吳照學(xué) 梁偉 鮑恩財 陳菁 柏宗春 應(yīng)詩家

摘要：針對冬季規(guī)模化養(yǎng)殖鴨群集聚問題，對發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍溫度、相對濕度和風(fēng)速測試，構(gòu)建鴨舍CFD模型，開展溫度場、濕度場和氣流場的環(huán)境模擬，提出鴨舍結(jié)構(gòu)與裝備的優(yōu)化方案。結(jié)果表明：測試期間，舍內(nèi)溫度為9.80℃～17.68℃，舍內(nèi)外平均溫差8.29℃；舍內(nèi)平均相對濕度為81.90%，略低于舍外；舍內(nèi)風(fēng)速為0.04～0.57m/s。對原模型溫度場、濕度場和氣流場進(jìn)行模擬，與實測結(jié)果進(jìn)行對比，其平均相對誤差為2.96%～7.67%。進(jìn)一步將通風(fēng)小窗開啟角度從45°增大至50°，在位于濕簾側(cè)的發(fā)酵床初始端和發(fā)酵床中心位置增設(shè)2臺暖風(fēng)機(jī)對原有鴨舍環(huán)境優(yōu)化，模擬發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后模型的舍內(nèi)溫度從15.32℃提高到16.85℃，達(dá)到育成期蛋鴨生長最適溫度；舍內(nèi)平均濕度降至66.52%，較原來下降11.07%，低于高濕環(huán)境閾值；舍內(nèi)平均風(fēng)速從0.29m/s提高到0.38m/s，提高排除有害氣體的能力。為同類型鴨舍改善舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鴨舍；發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)；計算流體力學(xué)；環(huán)境優(yōu)化

中圖分類號：S834

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12003307

Simulation and optimization of winter environment for duck house with

fermentation bed net based on CFD

Wu Zhaoxue1， Liang Wei1， 2， Bao Encai2， Chen Jing3， Bai Zongchun2， Ying Shijia2

（1. School of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei， 230036， China; 2. Jiangsu Academy of

Agricultural Sciences， Nanjing， 210014， China; 3. Jiangsu Gaoyou Duck Development Group Co.， Ltd.，

Yangzhou， 211200， China）

Abstract：

In response to the problem of large-scale duck farming in winter， temperature， relative humidity， and wind speed tests were conducted on the fermentation bed net duck breeding house. A CFD model of the duck house was constructed， and environmental simulations of temperature， humidity， and airflow fields were carried out. Optimization plans for the structure and equipment of the duck house were proposed. The results showed that during the testing period， the temperature inside the room was 9.80℃-17.68℃， and the average temperature difference between inside and outside the room was 8.29℃. The average relative humidity inside the house was 81.90%， slightly lower than outside. The wind speed inside the building was 0.04-0.57m/s. The temperature， humidity， and airflow fields of the original model were simulated and compared with the measured results， with an average relative error of 2.96% to 7.67%. Further， the opening angle of the ventilation was increased from 45° to 50°， and two warm air fans were added to the initial end and center of the fermentation bed located on the wet curtain side to optimize the environment of the original duck house. Simulation showed that the temperature inside the optimized model was increased from 15.32℃ to 16.85℃， reaching the optimal temperature for the growth of egg ducks during the breeding period. The average humidity inside the house was decreased to 66.52%， a decrease of 11.07% compared to the original， which was lower than the threshold of high humidity environment. The average wind speed inside the building was increased from 0.29m/s to 0.38m/s， improving the ability to remove harmful gases. This study can provide a theoretical basis for improving the environmental quality of similar duck houses.

