王芳　王鵬浩　徐洪祥

摘要：針對(duì)我國集約化養(yǎng)雞場存在的氨氣濃度高、氣流組織不佳的問題，根據(jù)有限體積法，建立了某一智能雞舍誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和物理模型，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，采用Airpak軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的布置參數(shù)及雞舍中空氣流動(dòng)速度、溫度以及氨氣濃度等因素，研究結(jié)果表明，雞舍中誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的下傾角為15°，縱向間距為12.m，橫向間距為7～7?5.m時(shí)，采用誘導(dǎo)通風(fēng)方式能有效解決雞舍內(nèi)溫度過高與氨氣濃度過高的問題，達(dá)到良好的通風(fēng)效果，對(duì)改善雞舍環(huán)境品質(zhì)有顯著作用。

關(guān)鍵詞：雞舍通風(fēng);誘導(dǎo)通風(fēng);溫度;濃度

DOI：10?15938/j?jhust?2019?01?005

中圖分類號(hào)： TU834?28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）01-0029-05

Temperature and Concentration Analysis of Induced Ventilation

System in Large Broiler House

WANG Fang，WANG Peng?hao，XU Hong?xiang

（School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：Aiming at the problem of the high concentration of harmful gases and poor air distribution in an intelligent control broiler house in China， the mathematical and physical models of induced ventilation system were established?According to the finite volume method， the corresponding boundary conditions were set up?Numerical simulation has been done by Airpak?It is analyzed how to set the parameter of induced fan and factors in broiler house， including the velocity， temperature， and ammonia concentration?The results prove that the induced ventilation method can effectively solve the problem of high temperature and ammonia concentration in broiler house， achieve the better ventilation effect， and improve the environment quality in broiler house when the induced fan is set at 15° of the declination， and 12.m of the appropriate longitudinal spacing，and the horizontal spacing from 7.m to 7?5.m

Keywords：broiler house ventilation; induced ventilation; temperature; concentration

0引言

目前，國際上很多學(xué)者對(duì)雞舍通風(fēng)及誘導(dǎo)通風(fēng)進(jìn)行了廣泛的研究。在國外，Seo LH等人通過模擬雞舍內(nèi)6種不同的冬季自然通風(fēng)模式，分析比較了不同通風(fēng)情況下的通風(fēng)效率[1]。Bjerg B等人研究了不同入口模型對(duì)雞舍內(nèi)氣流分布的影響并進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)測量，將模擬結(jié)果與測量結(jié)果進(jìn)行了比較[2-3]。Bustamante E等人分析了機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)中不同進(jìn)排風(fēng)口的位置對(duì)雞舍內(nèi)氣流速度的影響[4]。Ikeguchi A等人研究了阻擋物對(duì)氣流流動(dòng)方向的影響，研究表明：在禽畜舍中，距風(fēng)口較遠(yuǎn)的墻體附近，氣流流動(dòng)速度較慢，污染物濃度相對(duì)較高[5]。對(duì)于誘導(dǎo)通風(fēng)Philip Hermann建立了地下車庫的混合通風(fēng)模型，利用CFD軟件模擬了地下車庫有害污染物濃度分布規(guī)律[6-7]。Betta V等人針對(duì)隧道內(nèi)氣流壓力損失等問題，利用CFD對(duì)隧道誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，研究風(fēng)機(jī)出風(fēng)口區(qū)氣流的速度變化，優(yōu)化了不同通風(fēng)狀況下的風(fēng)機(jī)下傾角，為隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)[8]。

