摘要：為研究北方寒地房舍式牛舍風(fēng)速場、溫度場和相對濕度場的分布規(guī)律，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，對冬季河北省承德市的房舍式牛舍的風(fēng)速場、溫度場和相對濕度場進(jìn)行三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明：南北相對的兩個通風(fēng)口在自然通風(fēng)模式下，過道處風(fēng)速在0.5～1.60 m/s之間，牛只活動區(qū)域風(fēng)速基本保持在0～0.4 m/s之間，大部分區(qū)域風(fēng)速在0.1 m/s以下，舍內(nèi)氣流分布不均勻。牛舍內(nèi)的平均溫度在10.7 ℃左右，牛只活動區(qū)域的相對濕度基本保持在50%～60%之間。在牛舍既有結(jié)構(gòu)不變的情況下對牛舍通風(fēng)口的位置和數(shù)量進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化通風(fēng)方案后牛舍內(nèi)風(fēng)速在0.1～0.6 m/s之間，基本沒有通風(fēng)死角。實(shí)測值與模擬值的歸一化均方誤差（NMSE）值小于0.25，說明現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬有較好的吻合度，能夠?yàn)橹袊狈胶胤可崾脚Ｉ岘h(huán)境情況評估和通風(fēng)方案優(yōu)化提供有益參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；房舍式牛舍；濕熱環(huán)境；數(shù)值模擬；通風(fēng)優(yōu)化

中圖分類號：S823" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0069?08

Simulation and optimization of hot and humid environment

in winter house?type cowshed based on CFD

Li Jianli1， 2， Cheng Xue1， 2， Wang Juan1， 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding， 071001， China;

2. Hebei Key Laboratory Intelligent Equipment and New Energy Utilization of Livestock and Poultry Breeding， Baoding， 071001， China）

Abstract： In order to study the distribution law of wind speed， temperature and relative humidity field of the house?type cowshed in the cold region of north China， the computational fluid dynamics （CFD） method is used to simulate the wind speed， temperature and relative humidity of a house?type cowshed in Chengde， Hebei Province in winter. The simulation results show that under the natural ventilation mode， the wind speed in the passageway is 0.5-1.60 m/s， the wind speed in the cattle movement area is basically between 0-0.4 m/s， and the wind speed in most areas is below 0.1 m/s， and the air distribution in the cowshed is not uniform. The average temperature in the cowshed is about 10.7 ℃， and the relative humidity in the cattle movement area is basically kept 50%-60%. Under the condition that the existing structure of the cowshed remains unchanged， the position and number of the ventilation vents in the cowshed are improved. After the optimization of the ventilation scheme， the wind speed in the cattle barn is 0.1-0.6 m/s， and there is basically no dead angle of ventilation. The normalized mean square error （NMSE） values of the measured and simulated values are both less than 0.25， indicating that the field measurement has a good agreement with the numerical simulation. This study can provide useful reference for environmental assessment and ventilation scheme optimization of house?type cowsheds in cold regions of northern China.

Keywords： CFD; house?type cowshed; hot and humid environment; numerical simulation; ventilation optimization

0 引言

隨著畜牧業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，畜禽舍環(huán)境質(zhì)量越來越受到人們的重視。畜禽養(yǎng)殖場內(nèi)氣流、溫度、濕度及各種氣體等直接影響畜禽日常行為、生長速度和免疫狀態(tài)[1?3]。牛舍環(huán)境質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到奶牛的身體健康與福利水平，也影響著奶牛的生產(chǎn)性能和牛奶品質(zhì)[4， 5]。畜禽舍內(nèi)的濕熱環(huán)境因子包括風(fēng)速、溫度與相對濕度，畜禽個體熱舒適性是這三個熱環(huán)境因子的綜合效應(yīng)[6， 7]。在中國北方寒地，冬季的牛舍內(nèi)大多數(shù)都存在溫度低、濕度高以及空氣質(zhì)量差等問題[8， 9]。

