基于鹅舍气流场CFD模拟的通风系统结构优化与验证

姚家君，郭彬彬，丁为民，邵西兵，施振旦



基于鹅舍气流场CFD模拟的通风系统结构优化与验证

姚家君1，郭彬彬1，丁为民1※，邵西兵3，施振旦2

（1. 南京农业大学工学院，南京 210031；2. 江苏省农业科学院畜牧研究所，南京 210014；3. 常州市阳湖鹅业专业合作社，常州 213101）

针对鹅舍内机械通风时大量气流扩散于鹅舍上方而位于地面鹅只通风效果受阻的气流问题，提出一种基于计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）的结构优化方案。通过在舍内主梁下端安装相同高度且与气流方向呈一定倾角的多个可拉伸卷膜构造方法，提高种鹅舍内有效的通风效率。依据试验现场边界条件，构建并求解了鹅舍的三维稳态模型，舍内40个测点的风速模拟值与实测值均方根误差为0.152 m/s，最大绝对误差为0.29 m/s，平均相对误差为2.04%，验证了建立的鹅舍CFD模型的准确性。根据不同优化方案数值模拟了27组不同改造后鹅舍内气流场分布情况，仿真得出最优组合方案：在42 m长的舍内安装卷膜个数为10个，卷膜与主梁竖直方向倾斜角度为60º以及卷膜最大下拉高度为1.2 m时舍内通风效率最高、气流分布最均匀。通过现场实测，对比改造前后40个测点的风速值，试验结果表明：改造后鹅舍较常规鹅舍平均风速增加0.527 m/s,舍内气流不均匀系数降低32.2%。该试验结果为种鹅舍的结构设计、同类型畜禽舍结构优化以及改善通风降温效果调控提供了一定的参考依据。

计算流体力学（CFD）；优化；流场；鹅舍；卷膜构造；通风效果；数值模拟

0 引 言

近年种鹅生产的新发展是开展夏季反季节繁殖生产，这需要建造能够遮蔽阳光采用机械通风湿帘降温的现代化种鹅舍。鹅舍内大多采用湿帘-风机负压通风模式，鹅舍建筑总的要求是阳光充足、空气流通、干燥防潮，同时要考虑建在拥有水源、地势较高而又有一定坡度的地方[1-2]。气流速度对畜禽的热调节，生产力和健康都能产生影响。通风换气不仅可以在炎热的夏季通过加大气流促使动物散热使其感到舒适，以缓解热应激的不良影响，还可以有效排除舍内的污浊空气、粉尘、病原微生物和有毒有害气体，防止舍内潮湿，保障舍内空气清新，改善畜禽舍的环境质量[3-5]。与传统试验方法相比，基于计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）的数值模拟是研究气流场分布的有效手段。国内外学者已经将CFD技术广泛用于对温室内环境模拟研究[6-10]。国内将CFD技术应用到畜舍中的研究起步较晚，李文良等[11]数值模拟了密闭式鸡舍纵向通风，探讨进风口门安装高度、开启角度以及进风速度对舍内气流分布影响。贺城等[12]CFX模拟了不同围栏高度猪舍内气流场，并进行了比较分析。佟国红等[13]对猪舍气流场进行三维稳态模拟，分析了气流入口处不同紊流动能及扩散率取值对室内测试参考点气流速度模拟值的影响。邓书辉等[14]运用CFD对低屋面横向通风牛舍气流场进行模拟，通过模拟对牛舍进行了结构优化。与国内相比，CFD技术在畜禽舍环境调控应用方面，国外开展的相对较早。Bartzanas等[15]学者进行了针对4种常见的CFD湍流模型在畜禽舍和温室内气流分布模拟中应用的研究。Bjerg等[16]采用CFD)研究了不同入口模型对畜禽舍内气流分布的影响。Norton等[17]采用CFD技术对一个自然通风的牛舍通风效率进行评估，同时对不同高度的屋檐开口对舍内通风造成的差异进行了比较。Blanes-Vidal等[18]开展了关于鸡舍内不同的边界条件对CFD模拟精确度影响的研究。Kic等[19]采用Fluent CFD软件对夏季和冬季肉鸡舍内的通风进行了模拟, 并比较了二维和三维模拟的精确度，得出了三维模拟的精确度要高于二维模拟。韩国的Mostafa等[20]设计通风管道系统用于寒冷冬季肉鸡舍内空间加温，运用Fluent软件对舍内内环境变化进行模拟。同年，Seo等[21]采用CFD模拟猪舍内部热环境，通过密封猪舍入口和减小入口面积有效改善舍内热均匀性。Zajicek等[22]也做了关于畜禽舍通风优化相关模拟，并认为采用CFD模拟技术来优化现有畜禽舍通风状况的方法是有效可行的。与猪、牛等相比，鹅具有更高敏感性特点，要求有较大的活动空间[23]。针对目前高密度养殖鹅舍出现的种种疾病问题，高效节能的通风换气是鹅舍内环境调控的重要指标。

