摘要：為研究畜禽運輸車廂體內環(huán)境的分布情況以及對溫度場進行評估，利用計算流體力學（CFD）的方法，模擬出在空載及滿載條件下內氣流流場和溫度場的分布情況，同時根據(jù)空載模擬結果提出優(yōu)化方案并模擬。測量與分析廂體內關鍵位置的溫度和風速，并與模擬值比較。結果表明：模擬空載時模擬值與測量值最大絕對誤差1.7℃，模擬得到廂體的溫度分布變化情況和測量值所得結果一致，風速值相對誤差范圍在3%以下的有22個點。優(yōu)化后廂體內溫度均勻度改善明顯，溫度變化幅度??；滿載時，溫度分布與空載相似，但整體溫度有些許上升。驗證CFD模型的正確性，為優(yōu)化提供可靠基礎。

關鍵詞：畜禽運輸車；計算流體力學；溫度場；氣流流場

中圖分類號：U463.84

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0085-07

收稿日期：2022年8月8日" 修回日期：2023年3月3日*基金項目：柳州市科技計劃項目（2021AAA0115）

第一作者：苗永存，男，1993年生，安徽亳州人，碩士研究生；研究方向為計算流體力學。E-mail： myc202032657@sina.com

通訊作者：傅愛軍，男，1972年生，江西新干人，教授，碩導；研究方向為汽車結構優(yōu)化。E-mail： 2394523982@qq.com

CFD simulation and verification of internal temperature and flow field value

in livestock and poultry carriage

Miao Yongcun1， Ma Jianan1， Jiang Chunling2， Wang Zhenjiang1， Fu Aijun1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou，

545000， China； 2. Sinotruk Liuzhou Transport Capacity Special Vehicle Co.， Ltd.， Liuzhou， 545000， China）

Abstract：

In order to study the distribution of the internal environment in the livestock and poultry transport carriage and to evaluate the temperature field， the distribution of the fluid flow field and the temperature field are simulated by computational fluid mechanics （CFD） under no-load and full-load conditions， and the optimization scheme is proposed and simulated according to the no-load simulation results. The temperature and wind speed of the key positions in the compartment were measured and analyzed， and compared with the simulated values. The results showed that the maximum absolute error of the simulated value was 1.7℃. The results of the change of the temperature distribution and the measured value were consistent. There were 22 points with the relative error range of wind speed values below 3%. The temperature uniformity in the optimized compartment improved significantly， and the temperature change amplitude was small. At full load， the temperature distribution was similar to that of no-load， but the overall temperature increased slightly. The correctness of the CFD model is verified to provide a reliable basis for the optimization.

Keywords：

livestock and poultry transport vehicles; calculating fluid dynamics; temperature field; air flow field

0 引言

近年來，隨著國民生活水平的不斷提高，導致國民對生豬肉的需求數(shù)量增多，然而國內生豬養(yǎng)殖業(yè)分布不均勻［1］，目前國內市場上普遍使用露天型柵欄運輸車運輸活豬，但是由于柵欄運輸車在運輸活豬的過程中極易產生環(huán)境污染和疾病的傳播，易造成經濟損失［2］。為了克服柵欄運輸車的不足，減少不必要的運輸風險，部分專用車廠提出設計一款恒溫封閉式廂體的活豬運輸車，類似一移動“豬舍”。以類似封閉式廂體中運輸活豬，由于活豬抵御廂體內的環(huán)境能力有限，在運輸?shù)倪^程中難免會出現(xiàn)應激反應［3］。如何避免活豬出現(xiàn)的應激反應，改善廂體內的運輸環(huán)境，保證活豬在運輸過程中的質量，一直都是部分專用車廠關注的焦點。傳統(tǒng)的實際測量花費大、受實際氣候條件不穩(wěn)定以及試驗上可能存在誤差的局限，由于計算流體力學（CFD）的發(fā)展，彌補了實地測量的不足。