目前在國內(nèi)，很多學(xué)者也探討了雞舍通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及誘導(dǎo)通風(fēng)的發(fā)展現(xiàn)狀。顧華兵等學(xué)者對(duì)我國目前雞舍通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)狀況進(jìn)行探討，提出合理的設(shè)計(jì)方案，為雞舍通風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展提供了設(shè)計(jì)依據(jù)[10]。翟耀芳等人研究了縱向通風(fēng)技術(shù)在蛋雞舍內(nèi)的應(yīng)用效果及其存在的問題[11-12]。韓星、王煦研究了雞舍內(nèi)散熱量、產(chǎn)濕量和CO?2散發(fā)量對(duì)雞舍內(nèi)環(huán)境的影響，得出了雞舍內(nèi)散熱量、產(chǎn)濕量及CO?2散發(fā)量的實(shí)測數(shù)據(jù)，為雞舍內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)[13]。田宇等人研究了雞舍在一定風(fēng)量下的氣流組織、溫度以及氨氣濃度的分布特性，其模擬結(jié)果為以后同類型的數(shù)值模擬提供了參考依據(jù)[14]。楊其才等人針對(duì)汽機(jī)房運(yùn)行過程中出現(xiàn)局部溫度過高的問題，提出在局部高溫區(qū)域設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)來降低溫度的方案，并通過 CFD模擬驗(yàn)證了設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)解決該問題的可行性[15]。秦伯進(jìn)等人將誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)應(yīng)用于船舶機(jī)艙，減少了機(jī)艙通風(fēng)中風(fēng)管的數(shù)量[16]。另外，國內(nèi)很多學(xué)者通過研究誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)在地下車庫中的應(yīng)用，定性地介紹了誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)[17-20]。

本文建立了雞舍誘導(dǎo)通風(fēng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬的方法分析了該通風(fēng)方式下雞舍環(huán)境的速度、溫度以及氨氣濃度的分布特性，從而驗(yàn)證了誘導(dǎo)通風(fēng)具有良好的通風(fēng)效果并確定了誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的設(shè)置參數(shù)，為誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)在雞舍中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1基本假設(shè)與邊界條件

1?1基本假設(shè)

1）熱量和污染源的釋放強(qiáng)度均不隨時(shí)間變化，是穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程，污染源釋放方向?yàn)榇怪钡孛嫦蛏?

2）研究誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)布置參數(shù)時(shí)，設(shè)置排風(fēng)扇排風(fēng)量為?92.160?m?3/h，氨氣污染物散發(fā)量為30.mg/s。

3）該雞舍在入流和出流條件穩(wěn)定的情況下，經(jīng)過一定時(shí)間之后，將達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，所以本文采用穩(wěn)態(tài)模擬方法。

1?2邊界條件

1）由于進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)速為誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇的拉力引起，所以進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為自然進(jìn)風(fēng)，不對(duì)其設(shè)置風(fēng)速。

2）誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)中排風(fēng)扇的風(fēng)量設(shè)置為?30.000?m?3/h。

3）誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為13?48.m/s，方向?yàn)?5°向下。誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)回風(fēng)口的流動(dòng)方向?yàn)樽匀幌蚶铩榱吮ＷC誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的噴嘴是自由射流，不受墻等邊界的影響，將大空間的六個(gè)面的壓力設(shè)置為大氣壓力。

2物理模型和數(shù)學(xué)模型

2?1物理模型

本文選取的研究對(duì)象是山東省濰坊某一智能養(yǎng)雞場中的肉雞養(yǎng)殖雞舍，長度為60.m，寬度為16.m，高度為3?2.m，墻壁采用厚度為0?24.m的墻。該雞舍內(nèi)雞的養(yǎng)殖方式為平養(yǎng)，中間有寬度為2.m的過道以供飼養(yǎng)人員走動(dòng)，在過道兩端分別有7.m寬的場地供雞活動(dòng)，其中共有成年肉雞?7.000?只。

該雞舍采用的送排風(fēng)方式是自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)。經(jīng)計(jì)算，本文所研究的雞舍通風(fēng)換氣量為?184.320?m?3/h，取8臺(tái)YDF-B-3型誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)（具體參數(shù)見表1），六臺(tái)9FJ14?0型排風(fēng)機(jī)，設(shè)置兩個(gè)面積為13?82.m?2的細(xì)長進(jìn)風(fēng)口。進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)扇設(shè)置于誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)機(jī)箱底面的下方，以使進(jìn)風(fēng)口、誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)以及排風(fēng)扇之間的氣流在高度方向上能夠更好的銜接，該雞舍誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)模型見圖1。在Airpak中分別采用fan模型和opening模型作為風(fēng)機(jī)和進(jìn)風(fēng)口。

