劉晨晨 魯祥友 張虎 蘇文博 舒云祥

摘要 以農(nóng)村地區(qū)的保育舍為研究對象，運用計算流體力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)對冬季采用橫向自然通風(fēng)的保育舍進行速度場、溫度場和顆粒物分布的模擬分析，研究同種通風(fēng)方式下不同窗戶開度豬舍內(nèi)部的環(huán)境質(zhì)量，并提出優(yōu)化建議。模擬結(jié)果顯示：橫向自然通風(fēng)豬舍氣流死區(qū)較多，但仔豬周圍小部分區(qū)域的溫度和風(fēng)速值并不能滿足國標的要求，影響部分豬只正常的生長發(fā)育;對于大跨度的橫向自然通風(fēng)，窗戶開度影響顆粒物的排出效果。窗戶開度增大，顆粒物的排出效果雖有提升但并不明顯，同時也加劇了顆粒物向相鄰區(qū)域的擴散，最終大部分顆粒物在熱升力作用下分布在屋頂周圍。該研究結(jié)果為夏熱冬冷地區(qū)冬季自然通風(fēng)豬舍的結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣流組織優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 保育豬舍;CFD模擬;橫向自然通風(fēng);顆粒物;窗戶開度

中圖分類號 TU264+.3? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）11-0198-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.050

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Effects of Natural Ventilation on the Growth Environment and Health of Piglets in Large-scale Nursery Piggery

LIU Chen-chen， LU Xiang-you， ZHANG Hu et al

（School of Environment and Energy， Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui 230601）

Abstract Taking nursery piggery in rural areas as research object， CFD simulation technology was used to simulate and analyze the velocity field， temperature field and particulate matter distribution of nursery piggery with transverse natural ventilation in winter. The environmental quality inside pig houses with different window openings under the same ventilation mode was studied， and some optimization suggestions were proposed. The simulation results showed that there were more areas with no air circulation under transverse natural ventilation， and the temperature and wind speed values in a small area around the piglets did not meet the requirements of the national standards， which affected the normal growth and development of some pigs. For large-span transverse natural ventilation， the size of the window opening affected the discharge effect of particulate matters. When the window opening was increased， the discharge effect of particulate matter was improved but it was not obvious.? It also intensified the diffusion of particulate matters to the adjacent area. Finally， most particles were distributed around the roof under the action of thermal lift. This study provided theoretical guidance for the structural design and air distribution optimization of piggery with natural ventilation in winter in the areas with hot summer and cold winter.

Key words Nursery piggery;CFD simulation;Transverse natural ventilation;Particulate matters;Window opening

近年來，農(nóng)村中小規(guī)模豬舍的數(shù)量不斷增加，越來越多的農(nóng)民開始從事養(yǎng)豬業(yè)。然而，由于缺乏科學(xué)管理和對流行疫病的防控（尤其在非洲豬瘟和新冠肺炎疫情的雙重影響下），養(yǎng)豬農(nóng)戶遭受巨大的經(jīng)濟損失。我國養(yǎng)豬最大的短板就是過度依賴藥物和疫苗。研究發(fā)現(xiàn)，疫苗和抗菌藥物并不能完全保證保育豬群不被病毒和細菌感染，而非洲豬瘟病毒也尚無安全、有效的疫苗[1-2]。

為降低豬場的疫病風(fēng)險，目前國內(nèi)多數(shù)龍頭企業(yè)和大中型豬場在技術(shù)上采用新風(fēng)系統(tǒng)和空氣過濾系統(tǒng)[3]，管理上在豬場設(shè)置生物安全設(shè)施[4]，定期接種優(yōu)質(zhì)疫苗，進行科學(xué)飼養(yǎng)與管理。然而，出于經(jīng)濟利益的考慮，目前在我國冬冷夏熱的農(nóng)村地區(qū)，絕大多數(shù)中小規(guī)模豬舍在冬季均采用橫向自然通風(fēng)的方式來降低豬舍內(nèi)病原微生物的濃度，從而達到提高室內(nèi)空氣質(zhì)量、減少豬只疫病發(fā)生的目的[5]。