目前，國內外對此類活禽運輸車封閉式廂體內環(huán)境研究成果較少，能借鑒的非常有限。國內外多數(shù)研究人員對固定豬舍研究成果較多。Harral等［4］運用計算流體力學軟件仿真分析空載時畜禽舍內的氣流組織情況，研究結果表明湍流模型是可以運用在湍流動能的模擬中。Seo等［5］采用三維穩(wěn)態(tài)模擬滿載情況下豬舍內溫度場和氣流場的分布情況，結果表明進風口越小，舍內溫度分布越均勻。Mazi等［6］采用二維CFD模型模擬最小進風速度和進風面積的情況下，豬舍內氨氣濃度和氣流的分布，呈現(xiàn)結果是模擬值與實測值差異不大，表明CFD模型是評估豬舍內氣流組織分布情況的一種有效方法。王小超等［7］采用k-ε模型對空載豬舍內的溫度分布和氣流進行三維穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬，得到模擬值與實測值吻合度較高。

本文針對某款畜禽運輸車廂體內的氣流場和溫度場的分布進行模擬研究，在空載機械強制通風廂體內的條件下模擬廂體內的環(huán)境情況，并將模擬值與實測值進行較，以驗證所建物理模型的正確性，為改善廂體內溫度均勻度提供可靠依據(jù)。

1 研究對象和方法

1.1 畜禽運輸車廂體介紹

本研究對象是廣西壯族自治區(qū)柳州市一專用車廠開發(fā)設計的一款封閉式畜禽運輸車，如圖1所示。該車主要由冷熱交換室與廂體組成，該畜禽運輸車廂體長寬高尺寸為9350mm×2440mm×2570mm，廂體采用全鋁合金制作。

廂體內部被分三層，每層又被分為左右限位欄，如圖2所示。靠近冷熱交換室一壁面共有9個尺寸完全相同圓形冷風進風口，如圖3所示，尺寸為D=316mm，平均每層水平方向分布三個進風口，涼爽的冷風在冷熱交換室里倍壓的作用下，由進風口被吹入廂體內。其中位于每層中間進風口由于設計上結構的影響，冷熱交換室里涼爽的空氣由進風口直接進入廂體內部。與其余6個進風口送風方式不相同，如圖4所示。冷風由1、2、3、7、8、9號進風口進入送風管道，再由送風管道上分布的圓孔（尺寸D=40mm）進入不同的限位欄處。每層有8個限位欄，左右兩側各分布4個，共計24個限位欄，每個限位欄預計裝載3～5頭種豬。在靠近尾端的左右兩側壁面上分別在每一層的位置上有個出風口，共計6個出風口，出風口尺寸D=265mm。

1.2 現(xiàn)場測量

種豬在炎熱的條件下極容易出現(xiàn)應激現(xiàn)象，導致對疾病的抵抗能力下降，活豬可以接受的環(huán)境溫度為25℃～38℃［8］。實測試驗空載畜禽車廂體內溫度時間為2021年9月3日，選擇在全天氣溫最穩(wěn)定的時間段12：00～14：00。采用測量儀器主要有：小米室內高精度溫濕度計24個（溫度量程-9.9℃～50℃，精度為0.1℃，濕度量程0～99.9% RH，精度為0.1RC）；德圖高精度熱敏風速儀（Testo 405i，量程為0～30 m/s，精度0.1 m/s）；優(yōu)利德藍牙風速儀9個（量程為0～30 m/s，精度為0.1 m/s，精度為0.1 m/s）。試驗測試點為每層每個限位欄中間且在同一水平面上位置上，三層測點依次距第一層地板高度H=260 mm、H=1 050 mm、H=1 850 mm處，如圖5所示。某層有8個測試點（三層共有24個測試點），每個測試點每個1min采集1次實測溫度值，分3次采集，最后每個測試點取3次測試平均值。進風口處采用德圖高精度熱敏風速儀測量3次取平均值，進風速度值和進風溫度值作為邊界條件。6個壁面溫度值由德力西紅外線測溫儀測量得到。

