吳照學(xué) 梁偉 鮑恩財(cái) 陳菁 柏宗春 應(yīng)詩(shī)家

摘要：針對(duì)冬季規(guī)?；B(yǎng)殖鴨群集聚問(wèn)題，對(duì)發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速測(cè)試，構(gòu)建鴨舍CFD模型，開展溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和氣流場(chǎng)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(cè)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(duì)濕度為81.90%，略低于舍外；舍內(nèi)風(fēng)速為0.04～0.57m/s。對(duì)原模型溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬，與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其平均相對(duì)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(tái)暖風(fēng)機(jī)對(duì)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(zhǎng)最適溫度；舍內(nèi)平均濕度降至66.52%，較原來(lái)下降11.07%，低于高濕環(huán)境閾值；舍內(nèi)平均風(fēng)速?gòu)?.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(jì)算流體力學(xué)；環(huán)境優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S834

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(zhǎng)性能，近年來(lái)，鴨養(yǎng)殖逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、集約化、規(guī)?；透＠较虬l(fā)展，傳統(tǒng)的臨水養(yǎng)殖和旱地平養(yǎng)由于設(shè)施簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)鴨糞原位發(fā)酵解決鴨糞處理難的問(wèn)題，該模式下鴨在網(wǎng)床上自由活動(dòng)，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(guò)網(wǎng)孔下落會(huì)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(huì)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(huì)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(duì)冬季發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍環(huán)境評(píng)估與優(yōu)化等問(wèn)題亟待解決。

目前，畜禽舍內(nèi)環(huán)境測(cè)試優(yōu)化的重要手段是計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）技術(shù)，CFD技術(shù)是通過(guò)數(shù)據(jù)分析模擬為試驗(yàn)人員提供詳盡的氣動(dòng)數(shù)據(jù)和圖像［5］。CFD技術(shù)在國(guó)外起步比較早，并在近年來(lái)有了較大的突破。1990年，Choi等［6］最先使用k-ε湍流模型對(duì)畜禽舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了初步模擬，模擬的過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)，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(shí)際所測(cè)誤差較大。1992年，Hoff等［7］將畜禽舍模型假定成一個(gè)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(huì)將畜禽舍氣流的模擬與溫度的模擬結(jié)合起來(lái)研究。Kic等［8］利用CFD技術(shù)對(duì)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(yàn)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(chǎng)三維模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬值與實(shí)測(cè)值無(wú)明顯差異，從而表明CFD模型是評(píng)估畜禽舍氣流場(chǎng)重要手段。國(guó)內(nèi)針對(duì)CFD技術(shù)對(duì)畜禽內(nèi)環(huán)境評(píng)估起步比較晚，多用于雞舍、牛舍等溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)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(guò)程，對(duì)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(duì)雞舍氣流的影響。鄧書輝等［11］運(yùn)用CFD對(duì)低屋面橫向通風(fēng)牛舍氣流場(chǎng)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(lái)，國(guó)內(nèi)畜禽調(diào)控技術(shù)發(fā)展快速，畜禽生長(zhǎng)性能等一系列問(wèn)題得到了有效的解決，顯著提高養(yǎng)殖水平。

本文擬通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)合CFD模擬的方式，對(duì)發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍內(nèi)溫濕度、風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試與分析，并對(duì)鴨舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行CFD模擬，針對(duì)模擬的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和氣流場(chǎng)存在的問(wèn)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?guó)喩?/p>

1.1.1 鴨舍結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)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(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)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(tái)風(fēng)機(jī)，從左至右依次標(biāo)號(hào)為1、2、3、4、5、6，每臺(tái)間距1.03m，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)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(zhǎng)90m，寬15m，厚0.1m，距離地面1.9m。網(wǎng)床分為活動(dòng)區(qū)和休息區(qū)，活動(dòng)區(qū)11.5m，休息區(qū)3.5m。鴨舍內(nèi)配套自動(dòng)飲水和喂料系統(tǒng)以及糞便自動(dòng)翻耙系統(tǒng)。自動(dòng)飲水系統(tǒng)采用乳頭式位于發(fā)酵床兩側(cè)，自動(dòng)喂料系統(tǒng)位于發(fā)酵床中間，白天每隔3h自動(dòng)喂料一次，鴨群在網(wǎng)床上層自由活動(dòng)，糞便通過(guò)漏縫板下落。