畜禽舍室內(nèi)環(huán)境參數(shù)具有非線性、多輸入多輸出和呈動態(tài)變化等特點(diǎn)，導(dǎo)致難以進(jìn)行控制。許多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，提出了微型氣候環(huán)境調(diào)控方法，如模糊控制、最優(yōu)控制和預(yù)測控制等，MatLab和Ansys Fluent等仿真軟件也逐漸用于環(huán)境模型的建立[10]。李昊等[11]利用MatLab進(jìn)行了畜禽舍環(huán)境模擬，但誤差較大。由于舍內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和動態(tài)性，建立有效的環(huán)境模型和穩(wěn)定的控制算法已經(jīng)成為環(huán)境預(yù)測模擬中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)[12]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）與畜禽舍環(huán)境監(jiān)測相結(jié)合已經(jīng)成為一項(xiàng)研究熱點(diǎn)[13]。許多學(xué)者[14?18]使用CFD對畜禽舍內(nèi)氣流、溫濕度、二氧化碳、氨氣和甲烷等的分布情況進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。應(yīng)用CFD技術(shù)可以大量節(jié)省測量時(shí)間和重復(fù)勞動，減少測量裝備，且得到的可視化云圖可以更好地了解畜禽舍的風(fēng)速場、溫度場和相對濕度場的分布及擴(kuò)散規(guī)律，幫助畜禽場工作人員更好地進(jìn)行管理。CFD方法具有成本低、耗時(shí)短和更直觀等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。

目前，國內(nèi)基于CFD的畜禽舍內(nèi)環(huán)境模擬的研究處于探索階段，主要集中在通風(fēng)和溫度場研究中[19?21]。本文應(yīng)用CFD方法，對冬季河北省承德市的房舍式牛舍的風(fēng)速場、溫度場和相對濕度場進(jìn)行三維數(shù)值模擬及優(yōu)化，為中國北方寒地房舍式牛舍環(huán)境情況評估和通風(fēng)方案優(yōu)化提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)牛舍原型

試驗(yàn)牛舍位于河北省承德市豐寧滿族自治縣，如圖1所示。牛舍內(nèi)部長26 m、寬16 m、高3.5 m，呈南北走向，為典型的雙排式，牛舍內(nèi)東西兩列布局對稱，每列有7個單元間，平均每個單元間內(nèi)有7頭牛，中間為寬2 m的過道。在南墻和北墻中間位置分別為寬2 m高1.8 m的門，其上方0.2 m處分別有一個通風(fēng)口，通風(fēng)口為邊長1 m的矩形。

1.2 牛舍濕熱環(huán)境參數(shù)現(xiàn)場測量

該試驗(yàn)時(shí)間為2021年10月19—29日的09∶00—12∶00，室外平均氣溫為7 ℃～9 ℃，相對濕度為40%左右，是冬季典型的溫濕度水平，期間牛舍內(nèi)外環(huán)境的測量可以有效地評估牛舍環(huán)境的舒適性與合理性。本試驗(yàn)采用熱敏式多功能風(fēng)速—溫濕度測量儀（SW6086型，檢測限為0.01 m/s，0.1 ℃，0.1%）測量牛舍內(nèi)的溫度、相對濕度和風(fēng)速。采用紅外線測溫儀（SW309 S型，檢測限為0.1 ℃）測量牛舍建筑的內(nèi)表面溫度和牛體表溫度。

牛舍的測量點(diǎn)位分布在豎直方向上如圖2（a）所示，在水平方向上如圖2（b）所示。圖2中圓點(diǎn)代表儀器測量點(diǎn)。豎直方向上的測量點(diǎn)位高度分別為[H=0.4] m（牛俯臥時(shí)的呼吸高度）、[H=1.2] m（牛正常的呼吸高度）和[H=1.6] m（牛場工人的呼吸高度）。在水平方向選取過道和西側(cè)均布的6個測量點(diǎn)（由于對稱性故只測量西側(cè)即可），即每個水平方向總共需要測量12個點(diǎn)的數(shù)據(jù)。每個測量點(diǎn)測3次取平均值，測量間隔為1 min。