2 CFD模型

根據(jù)實物的具體結構，首先運用UG將畜禽運輸車廂體三維模型搭建完畢，其次采用ANSA21.0.1軟件和STAR CCM+ 15.02.007-R8軟件，前者用于進行前處理以及面網(wǎng)格的生成，處理一些不參與計算的部分（冷熱交換室、液壓升降尾板）、螺栓、運動副、加強筋，后者將用于流體的仿真計算，其中廂體內每個限位欄的大小尺寸長×寬為2025mm×1220mm，欄高810mm。得到模型如圖6所示。

2.2 物理模型建立

滿載時，由于廂體內的主要熱量來源為種豬，因此種豬在模擬中是作為熱源存在［10］，種豬的幾何模型關系到整個仿真的正確性。由于種豬的外形是不規(guī)則形狀，如果按照種豬的原始外形建立幾何模型將增加建模難度，降低后期的面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的質量，增加計算時間，所以為了避免以上不足又能保證計算的準確性，將種豬以長方體代替［11］，如圖7所示同一限位欄中長方體間距為330mm。

2.3 網(wǎng)格劃分

基于STAR CCM+軟件的重疊網(wǎng)格技術對畜禽運輸車封閉式廂體進行內流場的仿真分析，由于通風管道的網(wǎng)格質量對整個仿真分析的影響較大，同時考慮到仿真計算的精確性和效率，因此會對每一層的通風管道的網(wǎng)格進行加密處理并且會增加選擇棱柱層網(wǎng)格模型。在進風口、每一層通風管道的網(wǎng)格進行加密處理之后，最終生成體網(wǎng)格單元1 460萬，970萬面網(wǎng)格，1 860萬個節(jié)點，如圖8所示。

2.4 邊界條件的設置

2.4.1 模型狀態(tài)的選擇

在本模擬中，由于在實地測試的時間中環(huán)境溫度基本保持不變，冷熱交換室中的風機持續(xù)穩(wěn)定運轉，所以可以認為畜禽運輸車廂體內的環(huán)境是穩(wěn)態(tài)環(huán)境，故選擇穩(wěn)態(tài)模擬作為本次模擬狀態(tài)。

2.4.2 流體初始條件

9個進風口設置為速度入口（velocity inlet），6個出風口設置為壓力出口（pressure outlet），其余面設置為無滑移的壁面（wall），其中在外部6個面中，底面設置成絕熱狀態(tài)，對流系數(shù)根據(jù)設計手冊［12］5個面取為5W/（m2·k），大氣壓強作為靜壓強［13］，導入物理模型之后，重力方向為-y方向，因此在設置初始條件時設重力是9，81m/s2，初始條件的參數(shù)通過在廂體空載時實際測量得到如表1所示。

2.4.3 湍流模型的選擇

為了判斷流體的運動狀態(tài)引入雷諾數(shù)Re，其表達式為Re=ρvdμ，其中ρ表示流體的密度，v表示流體的流速，μ表示流體的動力黏度，d表示特征長度。當Re≤2 300時，流體的流動狀態(tài)判定為層流；Regt;4 000時，流體的流動狀態(tài)判定為湍流；當2 300lt;Re≤4 000時，流體流動狀態(tài)判定為過渡狀態(tài)。初步計算畜禽運輸車封閉式廂體內流體Re≈3.11×106。

2.4.4 豬的邊界條件

種豬被設置成無滑移壁面［14］，由于種豬作為廂體內的唯一熱源，386.5 W/頭，忽略種豬的輻射熱，密度為1100kg/m3，比熱為3500J/（kg·K）［15］。