Keywords：

duck coop; fermentation bed net; CFD; environmental optimization

0 引言

設(shè)施環(huán)境顯著影響鴨的生長性能，近年來，鴨養(yǎng)殖逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、集約化、規(guī)模化和福利化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的臨水養(yǎng)殖和旱地平養(yǎng)由于設(shè)施簡陋、飼養(yǎng)環(huán)境差逐漸被淘汰［1］。發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍利用發(fā)酵床實現(xiàn)鴨糞原位發(fā)酵解決鴨糞處理難的問題，該模式下鴨在網(wǎng)床上自由活動，擺脫鴨籠的束縛，有效地將鴨群與鴨糞分開，減少鴨群病菌的感染率，此外糞便通過網(wǎng)孔下落會進(jìn)行原位發(fā)酵，將糞污轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［2］。但由于發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍集約化程度高，會造成舍內(nèi)氣流不通暢，加之冬季舍外溫度低，為了達(dá)到保溫的效果鴨舍門和通風(fēng)窗多為關(guān)閉狀態(tài)，會導(dǎo)致舍內(nèi)氣流蓄積有害氣體濃度變高［3］，進(jìn)而影響鴨的健康［4］，降低鴨的生產(chǎn)效益。因此，對冬季發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍環(huán)境評估與優(yōu)化等問題亟待解決。

目前，畜禽舍內(nèi)環(huán)境測試優(yōu)化的重要手段是計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）技術(shù)，CFD技術(shù)是通過數(shù)據(jù)分析模擬為試驗人員提供詳盡的氣動數(shù)據(jù)和圖像［5］。CFD技術(shù)在國外起步比較早，并在近年來有了較大的突破。1990年，Choi等［6］最先使用k-ε湍流模型對畜禽舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了初步模擬，模擬的過程相對較長，由于自然條件的欠缺和技術(shù)的不成熟，所得的氣流模擬結(jié)果與實際所測誤差較大。1992年，Hoff等［7］將畜禽舍模型假定成一個能夠發(fā)熱的板狀結(jié)構(gòu)，模擬了畜禽舍內(nèi)的熱交換現(xiàn)象，結(jié)果表明模擬結(jié)果具有很好的準(zhǔn)確性。此后，大部分研究都會將畜禽舍氣流的模擬與溫度的模擬結(jié)合起來研究。Kic等［8］利用CFD技術(shù)對夏冬兩季肉雞舍內(nèi)的通風(fēng)狀況進(jìn)行二維和三維模擬，試驗證明相比夏冬兩季肉雞舍二維通風(fēng)模型，三維模擬數(shù)據(jù)精確度更加精確。Sun等［9］又利用CFD技術(shù)模擬了豬舍的氣流和有害氣體，構(gòu)建豬舍的氣流場三維模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬值與實測值無明顯差異，從而表明CFD模型是評估畜禽舍氣流場重要手段。國內(nèi)針對CFD技術(shù)對畜禽內(nèi)環(huán)境評估起步比較晚，多用于雞舍、牛舍等溫度場和氣流場的研究。李文良等［10］利用CFD技術(shù)模擬了冬季密閉式雞舍縱向通風(fēng)過程，對雞舍內(nèi)進(jìn)風(fēng)口大門的安裝位置、高度進(jìn)行模擬，探究其對雞舍氣流的影響。鄧書輝等［11］運用CFD對低屋面橫向通風(fēng)牛舍氣流場進(jìn)行模擬，旨在為低屋面橫向通風(fēng)牛舍的結(jié)構(gòu)提供合理的優(yōu)化。近年來，國內(nèi)畜禽調(diào)控技術(shù)發(fā)展快速，畜禽生長性能等一系列問題得到了有效的解決，顯著提高養(yǎng)殖水平。

本文擬通過現(xiàn)場實測結(jié)合CFD模擬的方式，對發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍內(nèi)溫濕度、風(fēng)速進(jìn)行測試與分析，并對鴨舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行CFD模擬，針對模擬的溫度場、濕度場和氣流場存在的問題進(jìn)行設(shè)施結(jié)構(gòu)與裝備優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 供試鴨舍

1.1.1 鴨舍結(jié)構(gòu)

試驗鴨舍位于江蘇省揚(yáng)州市高郵鴨集團(tuán)養(yǎng)殖示范基地（119°46′E、32°78′N）。鴨舍平面結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1（a）所示，鴨舍長100m，寬15m，檐高3.4m，屋脊高5.3m，呈南北走向。南北兩側(cè)縱墻上各安裝有24個通風(fēng)小窗和12扇窗戶，通風(fēng)小窗尺寸為0.6m×0.3m，通風(fēng)小窗導(dǎo)流板開啟角度為0°～100°，窗戶尺寸為長1.95m、寬0.97m、距地面1.5m，冬季正常情況下窗戶全關(guān)閉，濕簾安裝于西側(cè)墻頭，尺寸為12.4m×2m，厚度為0.2m，距離地面1m。污道一側(cè)山墻并列安裝6臺風(fēng)機(jī)，從左至右依次標(biāo)號為1、2、3、4、5、6，每臺間距1.03m，風(fēng)機(jī)長寬都是1.3m，距離地面1.5m，理論風(fēng)量為31 800m3/h［12］，如圖1（b）所示。

