栗艷博， 賈立松， 魏傳祺， 鄒 嵐， 彭 博， 陳 博

（1. 北京京鵬環(huán)宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094； 2. 北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京 100096）

0 引言

2021 年，我國生豬產(chǎn)量、產(chǎn)能和價(jià)格均回歸合理區(qū)間。豬肉產(chǎn)量比2020 年增長(zhǎng)28.8%，達(dá)到正常年份水平。能繁母豬存欄4 329 萬頭，產(chǎn)能回到合理水平。從生豬養(yǎng)殖收益看，除了6?10 月虧損，其余7 個(gè)月均盈利較多，按出欄量加權(quán)平均計(jì)算，全年每出欄一頭生豬仍有564 元的利潤(rùn)，高于正常年份200 元左右的盈利水平[1-2]。在養(yǎng)豬業(yè)集約化、規(guī)?；?、機(jī)械化、智能化和福利化發(fā)展過程中，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)、疾病防控、育種和環(huán)境控制等技術(shù)仍有較大的進(jìn)步空間，其中環(huán)境控制技術(shù)是影響豬只健康、生長(zhǎng)效率及豬肉品質(zhì)的重要因素。環(huán)境控制包括光環(huán)境、聲環(huán)境、熱環(huán)境、空氣環(huán)境和水環(huán)境5 方面，本文關(guān)注的是熱環(huán)境和空氣環(huán)境。一個(gè)通風(fēng)良好的畜禽舍，可以為畜禽生產(chǎn)活動(dòng)提供強(qiáng)有力的保障。然而設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，不確定因素多，所受干擾大。若采用先建造畜禽舍再實(shí)地測(cè)量分析其通風(fēng)效率的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)事更費(fèi)錢。計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬從技術(shù)上克服上述限制并能在短期內(nèi)得到合理的設(shè)計(jì)方案[3]。目前國內(nèi)外的學(xué)者多是把CFD 模擬技術(shù)應(yīng)用在對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及污染物濃度場(chǎng)分析，鮮有運(yùn)用CFD 模擬對(duì)畜禽舍的壓力場(chǎng)進(jìn)行研究[4]。本研究對(duì)象為山西某豬場(chǎng)育肥舍夏季縱向通風(fēng)情況，目的是運(yùn)用CFD 模擬軟件，通過計(jì)算獲得豬舍各個(gè)部位負(fù)壓值，風(fēng)機(jī)的工作負(fù)壓值和豬舍各位置的風(fēng)速，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化舍內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)育肥舍的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象與理論通風(fēng)計(jì)算

1.1.1 研究對(duì)象

選取位于山西省永濟(jì)市一個(gè)規(guī)模豬場(chǎng)的育肥舍為模擬研究對(duì)象。目前，大多數(shù)豬舍設(shè)計(jì)為大棟小單元模式，選取育肥舍的一個(gè)單元進(jìn)行研究，育肥舍單元建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬尺寸為41 320 mm×14 880 mm，地面到吊頂?shù)拇怪备叨葹? 500 mm。外墻：采用240 mm 厚MU15 混凝土普通磚，Mb7.5 砂漿砌筑；外貼50 mm 厚擠塑聚苯板，容重≥274.4 N/m3。內(nèi)墻：采用240 mm 厚MU15 混凝土普通磚，Mb7.5 砂漿砌筑至標(biāo)高1.2 m，1.2 m 以上采用復(fù)合壓型鋼板墻面，檁條暗藏型。內(nèi)外墻構(gòu)造柱及拉筋、圈梁、門窗洞過梁，除建筑圖有說明者外，均按結(jié)構(gòu)圖紙和相關(guān)規(guī)范施工。內(nèi)墻除注明者外均應(yīng)砌至吊頂板底，并根據(jù)結(jié)構(gòu)要求擠實(shí)。

夏季通風(fēng)采用負(fù)壓縱向通風(fēng)模式，如圖1 所示，從左至右依次為濕簾墻、隧道窗墻、風(fēng)機(jī)墻。風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力從豬舍抽氣排到舍外，舍內(nèi)形成負(fù)壓，在大氣壓作用下，新風(fēng)依次通過濕簾、隧道窗進(jìn)入舍內(nèi)。