近年來，計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)被廣泛應(yīng)用在計算機模擬和分析研究上[6]。王鵬鵬等[7]對豬舍橫向自然通風(fēng)的溫度場和速度場進行模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)橫向通風(fēng)豬舍氣流死區(qū)較多，不利于污染物的排出。周丹[8]利用CFD技術(shù)對仔豬舍的自然通風(fēng)進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)豬舍內(nèi)氣流分布不夠均勻，部分區(qū)域有害氣體濃度超過仔豬生長的健康限值。楊曉飛[9]通過對相同開窗方式下開孔率不同的豬舍進行CFD模擬分析，發(fā)現(xiàn)開孔率與舍內(nèi)進氣量呈正相關(guān)。Norton等[10]通過對自然通風(fēng)的雞舍進行模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進風(fēng)口的面積對舍內(nèi)氣流的均勻性有影響。Pereira等[11]研究了室內(nèi)不同送風(fēng)方式對顆粒物分布及排出效果的影響。在冬季，豬只之間由于熱趨性而頻繁近距離接觸，若出現(xiàn)單個攜病毒豬只，很容易造成群體感染，因此研究豬舍內(nèi)致病菌及病毒的傳播、分布和排出效果具有重要意義。筆者對某縣保育豬舍在橫向自然通風(fēng)下的舍內(nèi)溫度、速度進行實測，利用Fluent軟件模擬不同窗戶開度下氣溶膠顆粒的分布，研究新風(fēng)量對室內(nèi)微生物去除效果的影響[12]。

1 豬舍概況及CFD理論

1.1 豬舍概況及簡化后的物理模型

2020年12月21日對保育豬舍進行測量，此為中小規(guī)模保育舍，飼養(yǎng)保育仔豬2 400余頭（考慮到非洲豬瘟的影響，可能飼養(yǎng)密度略有降低），每頭仔豬平均體重約14 kg。豬舍長60 m，寬19 m，檐高2.5 m，舍脊高1.5 m;舍內(nèi)沿東西向設(shè)2列豬欄，每列12個單元，單元尺寸為8.75 m×4.75 m×0.60 m，每個單元飼養(yǎng)100頭斷奶仔豬，豬欄中間留有1.5 m寬的走道，走道兩端各有1.26 m寬的閑置空間。舍內(nèi)南北墻上每個單元欄各有4個推拉窗，且居中對稱分布，尺寸為1.00 m×0.75 m，距地面1.30 m。冬季通過調(diào)整推拉窗的開度進行適度自然通風(fēng)，單元欄距地面1.2 m處各懸有150 W的動物養(yǎng)殖專用取暖保溫?zé)?。由于保育舍在冬季采用的是橫向自然通風(fēng)，所以測點進行對稱設(shè)置，設(shè)置在豬群上方0.4 m處，將測點布置在4、9、16、21號欄，并在走道兩端的閑置空間布置4個測點。保育豬舍實拍圖如圖1～2所示。

由于單元欄圍欄較低，氣流阻力較小，對氣流分布的影響可忽略不計，所以建模時將兩側(cè)圍欄忽略。冬季仔豬由于熱趨性而聚集在一起，使用長方體模型的體積代替每個單元欄內(nèi)的仔豬總體積，降低建模難度。由于豬舍的外圍護結(jié)構(gòu)和屋頂均用絕熱材料進行處理，所以在邊界條件設(shè)置時將外圍護結(jié)構(gòu)、屋頂和地面按絕熱處理[13]。簡化后的豬舍二維平面圖和三維模型圖如圖3～4所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

流體的流動需滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程三大方程;離散相顆粒在流場中的受力遵守牛頓第二定律，通過力平衡方程可預(yù)測顆粒的運動軌跡。

1.2.1 質(zhì)量守恒方程（也稱連續(xù)性方程）。

ρt+（ρu）x+（ρv）y+（ρw）z=0（1）

式中，ρ為流體密度;u、v、w分別為速度在x，y，z方向的分量。

1.2.2 動量守恒方程（也稱Navier-Stokers方程）。

（ρu）t+ div （ρuU）=-px

+τxxx+

τyxy+

τzxz+Fx（2）

（ρv）t+ div （ρvU）=-py

+τxyx+

τyyy+

τzyz+Fy（3）

（ρw）t+ div （ρwU）=-pz

+τxzx+

τyzy+

τzzz+Fz（4）

式中，p為流體微團上的壓力;τxx、τxy、τxz等為作用在流體微團上黏性應(yīng)力的分量;Fx、Fy、Fz為流體微團上的體積力。

1.2.3 能量守恒方程。

（ρT）t+ div （ρUT）=- div kCp grad T+ST（5）

式中，Cp為定壓比熱容;T為熱力學(xué)溫度;k為流體的導(dǎo)熱系數(shù);ST為黏性耗散項 。

1.2.4 顆粒力平衡方程。

mp d p d t=mp-pTr+mp（ρp-ρ）ρp+（6）

式中，mp為顆粒的質(zhì)量;為連續(xù)相的速度;p為顆粒速度;ρ為連續(xù)相的密度;ρp為顆粒的密度;為附加力;mp-pTr為顆粒阻力（曳力）;Tr為顆粒的弛豫時間。