網(wǎng)床長90m，寬15m，厚0.1m，距離地面1.9m。網(wǎng)床分為活動區(qū)和休息區(qū)，活動區(qū)11.5m，休息區(qū)3.5m。鴨舍內(nèi)配套自動飲水和喂料系統(tǒng)以及糞便自動翻耙系統(tǒng)。自動飲水系統(tǒng)采用乳頭式位于發(fā)酵床兩側(cè)，自動喂料系統(tǒng)位于發(fā)酵床中間，白天每隔3h自動喂料一次，鴨群在網(wǎng)床上層自由活動，糞便通過漏縫板下落。

1.1.2 通風(fēng)模式

舍內(nèi)飼養(yǎng)蘇郵1號蛋鴨約4000羽。采用負(fù)壓縱向通風(fēng)模式，測試期間舍內(nèi)蛋鴨處于250日齡，屬于育成期蛋鴨，理想溫度范圍是16℃～18℃［13］，在滿足最小通風(fēng)量的前提下結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚺c多年養(yǎng)殖經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)江蘇地區(qū)冬季氣候特點，設(shè)定試驗鴨舍冬季理想溫度為16.0℃。（1）當(dāng)舍內(nèi)溫度≤16.0℃時，執(zhí)行最小通風(fēng)量的風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)，開啟3號風(fēng)機(jī)，執(zhí)行順序為：開40s，停50s，再開40s，再停50s，如此循環(huán)往復(fù)。（2）當(dāng)16.0℃＜舍內(nèi)溫度＜18.0℃時，開啟3號和5號兩臺風(fēng)機(jī)，執(zhí)行順序為：開50s，停60s，再開50s，再停60s，如此循環(huán)往復(fù)。舍內(nèi)溫度每升高0.5℃，該2臺風(fēng)機(jī)多運行25s，如舍內(nèi)氣溫為16.5℃，則兩臺風(fēng)機(jī)開75s，停60s，如此循環(huán)往復(fù)。（3）當(dāng)舍內(nèi)溫度=18.0℃時，則開啟1、3、5號三臺風(fēng)機(jī)，執(zhí)行順序為：開40s，停50s，如此循環(huán)往復(fù)。（4）當(dāng)舍內(nèi)溫度＞18.0℃，1、3、5號三臺風(fēng)機(jī)連續(xù)運行，并增開4號風(fēng)機(jī)，直到降至18.0℃，關(guān)閉4號風(fēng)機(jī)。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗主要測量舍內(nèi)不同區(qū)域的溫度、相對濕度、風(fēng)速以及舍外溫濕度。舍內(nèi)和舍外共布置8個測點，舍外放置在鴨舍門前，測量舍外的溫度和相對濕度，舍內(nèi)網(wǎng)床四等分點設(shè)置5個測點，中間兩側(cè)各放置1個。

溫度和相對濕度采用HOBO溫濕度記錄儀UX100-011實時監(jiān)測記錄（溫度量程-20℃～70℃，精度為±0.2℃；相對濕度量程1%～100%，精度為±2.5%），記錄時間為30min一次；風(fēng)速采用Testo425熱敏風(fēng)速儀（測量范圍0～20m/s，分辨率為0.01m/s）測定，測定方式為手持讀數(shù)，測定時間為每天8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00、20：00。

2 結(jié)果與分析

2.1 舍內(nèi)外溫濕度分析

圖2和圖3顯示連續(xù)8d（2022-01-18 0：00—2022-01-26 0：00）舍內(nèi)外溫度和相對濕度變化情況，測試期間舍內(nèi)縱向溫濕度采集點共有5處，選取5處取平均值作為舍內(nèi)整體溫濕度。

