楊禮 ，杜龍環(huán)，胡陳明，鄭煒超，朱洪強(qiáng)，蔣小松，余春林，楊朝武*

（1.四川大恒家禽育種有限公司，四川 成都 610066；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100833；4.成都晟興牧業(yè)機(jī)械有限公司，四川 成都 611230；5.四川省畜牧科學(xué)研究院動(dòng)物遺傳育種四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066）

舍內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量及氣流組織模式等環(huán)境因子直接或間接影響家禽的生長(zhǎng)和生產(chǎn)性能的發(fā)揮［1-2］。在影響禽舍內(nèi)環(huán)境的因素中起關(guān)鍵作用的是通風(fēng)模式，其同時(shí)也是執(zhí)行舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控的主要手段。近年來(lái)，隨著電腦技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）已在歐美國(guó)家廣泛應(yīng)用［3］。包括雞舍設(shè)計(jì)、舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)評(píng)估、通風(fēng)模式優(yōu)化等研究主題均可在CFD 模型上實(shí)現(xiàn)建模并快速完成模擬得到最優(yōu)結(jié)論。本研究以實(shí)際的全環(huán)控密閉雞舍為模擬對(duì)象，利用CFD技術(shù)開(kāi)展三維數(shù)值建模工作，構(gòu)建了1∶1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)測(cè)量驗(yàn)證了該數(shù)值模型的可靠性，以期為開(kāi)展雞舍環(huán)境控制及通風(fēng)模式優(yōu)化研究提供新的技術(shù)手段。

1 雞舍氣流和溫濕度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

1.1 試驗(yàn)雞舍 本研究CFD 建模對(duì)象為全環(huán)控密閉雞舍，長(zhǎng)40 m、寬9.2 m，屋頂安裝雙層彩鋼吊頂，高度2.5 m。該雞舍采用縱向通風(fēng)模式，進(jìn)風(fēng)口位于雞舍一端兩側(cè)并配有濕簾降溫裝置，3 臺(tái)風(fēng)機(jī)位于雞舍另一端。雞舍安裝有數(shù)十個(gè)側(cè)墻小窗，但試驗(yàn)過(guò)程中小窗始終處于關(guān)閉狀態(tài)。舍內(nèi)總計(jì)4 列雞籠，每列3 層，共計(jì)飼養(yǎng)約3 500 只雞。入風(fēng)口處安裝有導(dǎo)流板并預(yù)設(shè)35°傾角。

1.2 試驗(yàn)儀器 舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速采用多功能風(fēng)速儀TSI 9454 測(cè)量。風(fēng)速量程為0～30 m/s，精度為±0.015 m/s，分辨率為0.01；溫度量程為-10 ℃～60 ℃，精度為±0.3 ℃，分辨率為0.1；相對(duì)濕度量程為0%～99%，分辨率為0.1。舍內(nèi)墻面、地面及屋頂溫度使用手持式紅外溫度儀測(cè)量，精度為1%或±1.0 。

1.3 測(cè)量方式 舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)量點(diǎn)位分布于舍內(nèi)15 個(gè)地方，每個(gè)地方測(cè)量?jī)蓚€(gè)高度：0.8 m（第一層雞的高度）和1.8 m（第三層雞的高度），總計(jì)測(cè)量30個(gè)點(diǎn)位。每個(gè)點(diǎn)位測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為50 s，采樣頻率為1 Hz。對(duì)于各壁面溫度，在雞舍前、中、后多點(diǎn)采樣，平均值用于數(shù)值模型初始化。本試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，僅開(kāi)啟中間通風(fēng)風(fēng)機(jī)，其余兩個(gè)風(fēng)機(jī)始終處于關(guān)閉狀態(tài)。試驗(yàn)前后檢測(cè)入風(fēng)口風(fēng)速及室外溫度，未發(fā)現(xiàn)明顯差異。

1.4 數(shù)據(jù)處理與模型驗(yàn)證 將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)用Excel 2010 軟件建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將實(shí)際測(cè)量結(jié)果與CFD 預(yù)測(cè)模擬結(jié)果采用相對(duì)誤差法進(jìn)行檢驗(yàn)。相對(duì)誤差法的公式如下：