2?2數(shù)學(xué)模型

任何流體的流動(dòng)均受質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制約，湍流控制方程采用?k-ε兩方程模型，穩(wěn)態(tài)下k和ε的控制方程見下式：

-ρu?jkx?j=x?jη+η?tσ?kkx?j+η?tu?ix?ju?ix?j+u?jx?i-ρε（1）

-ρu?kεx?k=x?kη+η?tσ?εεx?k+c?1εkη?tu?ix?ju?ix?j+?u?jx?i-c?2ρε?2k（2）

式中：η?t為湍流粘性系數(shù)，c?1、c?2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，σ?k?為脈動(dòng)動(dòng)能的Prandtl數(shù)。

3模擬結(jié)果及分析

3?1誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)布置參數(shù)的研究

該雞舍高度為3?2.m，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的噴嘴中心距地面的高度為2?8.m，按照設(shè)計(jì)規(guī)則選取誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)噴嘴下傾角為15°時(shí)，在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的影響范圍內(nèi)，雞呼吸區(qū)高度速度分布在0?74～1?35.m/s（取雞呼吸區(qū)高度?y?=0?35.m），符合風(fēng)速要求。

誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)間的縱向間距直接影響氣流組織的銜接，分析不同間距下氣流的銜接程度，確定合理的縱向間距。誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)縱向間距的推薦值為10～14.m，通過模擬計(jì)算，當(dāng)間距為12.m時(shí)，相鄰風(fēng)機(jī)噴嘴間的相互銜接狀況良好，前一個(gè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的噴射氣流在射程的末尾剛好和相鄰的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的回風(fēng)口相連接，速度分布情況見圖2。

橫向間距的最佳值是比較在同一條件下，雞舍內(nèi)某一斷面的氨氣濃度大小來確定，具體情況見圖3。從圖3中可以看出，在雞舍中雞呼吸區(qū)高度范圍內(nèi)（取雞呼吸區(qū)高度?y?=0?35.m）氨氣的濃度在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的作用下，得到了稀釋。當(dāng)噴嘴之間的橫向間距為6?5～7?5.m時(shí)，雞呼吸區(qū)域平均濃度變化相對(duì)較小，當(dāng)距離大于7?5.m的時(shí)候，圖中曲線斜率變陡，氨氣濃度急劇升高，所以合適的噴嘴橫向間距為7～7?5.m。

3?2雞舍誘導(dǎo)通風(fēng)下速度分布研究

為了更全面的反映誘導(dǎo)通風(fēng)方式下雞舍內(nèi)速度分布情況，分析其通風(fēng)效果，需要對(duì)幾個(gè)典型的截面進(jìn)行分析。在雞舍中我們主要關(guān)注的是雞呼吸區(qū)域內(nèi)速度分布情況，?y?=0?35.m為雞的呼吸區(qū)高度，應(yīng)對(duì)此平面著重分析。

圖4為?y?=0?35.m截面速度分布云圖，也就是雞呼吸區(qū)所在高度的速度分布情況，從圖4中可以看出，在雞呼吸區(qū)所在高度平面內(nèi)，最低速度為0?3.m/s，最高速度為2?5.m/s，風(fēng)速主要在1?2～2?5.m/s之間，約占82?42%，通風(fēng)狀況良好。在呼吸區(qū)高度，進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速最低，低速的原因是進(jìn)風(fēng)口為自然進(jìn)風(fēng)口，僅靠誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)回風(fēng)口的作用使空氣產(chǎn)生流動(dòng)。最高速度出現(xiàn)在圖中A、B兩個(gè)區(qū)域，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)射流速度疊加造成兩區(qū)域速度較高。在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)氣流的擾動(dòng)和銜接作用下，雞舍內(nèi)的氣流速度沿長度方向保持穩(wěn)定。在雞舍的末端，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)沿寬度方向布置均勻，雞舍末端沒有氣流死角。