由圖2可知，連續(xù)8d舍外溫度范圍為2.22℃～11.93℃，平均溫度為5.77℃；舍內(nèi)溫度范圍為9.80℃～17.68℃，平均溫度為14.05℃。舍內(nèi)外平均溫差8.29℃，最大溫差12.39℃，說明供試鴨舍冬季具有保溫效果，但相比育成期蛋鴨最適生長溫度16℃～18℃，舍內(nèi)溫度偏低。

由圖3可知，連續(xù)8d舍外相對濕度最高為95.55%，最低為59.65%，平均相對濕度82.57%；舍內(nèi)相對濕度最高為90.53%，最低為67.57%，平均相對濕度81.90%。供試鴨舍內(nèi)相對濕度曲線變化趨勢與舍外基本一致，日變化幅度均小于舍外，變化幅度小減少鴨的應(yīng)激反應(yīng)，更有利于鴨的生長。畜禽養(yǎng)殖行業(yè)將相對濕度>75%定義為高濕環(huán)境，舍內(nèi)大部分時間內(nèi)處于高濕環(huán)境。

2.2 舍內(nèi)風(fēng)速分析

圖4顯示不同時刻舍內(nèi)不同區(qū)域風(fēng)速變化。由圖4可知，舍內(nèi)風(fēng)速變化范圍為0.04～0.57m/s。西側(cè)（濕簾側(cè)）顯著高于中部和東側(cè)（風(fēng)機(jī)側(cè)）（P＜0.05），東、西、中三個區(qū)域風(fēng)速都是先向上升后下降再上升，在正午時刻達(dá)到頂峰，并且由濕簾至風(fēng)機(jī)呈上升趨勢；整體來看，舍內(nèi)風(fēng)速遠(yuǎn)低于適合家禽生長的最佳風(fēng)速范圍1.5～2.0m/s［14］，風(fēng)速低會造成舍內(nèi)氣流不通暢，有害氣體聚集。

3 CFD模擬

3.1 三維模型建立

假設(shè)鴨舍墻壁和屋頂為絕熱壁面，同一側(cè)墻體的不同區(qū)域溫度看作相同；地面定義為恒溫壁面；進(jìn)風(fēng)口氣流勻速等溫，流體的流動遵循四大定律包括；舍內(nèi)各維護(hù)結(jié)構(gòu)定義為熱流量壁面，忽略物線水線等結(jié)構(gòu)對舍內(nèi)氣流的影響；由于蛋鴨在活動區(qū)較分散，模型建立忽略蛋鴨對舍內(nèi)氣流的影響。

根據(jù)實地測量和模擬工況的數(shù)據(jù)，在上述內(nèi)部結(jié)構(gòu)與裝備簡化的基礎(chǔ)上利用SolidWorks對幾何進(jìn)行建模后，導(dǎo)入Ansys Design model進(jìn)行模型布爾操作，同時對各邊界條件進(jìn)行命名以用于后期數(shù)值求解，Z軸正向為東向，X軸正向為北向，建立如圖5所示的三維鴨舍模型。

3.2 網(wǎng)格劃分

將建立的鴨舍三維模型導(dǎo)入ANSYS fluent中，采用fluent meshing對三維幾何模型進(jìn)行離散。劃分網(wǎng)格類型為多面體網(wǎng)格，對45°導(dǎo)向通風(fēng)小窗位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，定義該區(qū)域局部面網(wǎng)格尺寸為30mm，風(fēng)機(jī)和濕簾面網(wǎng)格尺寸定義為150mm，幾何模型整體最大面網(wǎng)格尺寸定義為800mm，網(wǎng)格增長率為1.2，面網(wǎng)格生成采用曲率與近似的方法以進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)格質(zhì)量，最終幾何模型生成網(wǎng)格數(shù)量為1381204，網(wǎng)格質(zhì)量評判指標(biāo)最大畸變度和最小正交質(zhì)量分別為0.86和0.14，建立如圖6所示的鴨舍網(wǎng)格劃分圖。