其中，Cp為CFD 模型值，C0為實(shí)測(cè)值。通過(guò)檢驗(yàn)比較模型準(zhǔn)確性。

2 CFD模型構(gòu)建

2.1 雞舍模型 本研究中，三維數(shù)值建模利用商業(yè)軟件Pointwise V17進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)建，數(shù)值求解使用商業(yè)軟件ANSYS Fluent 17.0。模型幾何尺寸包括入風(fēng)口依照真實(shí)試驗(yàn)雞舍尺寸。出風(fēng)口（風(fēng)機(jī)）簡(jiǎn)化為1.27 m 直徑的圓形。由于雞舍真實(shí)有效空間由四周壁面、地面及吊頂構(gòu)成，因此模型幾何外觀簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體。

2.2 多孔介質(zhì)模型 鑒于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)處理能力，在三維模型中無(wú)法對(duì)每只雞的幾何形態(tài)進(jìn)行獨(dú)立構(gòu)架，因此實(shí)際建模中不可避免地要進(jìn)行簡(jiǎn)化。多孔介質(zhì)模型可以有效針對(duì)雞籠和雞構(gòu)成的整體進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬（忽略料槽、飲水系統(tǒng)等）。如下列公式②所示，其中等式右邊第一項(xiàng)為粘性損失，第二項(xiàng)為慣性損失。

其中ΔPi/ΔXi是在x、y、z三個(gè)方向上單位長(zhǎng)度的壓降，單位為Pa·m-1；|ν|是速度大小，單位為m·s-1；D和C是預(yù)先設(shè)定的三個(gè)方向上的粘性、慣性阻力系數(shù)矩陣，單位分別為m-2和m-1；νj是三個(gè)方向的速度矢量，單位為m·s-1；μ是空氣的動(dòng)力粘度，單位為N s·m-2；ρ是空氣密度，單位為kg·m-3。

從公式②可以看出，把雞籠及雞整體簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型，最重要的是需要知道正確的粘性（D）及慣性（C）阻力系數(shù)。本研究以Cheng等［4］在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測(cè)量的相關(guān)阻力系數(shù)為參考，同時(shí)基于多孔介質(zhì)模型，雞的產(chǎn)熱量（THP）及產(chǎn)濕量（M0）可由下列公式③［5-6］和公式④［7］分別給出。其中雞群平均體重（M）經(jīng)測(cè)量后大概為2.6 kg/只。

2.3 網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證 本試驗(yàn)分別研究了四種網(wǎng)格細(xì)密度：網(wǎng)格A（90萬(wàn)網(wǎng)格單元），網(wǎng)格B（170萬(wàn)網(wǎng)格單元），網(wǎng)格C（320 萬(wàn)網(wǎng)格單元），網(wǎng)格D（550萬(wàn)網(wǎng)格單元）。在相同位置選取三個(gè)模擬采樣點(diǎn)來(lái)檢驗(yàn)每種網(wǎng)格密度的網(wǎng)格收斂性，采用Roache P［8］報(bào)道的網(wǎng)格收斂性指標(biāo)（GCI）進(jìn)行對(duì)比。綜合考慮后選取網(wǎng)格C 進(jìn)行模型可行性驗(yàn)證。

2.4 模型邊界條件 本研究中模型邊界條件的設(shè)定和初始化均基于真實(shí)試驗(yàn)條件和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果，其中屋頂、地面及四周壁面的初始溫度見(jiàn)表1。非滑移面條件下，設(shè)定靠近壁面的流速為0 m·s-1。表1顯示入口處空氣相對(duì)濕度高達(dá)98%左右，主要是由于濕簾降溫導(dǎo)致。試驗(yàn)前后均進(jìn)行了室外參數(shù)測(cè)定，未發(fā)現(xiàn)明顯變化，室外平均溫度為25.2 ℃，平均相對(duì)濕度為62%。模型中入風(fēng)口設(shè)定為速度進(jìn)口，出風(fēng)口設(shè)定為壓力出口。

