2±2.1）℃條件下，0.7 m 高度處平均溫度（31.1±0.7）℃，1.2 m高度處平均溫度（31.1±0.7）℃，較舍外平均降溫 16%，說(shuō)明安裝吊頂后降溫效果顯著。吊頂牛舍內(nèi)有害氣體濃度均在飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；肉牛呼吸頻率36次/min，未達(dá)到輕度熱應(yīng)激水平，牛舍平均等溫指數(shù)為23.96，處于安全狀態(tài)，說(shuō)明吊頂牛舍能為肉牛提供適宜的飼養(yǎng)環(huán)境。

綜上，本試驗(yàn)提出的濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合吊頂?shù)膬?yōu)化方案，既利于提高舍內(nèi)風(fēng)速與氣流均勻性，又可避免因?qū)Я靼遄枇υ龃髮?duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量造成的影響，可為指導(dǎo)該形式肉牛舍的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。