3.3 邊界條件及求解器設(shè)置

劃分網(wǎng)格之后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入求解器中，進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，具體模擬工況邊界條件設(shè)置為：（1）假定舍內(nèi)熱空氣為連續(xù)、不可壓定的理想氣流。（2）假定鴨舍屋頂為絕熱壁面，地面定義為恒溫壁面，其數(shù)值為模擬時間內(nèi)室內(nèi)平均溫度（16.02℃）；墻體定義為熱流量壁面，以實測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)（東墻19.9W/m2；西墻10.1W/m2；南墻21.5W/m2；北墻9.9W/m2）。（3）忽略舍內(nèi)供水供料等管道對舍內(nèi)氣流的影響；舍內(nèi)封閉大窗小窗、門區(qū)域定義為與外界氣溫對流的壁面，對流換熱系數(shù)7.5W/m2，具有45°通風(fēng)導(dǎo)向小窗定義為自由進(jìn)出口。（4）風(fēng)機(jī)開1臺（中間第3號風(fēng)機(jī)），其他風(fēng)機(jī)定義為絕熱壁面；濕簾為均勻進(jìn)風(fēng)入口，冬季假定濕簾水泵未開啟不需要降溫，其溫濕度及氣流流速定義為測試值。（5）發(fā)酵床定義為多孔介質(zhì)以減少仿真計算成本。

根據(jù)Forchheimer描述空氣流經(jīng)多孔介質(zhì)定律［15］

式中：

1/α——黏性阻力系數(shù)，8341605.404m-2；

β——慣性阻力系數(shù)，120.5191837m-1；

ΔP——流體在介質(zhì)中的壓力損失，N；

d——多孔介質(zhì)長度，m；

v——介質(zhì)中空氣流速，m/s；

ρ——介質(zhì)的滲透率；

μ—孔黏度。

代入式（1）得假定多孔介質(zhì)后壓降

式中：

μ0——空氣黏度，μ0=1.7894×10-5為15℃時的黏度；

T——溫度，℃；

B——與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，空氣的B=110.4。

發(fā)酵床估計孔隙率為20×25×13×10/300×300=0.72，由此可得發(fā)酵床網(wǎng)孔的孔隙率為0.72。

模擬過程中舍內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)機(jī)正常運行，舍內(nèi)入風(fēng)口與出風(fēng)口氣流速率恒定不變，所以使用基于壓力穩(wěn)態(tài)（狀態(tài)不隨時間的變化而改變）求解數(shù)學(xué)模型；數(shù)值求解采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型具有計算速度快、對硬件條件低的優(yōu)點，是近年針對畜禽舍數(shù)值模擬的最廣泛完整是湍流模型，因此，本文所有的模擬計算均采用了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型作為湍流模型。

3.4 模擬結(jié)果驗證

因為2022年1月18日12：00這一時刻舍內(nèi)外溫差最大，所以選擇這一時刻進(jìn)行模擬。對應(yīng)模擬的溫度場、濕度場和氣流場如圖7所示。

由模擬結(jié)果可以看出供試鴨舍冬季內(nèi)環(huán)境存在以下問題：（1）舍內(nèi)整體溫度偏低（15.32℃），低于育成期蛋鴨最適生長溫度（16℃～18℃），由于養(yǎng)殖人員進(jìn)出鴨舍，出口門經(jīng)常打開，導(dǎo)致靠近濕簾側(cè)溫度較低（12.53℃）。（2）舍內(nèi)整體濕度較高（77.32%），高于高濕環(huán)境閾值75%。（3）舍內(nèi)整體風(fēng)速較低（0.29m/s），特別是靠近風(fēng)機(jī)一側(cè)風(fēng)速低于0.2m/s。

為驗證CFD仿真模擬的準(zhǔn)確性，詳細(xì)對比分析實測值與模擬值，引入相對誤差計算公式［16］，如式（3）所示。

式中：

Ev——實測值與模擬值之間的相對誤差；

Cs——模擬值；

Cm——實測值。

評估模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性就是比較CFD仿真模擬中與測點同一位置、同一時刻的數(shù)據(jù)，本文選擇鴨舍同一時刻5個測點（距離濕簾1m、距離濕簾25m、距離濕簾50m、距離濕簾75m、距離濕簾98m靠近風(fēng)機(jī)）的溫度、相對濕度和氣流對比分析得出結(jié)果如圖8所示：溫度相對誤差范圍1.40%～6.09%，平均誤差3.78%；濕度的相對誤差范圍1.71%～4.54%，平均誤差2.96%；氣流相對誤差范圍4.48%～10.00%。平均誤差7.67%，說明模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合性較高，模擬值較準(zhǔn)確反映試驗鴨舍內(nèi)溫度、相對濕度和氣流速度變化情況，并且以該模擬為基礎(chǔ)可以對該鴨舍環(huán)境進(jìn)行有效的評估與分析。