1.3 物理條件的設(shè)置

對保育舍內(nèi)的氣溶膠顆粒進行模擬追蹤，氣溶膠顆粒的體積分數(shù)小于10%，即相當于離散的顆粒彌散在連續(xù)空氣流中，屬于拉格朗日兩相流。選用離散型模型對氣溶膠顆粒進行模擬，在2、5、9、12號單元欄靠近南窗且高度0.4 m處設(shè)置4個顆粒噴射口。

湍流模型選用SST k-omega模型，它在近壁面處采用k-omega模型，主流區(qū)采用k-ε 模型，具備很好的精度，使模擬準確度有所提升[14]。

1.4 邊界條件的設(shè)置

1.4.1 連續(xù)相邊界條件。

依據(jù)當?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向，將北側(cè)窗戶定義為入口，進風(fēng)口設(shè)置為“velocity-inlet”。根據(jù)測量結(jié)果求取平均值后，定義溫度281.15 K（8 ℃），風(fēng)速 1.4 m/s;將南側(cè)窗戶定義為出口，出風(fēng)口設(shè)置為“pressure-outlet”;豬體設(shè)置為恒溫?zé)o滑移壁面，表面溫度311.15 K（38 ℃）;圍護結(jié)構(gòu)按絕熱處理。

1.4.2 離散相邊界條件。

離散相的進出口壁面條件設(shè)置為“Escape”。為了分析通風(fēng)對氣溶膠顆粒擴散的影響，設(shè)置其他壁面的邊界條件為“Reflect”，即假設(shè)顆粒與壁面碰撞后完全反彈。

1.5 模擬值驗證

模擬結(jié)果的準確性通常反映選用模型的合理性。采用相對誤差來衡量模擬結(jié)果的精確性，可為模擬研究提供理論依據(jù)。

如圖5所示，溫度模擬值與實測值的相對誤差為2.7%～8.9%，相對誤差均在15%范圍內(nèi)，溫度場的模擬值與實際值吻合度較高。從圖6可以看出，速度場的模擬值偏離實際值較大且有4個測點模擬值與實測值的相對誤差超過了15%的限值，相對誤差為7%～26%，但模擬曲線與實測曲線的走勢相近。這可能是因為實測當天入口風(fēng)速過大或測量儀器的使用不當。

綜上所述，SST K-omega模型選用得當，可用于預(yù)測橫向自然通風(fēng)下豬舍的溫度場和速度場。

2 模擬結(jié)果分析

依據(jù)GB/T 17824.3—2008《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理標準》，保育舍冬季最小通風(fēng)量為 0.3 m3/（h·kg）。以最小通風(fēng)量 0.3 m3/（h·kg）為例，計算單個進風(fēng)口面積[15]：

總通風(fēng)量 Q =0.35×14×2 400=11 760（m3/h）

總進風(fēng)口面積 A=Q /（3 600×1.4）=2.33（m2）

單個進風(fēng)口面積 a=A /6=0.39（m2）

分別以單扇窗戶1/2開度、3/2扇窗全開為進風(fēng)口，模擬橫向自然通風(fēng)窗戶不同開度下的溫度場、速度場及顆粒物的排出效果[16]。

2.1 單扇窗戶1/2開度下的模擬結(jié)果

2.1.1 溫度場分布云圖。從圖7可以看出，豬舍內(nèi)的溫度為281～311 K，溫度分布均勻。低溫主要分布在進風(fēng)口周圍，垂直方向上分層現(xiàn)象較為明顯，取暖燈上部的溫度為294～299 K。保育仔豬周圍溫度為290～296 K，正對進風(fēng)口