2.5 溫度場均勻性指標

溫度是畜禽運輸車在運輸活禽的過程中最值得關注的參數(shù)。從該畜禽運輸車封閉廂體內部結構可知，由于廂體的內部結構布置較為復雜，導致廂體內部的前端、后端溫度有差異，每一層之間的溫度分布也有差異，因此單純地使用某一溫度值來評估或表征封閉廂體內部的溫度是不準確的，必須引入能夠評價封閉廂體內部不同位置溫度指標。本文在研究分析的基礎上引入溫度場均勻性指標，該指標的作用是表征封閉廂體內部不同位置氣流溫度分布情況，合理地提出優(yōu)化方案。該溫度場均勻性包括的含義：成年種豬高度平面溫度場的均勻性。

3 模擬結果與討論

3.1 空載廂體模擬

3.1.1 風速場

由于廂體內結構的原因導致冷風在廂體內的第一、二欄處呈現(xiàn)平行于平板流動，在每層下部的風速較低，約為0.5～1.0m/s?？拷喜繀^(qū)域風速較高，約為2.5～4.5m/s。廂體內前端風速高于后端風速，僅在靠近進風口的地方風速最大，約為4～5m/s。由于隔板的阻礙導致風速降低，在每層第二欄位置上氣流出現(xiàn)回流現(xiàn)象。當空氣到達廂體后端時，撞擊廂體尾門，氣流呈現(xiàn)出渦流或者回流現(xiàn)象，最終由出風口流出廂體（圖9）。

3.1.2 溫度場

在廂體內取三個不同高度的截面，溫度場的模擬結果如圖10所示。

從圖10可以看出，在三個不同高度的截面中靠近前端進風口的截面位置處溫度分布比較均勻，且溫度范圍變化小，溫度值在16℃～19℃。廂體內后端遠離進風口的位置處溫度略有偏高，溫度值在21℃～25℃。廂體內結構復雜，前期由于柵欄的阻礙導致廂體后端幾乎無冷風流入或冷風吹入量很少，后期由于從前端向后端吹入的空氣已經在廂體前端進行充分的冷熱交換的過程，使得空氣進入后端時已經沒有可進行冷熱交換的能力。不同高度的截面上溫度所呈現(xiàn)出溫度分布規(guī)律與理論上相同，保持著廂體內高度越高溫度越高，因為溫度越高的氣體密度越小，所以廂體內溫度較高的氣體都向上流動。

3.1.3 實測驗證

1） 溫度場驗證。由圖11（a）可知，模擬值與實測值最大絕對誤差是1.7℃，相對誤差為1.4%。因為依次的每八個點為一層測點，在圖中可知同一個限位欄的左右側溫度相近。從廂體前端到后端溫度逐漸升高，且高溫主要集中在廂體內每一層的尾端。從整體看溫度場吻合度較高，為優(yōu)化分析提供依據(jù)。

2） 風速場驗證。圖11（b）是實測點與模擬風場相對位置的風速比較。三層中實測點共有24個點，在模擬值中取對應點的模擬值進行比較，比較后發(fā)現(xiàn)，模擬值與實測值的誤差范圍很小，風速值相對誤差范圍在3%的有22個點，個別點誤差偏大，主要原因可能有兩方面原因：湍流模型模擬流場時存在一定的偏差；測量環(huán)境與模擬環(huán)境存在差異。但總體上，實測值與模擬值吻合度較高，可以用于滿載條件下的分析。

3.2 改變風道出風圓孔數(shù)量及大小對其流場分布的影響

通過觀察原模型模擬氣流場結果發(fā)現(xiàn)，在廂體內的后端幾乎沒有涼爽的空氣存在，因此需要增加廂體內后端的風量，進而保證換熱降溫。通風道尺寸大小保持不變，每層第一、二欄位置上方取消通風圓孔，其余欄位圓孔尺寸由D=40mm改為D=60mm，通風圓孔總面積不變。計算得每層一側有30個通風圓孔，共有180個。模型的邊界條件等設置與之前相同，模擬如圖12所示。與原始模型模擬結果對比發(fā)現(xiàn)，涼爽冷風氣由進風口、通風管道進入廂體，當受到尾門的阻礙時會發(fā)生回流現(xiàn)象，回流現(xiàn)象較原始模型明顯，其主要是因為風道上圓孔的改變箱體后端風量增多。同時由于風量的持續(xù)增多以及廂體內限位欄活動門的阻礙，在廂體后端也出現(xiàn)較為明顯的氣流漩渦。在回流的過程時，由于空氣持續(xù)進入廂體，也會阻礙空氣回流，導致回流的風量較少，并沒有再次進行換熱效果，為后期再次增加換熱過程提供參考。