3.5 舍內(nèi)溫度、濕度和氣流優(yōu)化

為解決模擬結(jié)果出現(xiàn)的溫度低、濕度大、風(fēng)速低等問題，利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)對鴨舍結(jié)構(gòu)與裝備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出在改進(jìn)通風(fēng)小窗開啟角度的基礎(chǔ)上增加暖風(fēng)機(jī)的優(yōu)化方案，具體方案與優(yōu)化結(jié)果如下。

暖風(fēng)機(jī)邊界條件設(shè)置：鴨舍總面積1500m2，預(yù)期設(shè)定溫度從14℃提升至16℃所需熱量按照式（4）計算。

Q=C×m×Δt（4）

式中：

Q——需要總熱量，J；

C——比熱容，J/（kg·℃）；

m——質(zhì)量，kg；

Δt——需要提升溫度的差值，℃。

鴨舍總面積1500m2，空氣比熱容1.004kJ/（kg·℃），空氣密度為1.23kg/m3，求得鴨舍溫度從14℃提升至16℃所需熱量為9261.9kJ，由于鴨舍存在一些保溫結(jié)構(gòu)，假定鴨舍與外界進(jìn)行熱量交換損失50%［17］，所以需要總熱量18523.8kJ，根據(jù)電力熱量換算系數(shù)860［18］，所以需要20kW功率的工業(yè)柴油暖風(fēng)機(jī)。出風(fēng)口定義為速度出口，出風(fēng)溫度為45℃，進(jìn)風(fēng)口定義為速度入口，風(fēng)速與出風(fēng)口相同。為避免暖風(fēng)機(jī)熱風(fēng)直接吹向鴨對鴨產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，仿真中將暖風(fēng)機(jī)風(fēng)口仰角調(diào)控至30°，鴨舍內(nèi)布置兩臺，位于靠近濕簾側(cè)的發(fā)酵床初始端和發(fā)酵床中心位置。

在其他原有模擬邊界條件和求解設(shè)置不變的情況下，對2022年1月18日12：00這一時刻改進(jìn)后的鴨舍幾何模型經(jīng)過仿真模擬得出優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖9所示。

由優(yōu)化后溫度場、濕度場和氣流場可知：（1）溫度場：增加通風(fēng)小窗開啟角度會加大舍內(nèi)的能量損失，但通過在靠近濕簾側(cè)的發(fā)酵床初始端和發(fā)酵床中心位置添加兩臺暖風(fēng)機(jī)使得舍內(nèi)各位置溫度增高，并且達(dá)到育成期蛋鴨生長的最適溫度。（2）濕度場：增添暖風(fēng)機(jī)使得舍內(nèi)溫度增高，濕度降低，低于高濕環(huán)境閾值75%，特別是靠近風(fēng)機(jī)側(cè)溫度明顯上升，濕度明顯降低。（3）氣流場：優(yōu)化后提高了舍內(nèi)風(fēng)速，并且由于暖風(fēng)機(jī)在發(fā)酵床上方因此對下方氣流分布影響忽略不計，優(yōu)化后明顯提高了發(fā)酵床上方鴨活動區(qū)域氣流流速并且暖風(fēng)機(jī)將原有的部分盛行氣流導(dǎo)引至發(fā)酵床上方，有利于鴨活動范圍內(nèi)CO2和NH3的稀釋。

4 討論

Yahav等［14］研究發(fā)現(xiàn)，畜禽舍風(fēng)速范圍為1.5～2.0m/s時最適合禽類生長，本研究測試期間舍內(nèi)風(fēng)速范圍0.04～0.57m/s，遠(yuǎn)低于禽類生長的最適風(fēng)速范圍，這也導(dǎo)致舍內(nèi)CO2濃度遠(yuǎn)高于定期清糞鴨舍CO2濃度閾值1500mg/m3，因此還需要優(yōu)化舍內(nèi)通風(fēng)模式，以減少因CO2濃度過高對鴨生長的影響，此外，由于前期試驗準(zhǔn)備不充分，沒有測量舍內(nèi)顆粒物濃度，顆粒物含量過高抑制鴨的生長，保證鴨舍顆粒物含量在適當(dāng)范圍也是改善鴨舍環(huán)境的主要措施之一，在后續(xù)的研究中，會積極與企業(yè)溝通交流，對舍內(nèi)顆粒物濃度進(jìn)行測量改善。