1.1.2 通風(fēng)模式

舍內(nèi)飼養(yǎng)蘇郵1號(hào)蛋鴨約4000羽。采用負(fù)壓縱向通風(fēng)模式，測(cè)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(yàn)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)江蘇地區(qū)冬季氣候特點(diǎn)，設(shè)定試驗(yàn)鴨舍冬季理想溫度為16.0℃。（1）當(dāng)舍內(nèi)溫度≤16.0℃時(shí)，執(zhí)行最小通風(fēng)量的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，開啟3號(hào)風(fēng)機(jī)，執(zhí)行順序?yàn)椋洪_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(shí)，開啟3號(hào)和5號(hào)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，執(zhí)行順序?yàn)椋洪_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(tái)風(fēng)機(jī)多運(yùn)行25s，如舍內(nèi)氣溫為16.5℃，則兩臺(tái)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(shí)，則開啟1、3、5號(hào)三臺(tái)風(fēng)機(jī)，執(zhí)行順序?yàn)椋洪_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(hào)三臺(tái)風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，并增開4號(hào)風(fēng)機(jī)，直到降至18.0℃，關(guān)閉4號(hào)風(fēng)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

溫度和相對(duì)濕度采用HOBO溫濕度記錄儀UX100-011實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄（溫度量程-20℃～70℃，精度為±0.2℃；相對(duì)濕度量程1%～100%，精度為±2.5%），記錄時(shí)間為30min一次；風(fēng)速采用Testo425熱敏風(fēng)速儀（測(cè)量范圍0～20m/s，分辨率為0.01m/s）測(cè)定，測(cè)定方式為手持讀數(shù)，測(cè)定時(shí)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(duì)濕度變化情況，測(cè)試期間舍內(nèi)縱向溫濕度采集點(diǎn)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(shuō)明供試?guó)喩岫揪哂斜匦Ч?，但相比育成期蛋鴨最適生長(zhǎng)溫度16℃～18℃，舍內(nèi)溫度偏低。

由圖3可知，連續(xù)8d舍外相對(duì)濕度最高為95.55%，最低為59.65%，平均相對(duì)濕度82.57%；舍內(nèi)相對(duì)濕度最高為90.53%，最低為67.57%，平均相對(duì)濕度81.90%。供試?guó)喩醿?nèi)相對(duì)濕度曲線變化趨勢(shì)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(zhǎng)。畜禽養(yǎng)殖行業(yè)將相對(duì)濕度>75%定義為高濕環(huán)境，舍內(nèi)大部分時(shí)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(shí)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(gè)區(qū)域風(fēng)速都是先向上升后下降再上升，在正午時(shí)刻達(dá)到頂峰，并且由濕簾至風(fēng)機(jī)呈上升趨勢(shì)；整體來(lái)看，舍內(nèi)風(fēng)速遠(yuǎn)低于適合家禽生長(zhǎng)的最佳風(fēng)速范圍1.5～2.0m/s［14］，風(fēng)速低會(huì)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(dòng)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(duì)舍內(nèi)氣流的影響；由于蛋鴨在活動(dòng)區(qū)較分散，模型建立忽略蛋鴨對(duì)舍內(nèi)氣流的影響。

根據(jù)實(shí)地測(cè)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(jiǎn)化的基礎(chǔ)上利用SolidWorks對(duì)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(shí)對(duì)各邊界條件進(jìn)行命名以用于后期數(shù)值求解，Z軸正向?yàn)闁|向，X軸正向?yàn)楸毕颍⑷鐖D5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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(píng)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(shí)間內(nèi)室內(nèi)平均溫度（16.02℃）；墻體定義為熱流量壁面，以實(shí)測(cè)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(duì)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(duì)流的壁面，對(duì)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(tái)（中間第3號(hào)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(cè)試值。（5）發(fā)酵床定義為多孔介質(zhì)以減少仿真計(jì)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(zhǎng)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(shí)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(jì)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(guò)程中舍內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)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(shí)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(jì)算速度快、對(duì)硬件條件低的優(yōu)點(diǎn)，是近年針對(duì)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(jì)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(yàn)證

因?yàn)?022年1月18日12：00這一時(shí)刻舍內(nèi)外溫差最大，所以選擇這一時(shí)刻進(jìn)行模擬。對(duì)應(yīng)模擬的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和氣流場(chǎng)如圖7所示。

由模擬結(jié)果可以看出供試?guó)喩岫緝?nèi)環(huán)境存在以下問(wèn)題：（1）舍內(nèi)整體溫度偏低（15.32℃），低于育成期蛋鴨最適生長(zhǎng)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(yàn)證CFD仿真模擬的準(zhǔn)確性，詳細(xì)對(duì)比分析實(shí)測(cè)值與模擬值，引入相對(duì)誤差計(jì)算公式［16］，如式（3）所示。