圖1 育肥單元Fig. 1 Fattening unit

風(fēng)機(jī)墻設(shè)備布置：風(fēng)機(jī)從上至下依次布置50 風(fēng)機(jī)、36 風(fēng) 機(jī)、50 風(fēng) 機(jī)、50 風(fēng) 機(jī)、36 風(fēng) 機(jī) 和50 風(fēng) 機(jī)。濕 簾墻設(shè)備布置：一塊長(zhǎng)寬尺寸為13 200 mm×1 800 mm 的150 mm 厚濕簾設(shè)備。隧道窗墻設(shè)備布置：隧道窗從上至下依次布置2 020 mm×1 185 mm、2 020 mm×1 185 mm、1 220 mm×1 185 mm、1 220 mm×1 185 mm、2 020 mm×1 185 mm、2 020 mm×1 185 mm。風(fēng)機(jī)布置共6 臺(tái)，濕簾一塊，隧道窗6 個(gè)，布置間距如圖1 所示。50 風(fēng)機(jī)底標(biāo)高860 mm，36 風(fēng)機(jī)底標(biāo)高1 230 mm，濕簾底標(biāo)高300 mm，隧道窗底標(biāo)高1 075 mm。

1.1.2 理論通風(fēng)計(jì)算

該項(xiàng)目在山西，地處華北地區(qū)，夏季采用縱向通風(fēng)，按照經(jīng)驗(yàn)定舍內(nèi)平均風(fēng)速為1.2 m/s。濕簾風(fēng)速設(shè)定1.8 m/s，則舍內(nèi)理論風(fēng)量為

本項(xiàng)目濕簾選用150 mm 厚濕簾，根據(jù)濕簾性能曲線（圖2）可以查到，在濕簾風(fēng)速為1.8 m/s 時(shí)，濕簾風(fēng)阻為45 Pa，綜合舍內(nèi)風(fēng)阻，風(fēng)機(jī)工作工況為55 Pa。50 風(fēng)機(jī)55 Pa 時(shí)風(fēng)量為30 000 m3/h，36 風(fēng)機(jī)55 Pa 時(shí)風(fēng)量為13 300 m3/h。則舍內(nèi)實(shí)際風(fēng)量為

圖2 濕簾性能曲線Fig. 2 Wet curtain performance curve

實(shí)際過簾風(fēng)速

1.2 物理模型

采用SolidWorks 作為三維繪圖工具，基于施工圖數(shù)據(jù)建立三維模型。如圖3 所示，物理模型將局部做了簡(jiǎn)化處理：一是通常情況下，夏季通風(fēng)時(shí)門是處于關(guān)閉狀態(tài)的，可將門簡(jiǎn)化為墻體；二是欄體是育肥大欄，其風(fēng)阻較小，忽略不計(jì)，豬只活動(dòng)區(qū)域風(fēng)阻較大，也做簡(jiǎn)化處理；三是將此區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)模型，輸入相應(yīng)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，從而減少計(jì)算量。

圖3 簡(jiǎn)化后豬舍內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 3 Internal structure of pig house

在實(shí)際養(yǎng)殖過程中育肥豬大約80%的時(shí)間都處于躺臥狀態(tài)[5]。豬的躺臥模型：選擇55 kg 育肥豬作為研究對(duì)象，研究表明在豬的所有躺臥姿勢(shì)中，側(cè)躺且四肢伸展姿勢(shì)占比高于60%，因此本研究中豬的躺臥模型均基于此種姿勢(shì)。豬質(zhì)量與體尺之間的冪函數(shù)關(guān)系如下

1.3 CFD 簡(jiǎn)介

CFD 技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量、能量及動(dòng)量守恒等基本方程對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行求解，分析空氣流動(dòng)狀況。模擬時(shí)將豬舍內(nèi)空氣簡(jiǎn)化為定常流動(dòng)的不可壓縮流體，鑒于任何流體流動(dòng)必須遵循基本物理守恒定律，即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律，模擬時(shí)又將豬舍內(nèi)空氣視為水蒸氣與干空氣組成的理想混合氣體，還需要遵循組分守恒定律，因此本模擬應(yīng)滿足以下控制方程。使用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模，并使用ANSYS FLUENT 軟件進(jìn)行模擬。模擬包括前處理、運(yùn)算和后處理，都在ANSYS FLUENT 軟件下操作。

質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

能量方程

組分守恒方程

式中 ρ?流體密度，kg/m3

u?速度在X方向的分量，m/s

v?速度在Y方向的分量，m/s

w?速度在Z方向的分量，m/s

P?流體微元體上的壓力，Pa

T?流體開氏溫度，K

λ?流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

cp ?流體比熱容，J/(kg·K)