對鴨舍環(huán)境模擬發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后模型增加了舍內(nèi)風(fēng)速特別是網(wǎng)床上端鴨活動區(qū)域，暖風(fēng)機(jī)設(shè)置向上仰角30°，一方面降低暖風(fēng)直吹造成鴨熱應(yīng)激，另一方面可以將鴨活動區(qū)域CO2和NH3排至網(wǎng)床上方從通風(fēng)小窗排出，但具體排出量還未計算，這將是下一步的研究重點。另外，模擬值與測試值的個別誤差比較大可能是由于建模過程中未考慮蛋鴨對舍內(nèi)環(huán)境因子的影響所造成的。同時，本文對裝備與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案未進(jìn)行實測驗證，后續(xù)將開展相關(guān)研究。

5 結(jié)論

本文通過實地測量發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍內(nèi)冬季溫濕度、風(fēng)速，構(gòu)建了鴨舍的CFD模型，驗證了模型的準(zhǔn)確性，對舍內(nèi)存在的溫度低、濕度大和風(fēng)速低等問題進(jìn)行優(yōu)化，提出改變通風(fēng)小窗開啟角度（從45°增大到50°）和增加暖風(fēng)機(jī)（在位于靠近濕簾側(cè)的發(fā)酵床初始端和發(fā)酵床中心位置增設(shè)兩臺暖風(fēng)機(jī)）的方案。

1）測試期間，舍內(nèi)溫度9.80℃～17.68℃，舍外溫度2.22℃～11.93℃，舍內(nèi)外平均溫差8.29℃，最大溫差12.39℃，說明供試鴨舍冬季具有保溫效果，但相比育成期蛋鴨最適宜的生長溫度16℃～18℃，舍內(nèi)溫度偏低；舍內(nèi)相對濕度67.57%～90.53%，舍外相對濕度59.65%～95.55%，舍內(nèi)相對濕度日變化幅度均小于舍外，但大部分時間處于高濕環(huán)境。

2）根據(jù)現(xiàn)場實測環(huán)境因子和維護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸，對冬季發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)模式鴨舍進(jìn)行CFD仿真模擬，并將現(xiàn)場實測溫度、相對濕度和風(fēng)速與CFD模擬數(shù)值進(jìn)行驗證結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有較好的吻合性，說明該模型可有效評估冬季發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍內(nèi)環(huán)境，并可對鴨舍結(jié)構(gòu)與裝備進(jìn)行優(yōu)化模擬。

3）優(yōu)化后結(jié)果表明：舍內(nèi)溫度從15.32℃提高到16.85℃，達(dá)到育成期蛋鴨生長最適溫度，靠近濕簾側(cè)溫度達(dá)到14.87℃；舍內(nèi)平均濕度降至66.52%，較原來下降11.07%；舍內(nèi)平均風(fēng)速從0.29m/s提高到0.38m/s，并且在優(yōu)化過程中我們將暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)角度風(fēng)口仰角調(diào)控至30°，一方面降低因吹風(fēng)過大對鴨的應(yīng)激，另一方面，暖風(fēng)機(jī)明顯提高發(fā)酵床上層鴨活動區(qū)域氣流速率，利于CO2和NH3通過通風(fēng)小窗排出舍外，在有效提高發(fā)酵床上層鴨活動區(qū)域氣流流速的同時，加速舍內(nèi)CO2和NH3等有害氣體排出舍外。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 侯水生， 劉靈芝. 2021年水禽產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、未來發(fā)展趨勢與建議［J］. 中國畜牧雜志， 2022， 58（3）： 227-231， 238.

［2］ 李明陽， 應(yīng)詩家， 戴子淳， 等. 新型肉鴨養(yǎng)殖模式生產(chǎn)性能及經(jīng)濟(jì)效益對比分析［J］. 中國家禽， 2020， 42（4）： 80-85.

Li Mingyang， Ying Shijia， Dai Zichun， et al. Comparative analysis of production performance and economic benefits of new meat duck production systems in China ［J］. China Poultry， 2020， 42（4）： 80-85.