2 CFD模型構(gòu)建

2.1 計(jì)算域的選擇與網(wǎng)格劃分

使用SolidWorks 2017軟件進(jìn)行牛舍三維幾何建模，如圖3所示。為了降低建模和網(wǎng)格劃分的難度，減少計(jì)算機(jī)的模擬時(shí)間，提高計(jì)算效率，在不影響模擬結(jié)果的情況下，根據(jù)查閱文獻(xiàn)[22]及前人經(jīng)驗(yàn)對試驗(yàn)牛舍的物理建模進(jìn)行如下簡化：（1）牛舍中的柵欄、欄桿式的限位欄等對溫度和有害氣體擴(kuò)散的阻力極小，在建立模型時(shí)省略；牛舍門在大部分情況下都處于關(guān)閉狀態(tài)，對模擬結(jié)果影響很小，在建模時(shí)省略；（2）將不規(guī)則的牛只簡化為恒溫發(fā)熱的立方體模型；（3）忽略牛舍中墻體、屋頂、地板的厚度，同一側(cè)墻體不同位置的溫度視為相同。

使用ICEM CFD 15.0對牛舍三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格如圖4所示。整體的網(wǎng)格數(shù)量為2 964 931個，滿足網(wǎng)格的質(zhì)量要求。

2.2 CFD數(shù)值模型的選擇

2.2.1 基本控制方程

牛舍內(nèi)溫度相對變化不大，氣體流動緩慢，假設(shè)牛舍內(nèi)的氣體是連續(xù)的、穩(wěn)定的、不可壓縮的牛頓流體，則牛舍內(nèi)氣體流動符合物理守恒定律，控制方程是物理守恒定律的數(shù)學(xué)描述。根據(jù)質(zhì)量守恒方程（單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量）、動量守恒方程（微元體中流體動量對時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和）、能量守恒方程（微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體積力與面積力對微元體所做的功）和組分守恒方程（系統(tǒng)內(nèi)某種化學(xué)組分質(zhì)量對時(shí)間的變化率，等于通過系統(tǒng)界面凈擴(kuò)散流量與通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的生產(chǎn)率之和）構(gòu)成了牛舍環(huán)境模擬的基本控制方程[23]，分別如式（1）～式（4）所示。

[?ρ?t+?（ρv）=Sm] （1）

式中： Sm——質(zhì)量源，kg/m3；

ρ——密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

v——速度，m/s。

[??t（ρv）+?（ρvv）=-?p+?（τ）+ρg+F] （2）

式中： p——壓力，Pa；

[τ] ——應(yīng)力張量，Pa；

F——外力，N/m3；

g——重力加速度，m/s2。

[??t（ρE）+?[v（ρE+ρ）]=?[keff?T-jhjJj+（τv）]+Sh] （3）

式中： E——總能量，J；

keff——傳熱系數(shù)；

hj——比焓，J/kg；

Jj——擴(kuò)散通量組分，kg/（m/s2）；

Sh——總熵，J/℃；

T——溫度，℃。

[?ρc?t+divρuc=divDsgradρc+S] （4）

式中： ρuc——該組分的體積濃度；

ρc——該組分的質(zhì)量濃度；

Ds——該組分的擴(kuò)散系數(shù)；

S——生產(chǎn)率，即系統(tǒng)內(nèi)部單位時(shí)間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量。

2.2.2 湍流模型

綜合考量本文用到的軟件、硬件以及前人的研究經(jīng)驗(yàn)后，在牛舍的環(huán)境模擬與評估上選用適用性和精確性都比較高的重整化RNG k-ε湍流模型[23]，其中k方程和ε方程分別如式（5）、式（6）所示。