ST?流體內(nèi)熱源項(xiàng)，W

cs?組分S的濃度，kg/kg

DS?組分的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

2 網(wǎng)格和邊界條件

2.1 網(wǎng)格和網(wǎng)格劃分

采用重整化群（RNG）κ-ε 模型作為湍流模型，以求解育肥舍內(nèi)流體黏性流動(dòng)狀況。在SolidWorks 軟件中將育肥舍單元的模型建立后如圖4 所示，再接著建立流體域模型，為了減小外界條件對(duì)模型的影響，風(fēng)機(jī)側(cè)流體域向外擴(kuò)展6 000 mm，然后將模型導(dǎo)入ANSYS軟件，對(duì)幾個(gè)模型進(jìn)行切割和命名處理，將濕簾區(qū)域切割出來，將地面以上300 mm 作為豬只區(qū)域切割出來，分別命名shilian、zhuzhi，命名inlet、outlet01、outlet02、outlet03、outlet04、sheneidimian、fj5001、fj5002、fj5003、fj5004、fj3601 和fj3602 分別代表入口、出口01、出口02、出口03、出口04、舍內(nèi)地面、50 風(fēng)機(jī)01 號(hào)、50風(fēng)機(jī)02 號(hào)、50 風(fēng)機(jī)03 號(hào)、50 風(fēng)機(jī)04 號(hào)、36 風(fēng)機(jī)01號(hào)和36 風(fēng)機(jī)02 號(hào)。

圖4 流體域模型Fig. 4 Fluid domain model

在邊界面設(shè)置完成后，需要對(duì)育肥單元物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用系統(tǒng)默認(rèn)的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分Mesh 設(shè)置時(shí)，physics preference 設(shè)置為CFD。solver preference 設(shè)置為fluent。由于整體物理模型尺寸較大，考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算難度，避免單元總數(shù)太多，單元尺寸在合適范圍內(nèi)，盡可能大些，將物理模型全局體網(wǎng)格基本單元尺寸設(shè)置為300 mm（單元最長(zhǎng)邊的距離），將物理模型全局體網(wǎng)格最大單元尺寸設(shè)置為350 mm（單元最長(zhǎng)邊的距離）。由于濕簾厚度150 mm，故將濕簾區(qū)域添加尺寸調(diào)整基本單元尺寸100 mm，將豬只活動(dòng)區(qū)域添加尺寸調(diào)整基本單元尺寸200 mm。全部設(shè)置完成后，計(jì)算生成網(wǎng)格，育肥單元物理模型網(wǎng)格如圖5 所示。整個(gè)物理模型總單元節(jié)點(diǎn)數(shù)151 875 個(gè)，總單元數(shù)634 707 個(gè)。

圖5 育肥單元物理模型整體網(wǎng)格Fig. 5 Overall grid of fattening unit physical model

2.2 邊界條件設(shè)置

（1）模擬狀態(tài)確定。在模擬中，擬定狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)，夏季風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，卷簾全開，隧道窗全開狀態(tài)。

（2）流體域設(shè)置。濕簾區(qū)域?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)區(qū)域，設(shè)定黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。豬只區(qū)域?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)區(qū)域，設(shè)定參數(shù)如表1 所示。

（3）流體域入口、出口條件設(shè)置。入口為壓力入口，壓力值為0 Pa；出口為壓力出口，壓力值為0 Pa。

（4）其他參數(shù)如表1 所示[5]。

表1 相關(guān)邊界條件值Tab. 1 Relevant boundary condition values

3 計(jì)算求解

物理模型網(wǎng)格劃分和邊界條件均設(shè)置完成后，運(yùn)用ANSYS 軟件中的Fluent 求解器進(jìn)行模擬計(jì)算求解，得到收斂的結(jié)果，其殘差收斂曲線如圖6 所示。

圖6 殘差收斂曲線Fig. 6 Residual convergence curve

4 模擬結(jié)果顯示和數(shù)據(jù)分析

由圖7 舍內(nèi)空氣跡線分布圖可知，中間門位置風(fēng)速較小，所以大部分豬舍門正對(duì)通道，一是為了轉(zhuǎn)豬方便，二是減少通風(fēng)死區(qū)對(duì)豬只的影響。

圖7 三維豬舍內(nèi)空氣跡線分布Fig. 7 Air traces in a three-dimensional piggery

創(chuàng)建等值面ZY面，X軸方向4 670 mm 為面X01，此面的速度云圖如圖8a 所示，在面X01 上新建兩條線，lin1 為Z=500 mm，lin2 為Z=1 800 mm，分別代表豬只活動(dòng)區(qū)域和人員活動(dòng)區(qū)域。利用lin1、lin2 建立速度曲線，曲線X軸為豬舍長(zhǎng)度方向，曲線Y軸為氣流速度。lin1 速度曲線如圖8b 所示，lin2 速度曲線如圖8c 所示。