3?3雞舍誘導(dǎo)通風(fēng)下溫度和氨氣濃度研究

本文研究的雞舍模型中，單個(gè)雞只散熱均勻，故將雞群作為整體熱源，同時(shí)考慮照明散熱，得到等效熱源的產(chǎn)熱量為753?67.W/m?3。智能養(yǎng)雞廠根據(jù)養(yǎng)殖品種以及雞不同生長階段，監(jiān)測每間雞舍的溫濕度，氧氣、氨氣、硫化氫、二氧化碳濃度，光照度，用水量，用電量等數(shù)據(jù)。本文主要研究的污染物為氨氣，將糞便看作是與雞活動(dòng)區(qū)域占地面積相等的高度為50.mm的污染源，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)氨氣濃度源產(chǎn)生氨氣的速度為30.mg/s[9]。本文通過數(shù)值模擬，主要分析了雞呼吸區(qū)高度上的溫度和氨氣濃度的分布情況。

圖5是雞呼吸區(qū)高度（?y?=0?35.m）的溫度分布情況。誘導(dǎo)通風(fēng)方式下雞舍的溫度范圍為27～29?31℃，雖然雞會(huì)產(chǎn)生較多熱量，但在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的作用下，溫度并沒有升高很多。從圖5中可以看出，沿雞舍長度方向，溫度是逐漸升高的，在進(jìn)風(fēng)口處溫度較低，此時(shí)新風(fēng)攜帶的熱量只是外界空氣中的熱量，空氣在從進(jìn)風(fēng)口逐漸向出風(fēng)口流動(dòng)的過程中會(huì)將雞產(chǎn)生的熱量帶走，導(dǎo)致在雞舍的末端溫度較高。在雞呼吸區(qū)高度，溫度主要分布在27～28℃，所占的比例約為93?7%，只有很少的一部分溫度超過了28?5℃，因此溫度是符合雞舒適性要求的。

誘導(dǎo)通風(fēng)方式下雞呼吸區(qū)高度（?y?=0?35.m）處的氨氣濃度分布如圖6所示。在整個(gè)雞舍中，氨氣濃度范圍是在1?73～9?86.mg/m?3，沒有超過最大限制10.mg/m?3。進(jìn)風(fēng)口處的新鮮空氣被誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的強(qiáng)烈擾動(dòng)，帶動(dòng)附近的氨氣隨著射流一起運(yùn)動(dòng)，其附近的氨氣濃度較低。由于誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的作用，使雞舍的氨氣濃度沿雞舍長度方向呈增加趨勢，在雞舍末端兩個(gè)墻角處氨氣濃度積累到了最大值，基本符合原理。在雞呼吸區(qū)高度氨氣濃度主要在1?73～7?7.mg/m?3之間，約占92?46%，被控制在了較低的水平。

4結(jié)論

通過建立山東省濰坊某一智能養(yǎng)雞場中的肉雞養(yǎng)殖雞舍誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)模型，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算，得出了該雞舍的速度，溫度以及氨氣的分布特性：

1）在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的下傾角為15°的前提下，風(fēng)機(jī)縱向間距設(shè)置為12.m，橫向間距設(shè)置為7～7?5.m時(shí)，雞舍能得到較佳的通風(fēng)效果。

2）得到了誘導(dǎo)通風(fēng)方式下雞呼吸區(qū)速度、溫度以及氨氣濃度的分布情況。采用誘導(dǎo)通風(fēng)模式時(shí)，雞舍內(nèi)空氣滿足風(fēng)速要求的約占82?42%，通風(fēng)效果好;滿足溫度要求的約占93?7%，符合雞的舒適性要求;滿足氨氣濃度要求的約占92?46%，氨氣濃度被控制在了較低的水平。

綜上所述，雞舍中的空氣在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的作用下氣流銜接效果較好，能夠?qū)倪M(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的空氣不斷向前推動(dòng)，最終順利地從排風(fēng)扇排除，體現(xiàn)了改善雞舍環(huán)境品質(zhì)的積極作用，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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