[??t（ρk）+??xi（ρkμi）=??xj（αkμeff?k?xj）+Gk+Gb-ρε-YM+Sk] （5）

[??t（ρε）+??xi（ρεμi）=??xj（αεμeff?ε?xj）+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k-Rε+Sε] （6）

式中： k——湍流動能，m2/s2；

ε——湍流耗散率，m2/s3；

xi、xj——i、j坐標(biāo)；

μi——湍流黏度，Pa ? s；

μeff——有效黏度，Pa ? s；

[Gk]——平均速度梯度引起的湍流動能，kg/（m ? s2）；

[Gb]——浮力引起的湍流動能，kg/（m ? s2）；

[YM]——在可壓縮湍流中對整體耗散率的貢獻(xiàn)，kg/（m ? s2）；

[αk]——k的逆效普朗特常數(shù)；

[αε]——ε的逆效普朗特常數(shù)；

[Rε]、[C1ε]、[C2ε]、[C3ε]——常數(shù)；

[Sk]、[Sε]——用戶自定義源項(xiàng)。

2.3 邊界條件

在本次模擬過程中，試驗(yàn)時(shí)外界溫度穩(wěn)定，風(fēng)速均勻，牛舍封閉性良好，故可以認(rèn)為牛舍內(nèi)環(huán)境是處于穩(wěn)態(tài)的，選擇模擬狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)模擬；選擇重整化群RNG [k-ε]湍流模型；出入口、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和牛體表面的邊界條件設(shè)置如表1所示。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 風(fēng)速CFD模擬結(jié)果分析

在高度上分別選取H=0.4 m（牛俯臥時(shí)的呼吸高度）、H=1.2 m（牛正常的呼吸高度）和H=1.6 m（牛場工人的呼吸高度）進(jìn)行研究。圖5為整個牛舍在這三個水平高度的風(fēng)速分布云圖。

根據(jù)本次模擬結(jié)果來看，牛舍內(nèi)風(fēng)速場的風(fēng)速范圍為0～1.60 m/s，最大風(fēng)速位于進(jìn)風(fēng)口和整個過道處，由于氣流從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，首先流經(jīng)整個過道，導(dǎo)致過道處的風(fēng)速較大，在0.5～1.60 m/s之間。因此，建議可以多增加幾個通風(fēng)口以改變現(xiàn)在的兩個通風(fēng)口的通風(fēng)模式，不僅可以提高通風(fēng)效率還可以改善現(xiàn)在存在的通風(fēng)不均勻的問題。而在牛只的活動區(qū)域內(nèi)風(fēng)速較為穩(wěn)定，大部分風(fēng)速在0～0.4 m/s之間，靠近通風(fēng)口和過道處風(fēng)速有所上升，牛只活動的各個單元間內(nèi)風(fēng)速并無太大差別，基本滿足牛只對冬季的通風(fēng)需求。但是在牛只的活動區(qū)域內(nèi)，存在氣流停滯不流通的情況，有較多的通風(fēng)死角，不能及時(shí)交換新鮮的空氣，這對牛只生活的舒適度、身體健康程度和生產(chǎn)性能會產(chǎn)生不利影響。在冬季為牛只維持牛舍內(nèi)的溫度時(shí)，會造成空氣質(zhì)量下降的情況，因此，在冬季對牛舍采取保溫措施時(shí)，不僅要對強(qiáng)氣流進(jìn)行阻擋，而且要保證牛舍內(nèi)適時(shí)且合理的通風(fēng)換氣，白天可以在保證牛舍內(nèi)環(huán)境舒適的條件下適當(dāng)提高氣流流速，在夜間要降低氣流流速以防寒保暖。