處的仔豬迎風(fēng)溫度最低，達到290 K。由于豬體散熱和取暖燈的輻射作用，豬體兩側(cè)冷空氣的溫度逐漸上升，靠近南墻側(cè)的單元欄內(nèi)仔豬周圍溫度最大，約為296 K。

2.1.2 速度場分布云圖。

從圖8可以看出，在風(fēng)壓的作用下氣流從北側(cè)窗口進入，形成的氣流束向下貼近地面向前運動且速度不斷減小，最后通過排風(fēng)口排出舍外;取暖燈上部存在小范圍氣流死區(qū)，大部分區(qū)域保持著較小的風(fēng)速（0.04～0.12 m/s）。保育仔豬周圍風(fēng)速為0～0.6 m/s，正對進風(fēng)口處的仔豬迎面平均風(fēng)速為0.41 m/s，距離南墻越近，風(fēng)速越小，豬體周圍風(fēng)速大部分在0.2 m/s左右。

2.1.3 顆粒物分布擴散圖。

由圖9可以看出，初始階段顆粒物在原地以一定速度噴出后很快衰減并累積，隨著室外氣流的不斷涌入，大部分顆粒開始跟隨氣流向前運動，但只有小部分到達南墻（原因是豬舍南北跨度較大，自然通風(fēng)的氣流速度在運動過程中衰減很大，難以保證室內(nèi)的通風(fēng)效果，顆粒物的排出效果也較差）;大部分顆粒在豬體和取暖燈共同形成的熱升力作用下漂浮在屋頂處[17]。一小部分顆粒經(jīng)豬體的反彈向北墻運動，到達南墻的顆粒一小部分經(jīng)窗戶排出室外，一部分漂浮在空中以極小的速度在周圍無規(guī)則運動。

從模擬結(jié)果來看，橫向自然通風(fēng)在小跨度豬舍內(nèi)通風(fēng)效果較好，可以控制路徑上的顆粒物不向兩側(cè)擴散，避免污染其他區(qū)域。熱升力的作用使顆粒物大量聚集在屋頂處，自然通風(fēng)產(chǎn)生的氣流束無法將屋頂處的顆粒物帶走，這使得自然通風(fēng)的效果更差，這與國標GB/T 17824.3—2008中規(guī)定的跨度小于10 m的豬舍宜采用自然通風(fēng)，并設(shè)地窗和屋頂風(fēng)帽相一致。

2.2 在3/2扇窗全開情況下的模擬結(jié)果

由圖10可知，豬體呼出的顆粒物跟隨室外涌入的氣流束向前運動的同時，也向四周進行擴散，經(jīng)排風(fēng)口排出小部分顆粒，大部分顆粒仍然在熱升力的作用下漂浮在屋頂處，顆粒物的排出效果比單扇窗戶1/2開度下要好，總體上顆粒物的運動規(guī)律及分布與圖9相似。但是，窗戶開度的增加加劇了顆粒物向四周的擴散，污染了其他區(qū)域，同時也并不能有效排出顆粒物。

3 結(jié)論與建議

（1）通過對大跨度豬舍橫向自然通風(fēng)溫度場和速度場的模擬發(fā)現(xiàn)，正對進風(fēng)口處的豬體周圍風(fēng)速過大，超過了冬季保育仔豬周圍風(fēng)速最適值（0.2 m/s），容易使仔豬產(chǎn)生吹風(fēng)感，同時溫度也略低于國標規(guī)定的最適溫度（20～25 ℃），不利于豬群的生長發(fā)育[18]。建議可在正對進風(fēng)口的豬體前方放置擋風(fēng)板（長度和高度視具體情況而定），避免氣流的直射或設(shè)置熱回收送風(fēng)系統(tǒng)和增大取暖燈的發(fā)熱功率，既有利于節(jié)能，又能滿足仔豬對周圍溫度環(huán)境的要求。

（2）對于大跨度的橫向自然通風(fēng)，合適的窗戶開度既能滿足新風(fēng)量的要求，又能控制顆粒物向四周擴散;窗戶開度加大，顆粒物的排出效果雖有提升但并不明顯，同時也加劇了顆粒物向相鄰區(qū)域的擴散;又加上豬體散熱和取暖燈輻射的雙重作用，大部分顆粒物最終漂浮在屋頂附近。建議在屋頂兩側(cè)設(shè)置天窗或通風(fēng)管作為排風(fēng)口，利用風(fēng)壓和熱壓的作用將舍內(nèi)顆粒物排出[19]。

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