圖8 等值面ZY 面速度云圖和速度曲線Fig. 8 Velocity cloud map and velocity curve of isosurface ZY

在高度1 800 mm 位置（圖8c），氣流從濕簾到隧道窗有明顯加速趨勢(shì)。因?yàn)閺臐窈煹剿淼来?，減小了通風(fēng)口面積，從而加大了氣流速度。 隨后在舍內(nèi)呈減小趨勢(shì)，最后維持在1.3 m/s，在靠近風(fēng)機(jī)時(shí)急劇上升到最大風(fēng)速4.46 m/s，而后呈下降趨勢(shì)，在風(fēng)機(jī)外6 m位置風(fēng)速為2.25 m/s。在高度500 mm 位置（圖8b），氣流從濕簾到隧道窗先加速后減速。因?yàn)闅饬鞅凰淼来皦ψ钃?，所以有一個(gè)減速過程。接著在舍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)渦流，此處氣流較亂，速度基本在0.5 m/s 上下，受隧道窗氣流下沉影響，風(fēng)速呈上升趨勢(shì)。舍長(zhǎng)增加，動(dòng)力減弱，整體又呈下降趨勢(shì)，基本維持在0.8 m/s 左右。過風(fēng)機(jī)后在墻體另一側(cè)風(fēng)速增加，在風(fēng)機(jī)外6 m 位置風(fēng)速為2.3 m/s。創(chuàng)建等值面ZY 面，X軸方向4 670 mm 為面X01，此面的壓力云圖如圖9a 所示，在面X01 上新建兩條線，lin1 為Z=500 mm，lin2 為Z=1 800 mm，分別代表豬只活動(dòng)區(qū)域和人員活動(dòng)區(qū)域。利用lin1、lin2 建立壓力曲線，曲線X軸為豬舍長(zhǎng)度方向，曲線Y軸為壓力。lin1壓力曲線如圖9b 所示，lin2 壓力曲線如圖9c 所示。

圖9 等值面ZY 面壓力云圖和壓力曲線Fig. 9 Pressure nephogram and pressure curve of isosurface ZY

在高度1 800 mm 位置（圖9c），壓力在濕簾處阻力下降到?48 Pa。在隧道窗處又下降了7 Pa，整體在舍內(nèi)非常平緩，最后維持在?53 Pa。風(fēng)機(jī)前后壓差達(dá)到53 Pa 以上，在風(fēng)機(jī)外壓力值最大上升到2.55 Pa，而風(fēng)機(jī)外側(cè)與外界連通，只是受到阻力，正壓值并不大。

在高度500 mm 位置（圖9b），壓力在濕簾處阻力下降到?48 Pa 左右。在隧道窗處又下降了7 Pa 左右，在舍內(nèi)非常平緩，最后維持在?53 Pa 左右。風(fēng)機(jī)前后壓差達(dá)到53 Pa 以上，在風(fēng)機(jī)外壓力值最大上升到0 Pa，而風(fēng)機(jī)外側(cè)與外界連通，只是受到阻力，正壓值基本無增加。

由圖8a、圖8b 和圖8c 可以得出，豬舍內(nèi)不同高度風(fēng)速是不一樣的，而傳統(tǒng)豬舍通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)是用豬舍截面積乘以平均風(fēng)速，按照此方法進(jìn)行豬舍通風(fēng)設(shè)計(jì)確實(shí)有一定的偏差。從本次模擬中豬只位置風(fēng)速基本在0.8 m/s 左右，與理論計(jì)算1.1 m/s 稍有差異。

由圖9a、圖9b 和圖9c 可以得出，豬舍內(nèi)不同高度的壓力值基本是一樣，主要壓降點(diǎn)在濕簾、隧道窗位置，舍內(nèi)壓力平穩(wěn)一致。傳統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)也是從這幾個(gè)點(diǎn)考慮壓降值，累加得到風(fēng)機(jī)工作負(fù)壓值。因本次設(shè)計(jì)的濕簾阻值在風(fēng)速1.8 m/s 時(shí)為48 Pa，而舍內(nèi)負(fù)壓值達(dá)到53 Pa，與理論設(shè)計(jì)55 Pa 結(jié)果基本符合。

5 結(jié)束語

對(duì)山西某豬場(chǎng)育肥舍一個(gè)單元的夏季縱向通風(fēng)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過軟件模擬對(duì)傳統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證，從驗(yàn)證結(jié)果看出傳統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)存在一定缺陷，軟件更能精確計(jì)算出豬舍內(nèi)的風(fēng)速和壓力。不過傳統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)與軟件計(jì)算相比，速度場(chǎng)偏差較大，而壓力場(chǎng)偏差較小。需要說明的是本次模擬在對(duì)育肥豬本身、建筑結(jié)構(gòu)、欄體、食槽和漏糞地板的建模及參數(shù)設(shè)定都進(jìn)行了簡(jiǎn)化，且本次模擬結(jié)果基于該育肥舍的風(fēng)機(jī)參數(shù)、濕簾參數(shù)、豬只參數(shù)而得出。本研究可以說明縱向通風(fēng)模式的特點(diǎn)，對(duì)該類型畜禽舍的設(shè)計(jì)建設(shè)具有理論指導(dǎo)的作用。