3.2 溫度CFD模擬結(jié)果分析

在北方寒冷的冬季中，牛舍內(nèi)的溫度對于牛只的生產(chǎn)和健康極其重要。溫度過低會導(dǎo)致牛只的散熱速度過快，為了維持體溫，牛只需要進(jìn)食更多的飼料以用于抵消產(chǎn)熱導(dǎo)致的能量消耗，不僅不能促進(jìn)牛只的生長和發(fā)育，還會導(dǎo)致飼料的利用率降低。如圖6所示，從牛舍內(nèi)溫度場的模擬結(jié)果來看，牛舍內(nèi)的溫度范圍為4.2 ℃～24.5 ℃，在牛只的活動區(qū)域內(nèi)，溫度范圍集中在11 ℃～24.5 ℃左右。由于牛只本身的呼吸作用和皮膚散熱作用，牛只周圍的溫度遠(yuǎn)高于舍內(nèi)其他區(qū)域，達(dá)到了24.5 ℃左右，舍內(nèi)的溫度范圍基本滿足牛只對冬季環(huán)境溫度的需求。根據(jù)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)口處和過道處的溫度較低，比較風(fēng)速分布云圖和溫度分布云圖，溫度的高低和風(fēng)速的大小有顯著的關(guān)系，風(fēng)速越高的地方溫度越低。因此，建議冬季時(shí)在通風(fēng)口處加裝保溫簾，白天打開保溫簾，保證牛舍內(nèi)的空氣流通并帶走多余的水汽，夜晚關(guān)閉保溫簾，降低氣流流速，保證舍內(nèi)的溫暖。

3.3 相對濕度CFD模擬結(jié)果分析

圖7顯示了牛舍內(nèi)相對濕度場的模擬結(jié)果，相對濕度范圍為35%～78%。雖然相對濕度范圍的差距比較大，但是牛只活動區(qū)域內(nèi)的相對濕度比較穩(wěn)定，在50%～60%之間，這是由于牛舍內(nèi)的水汽主要來源于牛只的呼吸作用和地板上未及時(shí)清理干凈的糞尿。該范圍內(nèi)的相對濕度基本滿足牛只對冬季牛舍內(nèi)相對濕度的需求。在通風(fēng)條件比較差的冬季，由于高度集約化的現(xiàn)代養(yǎng)殖模式，牛舍內(nèi)的相對濕度普遍高于牛舍外，封閉且潮濕的環(huán)境更加適合微生物的繁殖，導(dǎo)致許多致病的微生物得以存活并傳播，如常見的流感病毒等，造成牛只的減產(chǎn)甚至是生病。有研究表明在舍內(nèi)溫度為4 ℃時(shí)，使用合適的通風(fēng)系統(tǒng)和具有較好保溫性能的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效地控制舍內(nèi)濕度，在冬季為保障牛舍良好的環(huán)境條件，應(yīng)該在提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，增加一定量的通風(fēng)[24]。

4 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

4.1 牛舍濕熱環(huán)境現(xiàn)場測量參數(shù)分析

圖8分別顯示了圖2所示的過道和西側(cè)（牛舍內(nèi)東西結(jié)構(gòu)對稱，故只分析一側(cè)即可）測量點(diǎn)處的風(fēng)速、溫度和相對濕度的實(shí)測值，分析數(shù)據(jù)的測量點(diǎn)位高度為[H=0.4] m（牛俯臥時(shí)的呼吸高度）、[H=1.2] m（牛正常的呼吸高度）和[H=1.6] m（牛場工人的呼吸高度）處。