從方案中結果可得，在Z方向取三個截面，溫度云圖結果（圖13）表明，溫度變化幅度較原始模型模擬結果小，最高溫度23.5℃，均勻度提高明顯。廂體內位于第一、二、三欄區(qū)域的溫度值較原始模型模擬結果有所降低，溫度較高區(qū)域面積減少，主要是因為風道上的圓孔大小和數(shù)量的改變導致吹到廂體后端的涼爽的空氣量增多，涼爽空氣在廂體內停留時間加長，從而引起冷熱交換的時間增加，換熱效果較為明顯。說明風道圓孔大小及數(shù)量對廂體內溫度分布影響較大。

3.3 滿載廂體模擬

采用上述的湍流模型及邊界條件對優(yōu)化后的模型進行滿載模擬分析。現(xiàn)實運輸中，廂體內一共可運輸72頭，模擬值用長方體代替種豬尺寸大小為800mm×260mm×200mm。

3.3.1 滿載風速場

模擬結果如圖14所示，滿載廂體的模擬結果顯示，滿載風速場分布與空載風速場分布規(guī)律基本一致，靠近廂體前端風速較高，靠近廂體后端風速低?？拷岸说膬蓚€限位欄處，氣流呈平行于平面流動?？拷M風口的豬體附近出現(xiàn)氣流停滯區(qū)。由于豬體模型的干預，滿載的廂體內氣流發(fā)生紊流位置增多，這解釋了滿載情況下廂體內溫度升高這一現(xiàn)象。這也導致流向后端的氣流量減少，進而減少回流現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3.2 滿載溫度場

如圖15所示，從整個模擬結果看出，廂體滿載情況下，整個廂體內的氣流溫度會有所上升，最高溫度升至37.9℃，比空載最高溫度上升12.6℃。

由于豬體以及風向的影響，豬體所在的區(qū)域附近溫度高于其它位置。廂體內沿Y方向的整個溫度場的溫度范圍在16.2℃～37.9℃，由于前端氣流強換熱及時，自然前端溫度低，后端氣流量少換熱不充分，溫度高。前后端溫度變化非常明顯，結果很直觀地顯示出滿載后溫度場分布，這為后續(xù)優(yōu)化提供參考。

4 結論

1） 建立畜禽運輸車廂體CFD穩(wěn)態(tài)模型，模擬在機械強制通風條件下廂體內的氣流和各層溫度分布情況，模擬結果與實測結果最大的絕對誤差為1.7℃，前后端溫差較為明顯，但整體吻合度較高;其中廂體內氣流存在紊流和氣流停滯區(qū)。風速場中模擬值與實測值的也有較高的吻合，誤差范圍很小，相對誤差超過3%的有兩個測試點。

2） 由于廂體內風道圓孔數(shù)量及大小的改變，廂體內后端涼爽空氣量較足，換熱效果較為明顯。最高溫度仍位于后端，溫度值為23.5℃，優(yōu)化后整個廂體內的溫度均勻度較原始模型均勻度明顯提高，溫度變化幅度小。

3） 模擬廂體滿載時，風速場與空載的廂體內情況基本一致，靠近前端呈現(xiàn)平行于平面流動。由于豬是廂體內唯一熱源，滿載時廂體內整體溫度與空載相比上升明顯，不利于運輸。結果直觀顯示出高溫位置，為優(yōu)化提供參考。

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