表1 用于模型初始化的各參數(shù)實(shí)測(cè)值

2.5 湍流模型選取及其他設(shè)定 本模型求解過(guò)程中考慮到流體旋轉(zhuǎn)、邊界層分離及流體回流等因素，選取Realizable κ-ε湍流模型進(jìn)行求解計(jì)算。本模型中壁面參數(shù)y*介于30～300 之間，因此選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解。其他參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 CFD模型基本參數(shù)設(shè)定

3 結(jié)果與分析

將雞舍30個(gè)點(diǎn)位的溫度、濕度以及風(fēng)速的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與CFD 三維模型模擬值進(jìn)行相對(duì)誤差檢驗(yàn)，結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4和表5。

3.1 溫度 舍內(nèi)溫度模擬值和實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為3.30%。由表3 可以看出，30 個(gè)測(cè)量點(diǎn)位中，有22 個(gè)測(cè)量點(diǎn)位的溫度絕對(duì)誤差是小于1 ℃的；同時(shí)，30 個(gè)點(diǎn)位中有25 個(gè)點(diǎn)位的相對(duì)誤差小于5%。以上結(jié)果證明CFD模型能很好地模擬雞舍舍內(nèi)溫度的分布。

表3 溫度CFD模擬值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值的誤差及相對(duì)誤差

表4 相對(duì)濕度CFD模擬值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值的誤差及相對(duì)誤差

表5 空氣速度CFD模擬值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值的誤差及相對(duì)誤差

3.2 相對(duì)濕度 舍內(nèi)相對(duì)濕度的模擬值和實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為4.46%。在30 個(gè)測(cè)量點(diǎn)位中，所有點(diǎn)位的相對(duì)誤差均小于10%，同時(shí)有18個(gè)點(diǎn)位的相對(duì)誤差小于5%。從表4 可以看出，絕大多數(shù)點(diǎn)位的模擬值均小于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值，同時(shí)出現(xiàn)誤差最大的地方是雞舍后部點(diǎn)位16～24 處，可能的原因是CFD 模型雖然考慮了雞的散濕，但糞便中的水分蒸發(fā)并未在模型中體現(xiàn)。從以上數(shù)據(jù)可以看出，CFD 模型能夠很好地模擬雞舍舍內(nèi)濕度的分布，與試驗(yàn)測(cè)量值差異不大。

3.3 空氣速度 舍內(nèi)空氣速度的模擬值和實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為5.85%。最大絕對(duì)誤差發(fā)生在測(cè)量點(diǎn)4，大小為0.086 m·s-1（E=11.4%）。測(cè)量點(diǎn)4 位于雞舍前端進(jìn)風(fēng)口附近，由于來(lái)自左右進(jìn)風(fēng)口的兩股氣流在雞舍中間碰撞及混合，導(dǎo)致了氣流在此處相對(duì)不均勻，因此該處的模擬值與實(shí)測(cè)值有較大的誤差。在30 個(gè)測(cè)量點(diǎn)位中，有27個(gè)點(diǎn)位的相對(duì)誤差小于10%，15個(gè)點(diǎn)位的相對(duì)誤差小于5%。以上結(jié)果充分證明CFD模型可以很好地模擬雞舍內(nèi)部空氣的流動(dòng)情況。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用CFD 技術(shù)搭建了全環(huán)控密閉雞舍的三維數(shù)值模型，基于實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型初始邊界條件進(jìn)行了設(shè)定。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量了雞舍內(nèi)部30 個(gè)點(diǎn)位的環(huán)境參數(shù)（包括溫度、濕度及風(fēng)速），并與CFD 模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)對(duì)絕對(duì)誤差及相對(duì)誤差等指標(biāo)的比較，同時(shí)考慮到實(shí)際雞舍內(nèi)氣流組織的復(fù)雜性，充分證明本研究搭建的CFD 模型可以很好地模擬雞舍內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的分布情況，可用于舍內(nèi)環(huán)境的進(jìn)一步優(yōu)化模擬。