如圖8（a）所示，西側(cè)處的風(fēng)速明顯小于過道處，這是由于通風(fēng)口位置正對過道。由于牛舍中的氣流流向?yàn)橛赡舷虮?，風(fēng)速由南到北主要呈遞減趨勢。通風(fēng)口的高度為2 m，所以過道處的風(fēng)速在1.6 m高度最大，在0.4 m高度最小。西側(cè)處風(fēng)速在0.2～0.45 m/s之間波動，風(fēng)速變化不大氣流平穩(wěn)?？傮w來說牛舍內(nèi)的整體氣流趨勢平穩(wěn)，無較大波動。圖8（b）顯示了牛舍過道處和西側(cè)處的溫度測量值。牛舍內(nèi)最低溫度處位于過道最南側(cè)，為8.8 ℃，因?yàn)榇颂幙拷L(fēng)口，外界氣流流入牛舍，氣流流動帶走了部分熱量；最高溫度位于西側(cè)，為12.4 ℃，可知西側(cè)處溫度均高于過道處，這是由于過道正對通風(fēng)口風(fēng)速較大，而西側(cè)氣流更為穩(wěn)定。圖8（c）為牛舍內(nèi)過道處和西側(cè)處的相對濕度測量值，測得相對濕度范圍為38%～55%。過道處南側(cè)相對濕度測量值最低為38%，這是由于此處靠近通風(fēng)口，風(fēng)速快湍流強(qiáng)度大，會帶走大量空氣中的水分，導(dǎo)致此處相對濕度較小，并且和其他測量點(diǎn)的測量值差異較大。因?yàn)檫^道處的風(fēng)速值比西側(cè)處的風(fēng)速值大，所以過道處的相對濕度要小于西側(cè)處。總體來說，牛只活動區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速平均值為0.35 m/s，溫度為10.7 ℃，相對濕度為38%～55%，均處于合理的范圍內(nèi)，基本滿足牛只對冬季通風(fēng)和保暖的需求。

4.2 模擬結(jié)果可靠性分析

對于CFD模擬當(dāng)其歸一化均方誤差（NMSE）值小于0.25時(shí)，可以認(rèn)為本次模擬的計(jì)算精度是合理的，計(jì)算如式（7）所示[24]。

[NMSE=Cs-Cm2CsvCmv] （7）

式中： [Cs]——模擬值；

[Cm]——實(shí)測值；

[Csv]——模擬值的平均值；

[Cmv]——實(shí)測值的平均值。

本次CFD模擬的NMSE值如表2所示。在水平高度[H=1.2] m（牛正常的呼吸高度）處西側(cè)和過道的風(fēng)速、溫度和相對濕度值的模擬值與實(shí)測值的對比如圖9所示。NMSE值均小于0.25，故可以認(rèn)為模擬值和實(shí)測值沒有較大差異，模擬得到的結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，即可說明該CFD濕熱環(huán)境模擬模型是合理且可行的。

5 牛舍優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 改進(jìn)方案

由于在第3節(jié)中分析了該密閉牛舍通風(fēng)方案存在的缺點(diǎn)，如氣流流速分布不均勻，氣流流速在過道處較大，而在牛只活動區(qū)域氣流流速較緩慢，導(dǎo)致空氣交換速率較慢，存在的通風(fēng)死區(qū)較多，濕度較大等。這些問題會降低牛舍環(huán)境質(zhì)量，影響牛只生活的健康度與舒適度。所以為了牛只的福利養(yǎng)殖，需要對牛舍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)通風(fēng)方案?？紤]到通風(fēng)口位置對氣流的影響，氣流大部分集中在過道處流通未經(jīng)過牛只，于是將原本位于南北墻的通風(fēng)口移至東西墻，改為距地面1.25 m均勻分布的邊長為1 m的4個通風(fēng)口，如圖10所示。建模步驟，網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置與原來保持一致。