式中：

Ev——實(shí)測(cè)值與模擬值之間的相對(duì)誤差；

Cs——模擬值；

Cm——實(shí)測(cè)值。

評(píng)估模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性就是比較CFD仿真模擬中與測(cè)點(diǎn)同一位置、同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，本文選擇鴨舍同一時(shí)刻5個(gè)測(cè)點(diǎn)（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(duì)濕度和氣流對(duì)比分析得出結(jié)果如圖8所示：溫度相對(duì)誤差范圍1.40%～6.09%，平均誤差3.78%；濕度的相對(duì)誤差范圍1.71%～4.54%，平均誤差2.96%；氣流相對(duì)誤差范圍4.48%～10.00%。平均誤差7.67%，說(shuō)明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合性較高，模擬值較準(zhǔn)確反映試驗(yàn)鴨舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和氣流速度變化情況，并且以該模擬為基礎(chǔ)可以對(duì)該鴨舍環(huán)境進(jìn)行有效的評(píng)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(wèn)題，利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)鴨舍結(jié)構(gòu)與裝備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)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(duì)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(tái)，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(duì)2022年1月18日12：00這一時(shí)刻改進(jìn)后的鴨舍幾何模型經(jīng)過(guò)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(chǎng)、濕度場(chǎng)和氣流場(chǎng)可知：（1）溫度場(chǎng)：增加通風(fēng)小窗開啟角度會(huì)加大舍內(nèi)的能量損失，但通過(guò)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(tái)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(zhǎng)的最適溫度。（2）濕度場(chǎng)：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(chǎng)：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(duì)下方氣流分布影響忽略不計(jì)，優(yōu)化后明顯提高了發(fā)酵床上方鴨活動(dòng)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(dòng)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(shí)最適合禽類生長(zhǎng)，本研究測(cè)試期間舍內(nèi)風(fēng)速范圍0.04～0.57m/s，遠(yuǎn)低于禽類生長(zhǎng)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(guò)高對(duì)鴨生長(zhǎng)的影響，此外，由于前期試驗(yàn)準(zhǔn)備不充分，沒(méi)有測(cè)量舍內(nèi)顆粒物濃度，顆粒物含量過(guò)高抑制鴨的生長(zhǎng)，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(huì)積極與企業(yè)溝通交流，對(duì)舍內(nèi)顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)量改善。

對(duì)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(dòng)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(dòng)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(jì)算，這將是下一步的研究重點(diǎn)。另外，模擬值與測(cè)試值的個(gè)別誤差比較大可能是由于建模過(guò)程中未考慮蛋鴨對(duì)舍內(nèi)環(huán)境因子的影響所造成的。同時(shí)，本文對(duì)裝備與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案未進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，后續(xù)將開展相關(guān)研究。

5 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)地測(cè)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(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，對(duì)舍內(nèi)存在的溫度低、濕度大和風(fēng)速低等問(wèn)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(tái)暖風(fēng)機(jī)）的方案。

1）測(cè)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(shuō)明供試?guó)喩岫揪哂斜匦Ч啾扔善诘傍喿钸m宜的生長(zhǎng)溫度16℃～18℃，舍內(nèi)溫度偏低；舍內(nèi)相對(duì)濕度67.57%～90.53%，舍外相對(duì)濕度59.65%～95.55%，舍內(nèi)相對(duì)濕度日變化幅度均小于舍外，但大部分時(shí)間處于高濕環(huán)境。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)境因子和維護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)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(chǎng)實(shí)測(cè)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速與CFD模擬數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有較好的吻合性，說(shuō)明該模型可有效評(píng)估冬季發(fā)酵床網(wǎng)養(yǎng)鴨舍內(nèi)環(huán)境，并可對(duì)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(zhǎng)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(lái)下降11.07%；舍內(nèi)平均風(fēng)速?gòu)?.29m/s提高到0.38m/s，并且在優(yōu)化過(guò)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(guò)大對(duì)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(dòng)區(qū)域氣流速率，利于CO2和NH3通過(guò)通風(fēng)小窗排出舍外，在有效提高發(fā)酵床上層鴨活動(dòng)區(qū)域氣流流速的同時(shí)，加速舍內(nèi)CO2和NH3等有害氣體排出舍外。

參 考 文 獻(xiàn)

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