［3］ Zhao Y， Zhao D， Ma H， et al. Environmental assessment of three egg production systems-Part Ⅲ： Airborne bacteria concentrations and emissions ［J］. Poultry Science， 2016， 95（7）： 1473-1481.

［4］ 黃炎坤， 劉健， 范佳英， 等. 雞舍內(nèi)環(huán)境季節(jié)性變化與雞群死淘率的關(guān)聯(lián)分析［J］. 中國畜牧雜志， 2012， 48（6）： 57-60， 64.

［5］ 王福軍. 計算流體動力學(xué)分析： CFD軟件原理與應(yīng)用［M］. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004.

［6］ Choi H L， Albright L D， Timmons M B， et al. An application of the k-epsilon turbulence model to predict air distribution in a slot-ventilated enclosure ［J］. Transactions of the ASAE， 1988， 31（6）： 1804-1814.

［7］ Hoff S J， Janni K A ， Jacobson L D .Three-dimensional buoyant turbulent flows in a scaled model， slot-ventilated， livestock confinement facility ［J］. Transactions of the ASAE， 1992， 35（2）： 671-686.

［8］ Kic P， Zajicek M. A numerical CFD method for the broiler house ventilation analysis ［J］. Journal of Information Technology in Agriculture， 2011， 4（1）： 7.

［9］ Sun H， Keener H M， Deng W， et al. Development and validation of 3-D CFD models to simulate airflow and ammonia distribution in a high-riseTM hog building during summer and winter conditions ［J］. Agricultural Engineering International： CIGR Journal， 2004.

［10］ 李文良， 施正香， 王朝元. 密閉式平養(yǎng)雞舍縱向通風(fēng)的數(shù)值模擬［J］. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2007， 12（6）： 80-84.

Li Wenliang， Shi Zhengxiang， Wang Chaoyuan. Numerical simulation of tunnel ventilation system of plane-raising enclosed henhouse ［J］. Journal of China Agricultural University， 2007， 12（6）： 80-84.

［11］ 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， 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， 2014， 30（6）： 139-146.

［12］ 丁露雨， 鄂雷， 李奇峰， 等. 畜舍自然通風(fēng)理論分析與通風(fēng)量估算［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2020， 36（15）： 189-201.

Ding Luyu， E Lei， Li Qifeng， et al. Mechanism analysis and airflow rate estimation of natural ventilation in livestock buildings ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（15）： 189-201.

［13］ Hutchings N J， Sommer S G， Andersen J M， et al. A detailed ammonia emission inventory for Denmark ［J］. Atmospheric Environment， 2001， 35（11）： 1959-1968.

［14］ Yahav S， Straschnow A， Vax E， et al. Air velocity alters broiler performance under harsh environmental conditions ［J］. Poultry Science， 2001， 80（6）： 724-726.

［15］ Skrivan M， Marounek M， Bubancova I， et al. Influence of limestone particle size on performance and egg quality in laying hens aged 24-36 weeks and 56-68 weeks ［J］. Animal Feed Science and Technology， 2010， 158（1-2）： 110-114.

［16］ 馬瑞鈺， 詹凱， 司紹宏， 等. 規(guī)?；半u場不同養(yǎng)殖模式冬季能耗差異性分析［C］. 中國畜牧業(yè)協(xié)會. 第七屆（2015）中國蛋雞行業(yè)發(fā)展大會會刊［A］. 中禽傳媒（江蘇）有限公司， 2015： 166-170.

［17］ 程瓊儀. 疊層籠養(yǎng)蛋雞舍夏季通風(fēng)氣流CFD模擬與優(yōu)化［D］. 北京： 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2018.

Cheng Qiongyi. The CFD simulation and improvements of ventilation in stacked-cage laying hen housing ［D］. Beijing： China Agricultural University， 2018.

［18］ 蔡文慶， 周仁才， 王亞男， 等. 風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組冷熱量換算方程［J］. 集美大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 1990（2）： 35-41.

Cai Wenqing， Zhou Rencai， Wang Yanan， et al. Equation for calculating cooling and heating capacities of fan coil unit ［J］. Journal of Jimei University （Natural Science）， 1990（2）： 35-41.