5.2 優(yōu)化效果分析

5.2.1 風(fēng)速場優(yōu)化效果

經(jīng)過分析處理，模擬結(jié)果選擇牛舍模型在高度為0.4 m水平面作為比較面。牛舍原始通風(fēng)方式存在較多的通風(fēng)死角，牛只活動區(qū)域的通風(fēng)死區(qū)面積較大，通風(fēng)換氣不及時(shí)。由圖11可知，改進(jìn)通風(fēng)方案后的通風(fēng)情況與原始的通風(fēng)情況相比，有明顯的優(yōu)勢與提升。在靠近西墻入風(fēng)口處風(fēng)速較大，達(dá)到0.7～1.5 m/s，但在牛舍內(nèi)其他區(qū)域，整體氣流流速較為均勻，風(fēng)速在0.1～0.6 m/s之間，基本沒有通風(fēng)死角，牛體對氣流的阻礙作用明顯降低，通風(fēng)換氣效果良好。然而改進(jìn)通風(fēng)方案后的牛舍雖然氣流均勻，但牛只活動區(qū)域的風(fēng)速較之前相比有所增加，容易造成牛只的體溫流失。所以增加通風(fēng)小窗可以有效提高牛舍內(nèi)氣體交換效率，改善空氣質(zhì)量，但是也會造成舍內(nèi)溫度的降低，要注意提高對牛只的保暖措施。

5.2.2 溫度場優(yōu)化效果

在冬季對整個牛舍來說，最主要的目的就是防寒保暖，保持牛只的體溫。同樣選擇牛舍模型在高度為0.4 m的水平面作為比較面，通過溫度場云圖來比較和分析兩種通風(fēng)方案，如圖12所示。

由圖12可知，改進(jìn)通風(fēng)方案之后牛舍的整體環(huán)境溫度分布均勻，只在通風(fēng)口附近風(fēng)速較大處的溫度略低于整體溫度，可以改善原始通風(fēng)方案存在的局部溫度過低的問題。牛舍內(nèi)平均溫度在10 ℃左右，整體環(huán)境較為舒適，滿足牛只對冬季牛舍溫度的要求。

5.2.3 相對濕度場優(yōu)化效果

相對濕度場的比較也選擇牛舍模型在高度為0.4 m的水平面，如圖13所示，改進(jìn)通風(fēng)方案后牛舍內(nèi)整體相對濕度保持在40%～55%，較原始通風(fēng)方案來說有所降低。在靠近通風(fēng)口的位置風(fēng)速較大，會帶走大量水蒸氣，所以相對濕度較低，在37%左右?？傮w來說，牛舍內(nèi)的相對濕度分布均勻，沒有相對濕度過大的通風(fēng)死角，牛舍內(nèi)的環(huán)境較為舒適，滿足牛只對冬季牛舍的相對濕度的要求。

6 結(jié)論

1） 牛舍內(nèi)的溫度和相對濕度參數(shù)與風(fēng)速參數(shù)相關(guān)，風(fēng)速越大，溫度越低，相對濕度越低。模擬結(jié)果表明：南北相對的兩個通風(fēng)口自然通風(fēng)的通風(fēng)模式，過道處風(fēng)速在0.5～1.60 m/s之間，牛只活動區(qū)域的風(fēng)速基本保持在0～0.4 m/s之間，大部分區(qū)域風(fēng)速在0.1 m/s以下，舍內(nèi)氣流分布不均勻。牛舍內(nèi)的平均溫度在10.7 ℃左右，牛只活動區(qū)域的相對濕度基本保持在50%～60%之間。該牛舍在冬季的空間結(jié)構(gòu)較為緊密，通風(fēng)情況較好，牛舍內(nèi)的牛只活動區(qū)域氣流流速、溫度和相對濕度基本可以保證牛只在冬季對牛舍環(huán)境通風(fēng)和保暖的需求。

2） CFD模擬得到的數(shù)值與實(shí)際測量得到的數(shù)值比較接近，NMSE值遠(yuǎn)小于0.25，在可以接受的范圍內(nèi)，說明現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬有較好的吻合度。

3） 優(yōu)化通風(fēng)方案后牛舍內(nèi)整體風(fēng)速在0.1～0.6 m/s之間，改進(jìn)通風(fēng)方案牛舍模型CFD模擬得到的風(fēng)速、溫度和相對濕度在牛舍中整體分布均勻，無明顯通風(fēng)死角，優(yōu)于原始通風(fēng)方案，故該研究可為中國北方寒地房舍式牛舍環(huán)境情況評估和通風(fēng)方案優(yōu)化提供參考。

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