本文基于现场实测运用SolidWorks软件建立鹅舍的三维模型，将模型导入Fluent中通过CFD数值模拟了鹅舍内气流场分布与速度大小，对鹅舍内机械通风时位于舍内下方气流速度低且分布不均匀的问题，提出了舍内梁下添加卷膜的结构优化方案。且通过现场实测分析对比改造前后鹅舍内气流速度及分布均匀度的变化情况。

1 试验设备与方法

1.1 试验设备

本文中模拟的种鹅舍位于江苏省常州市武进区阳湖鹅业专业合作社。鹅舍坐北朝南，长42 m，宽14 m，檐口高3 m，屋脊高4.2 m，鹅舍上部建筑体系为轻型钢结构，外墙和屋面采用75 mm厚彩钢聚苯乙烯夹芯板。由于种鹅反季节繁殖的需要，在鹅舍南北两侧墙建有总长约36 m、高约1.44 m的卷帘进风口，在需要遮闭阳光时放下卷帘，而平时则卷上卷帘利于空气进出鹅舍内通风换气。鹅舍东山墙均布4台风机，风机叶轮直径1 380 mm，理论风量44 500 m3/h，西山墙安装高1.6 m、长12 m的湿帘，舍内等间距布置10个主梁，北侧靠近风机端装有长12 m，内径20 cm×20 cm的水槽，见图1所示。

图1试验种鹅舍

1.2 试验方法

鹅舍风速测定试验于2016年4月16日至28日。位于鹅舍内下方，鹅体约距地面0.5 m高度的位置，故该高度平面气流的风速大小及分布均匀度是评判鹅舍内环境的重要指标。在舍内等间距构造的主梁下端，纵向位置从风机到湿帘处等间距布置10个点且横向位置均布4个点，共40个测点，具体布点如图2所示。选用手持式SMART数字风速计测量风速，测量范围0.1～45 m/s，测量误差±3%±0.1 dgt。舍外气象参数测试采用便携式小型自动气象站，架设在鹅舍屋顶上方，可测量的参数包括空气温度−20～50 ℃（±0.5 ℃）、空气相对湿度0～100%(±3%)、风速0～45 m/s(±1.1 m/s)、辐射：0～1 280 W/m2(±5%)，传感器每120 s自动储存1次测试数据。测量方法：先开启4台风机进行机械通风，关闭舍门10～15 min,使舍内空气状态处于稳态。15 min后，在距地面0.5 m上方测量如图2所示的40个测点的气流速度，为减少误差，每个测点重复测定3次，取平均值。在整个测量过程中舍门保持关闭状态。

2 CFD建模与仿真

2.1 鹅舍模型建立

流体流动需要满足的三大基本定律是质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，如果流动包含不同组分的混合，则系统需满足组分守恒定律[24]。该模拟中不考虑通风过程中的能量交换和组分变化，由于鹅舍内空气流动较慢，且温度变化相对不大，故将空气简化为稳态、不可压缩的湍流流动。鹅舍内湿帘-风机所安装位置决定舍内气流场的变化主要体现在纵向通风上，运用SolidWorks软件建立与实体建筑尺寸等比例模型，忽略鹅舍内立柱，水槽及食槽等对气流影响。同时，由于鹅的高度敏感性特征，大量鹅来回走动位置不固定性导致在实测中极大影响了舍内气流稳定性，不能将其简化为固定模型，故在实测及模拟中均不考虑鹅的存在。几何模型建立如下图3所示。

2.2 辐射模型

在夏季，太阳辐射是影响鹅舍内气流场和温度场分布的关键因素之一。根据辐射换热情况选用离散坐标的辐射模型，采用FLUENT太阳射线追踪（solar ray tracing）方法，按照地理位置和鹅舍方位设置主要参数：E119º8′，N31º56′，时区为+8，北方方位为[1,0,0]，东方方位为[0,0,1]。

2.3 边界条件及参数设置

湿帘-风机的负压通风鹅舍，CFD模型采用标准两方程的湍流模型[25-26]，近壁面区域则通过标准壁面函数法来处理。将整个流体区域定义为Regions，在这个区域上设定风机处为速度出口（outlet）边界条件,湿帘处为压力入口（inlet）边界条件，鹅舍的顶部和四周维护以及地面均采用壁面（wall）边界条件来处理。模拟参数值均由实测所得，其中风机处风速测定方法为在每台风机横纵向均布3个点，共9个测点，采用手持式SMART数字风速计测定9个点的风速值，由于所测9个点风速值相近，最终取9个点风速值的平均值作为该台风机的风速值。参数具体设置如表1所示。

表1 模拟参数表

2.4 网格划分

忽略鹅舍内立柱，水槽及食槽等对气流影响，选用非结构网格（网格类型为Trig）对鹅舍整体进行离散划分。整个鹅舍模型体网格最大边长设置为0.25 m，在舍内四壁表面建立Inflated Boundary，定义体网格层数为5，几何膨胀系数为1.2，考虑到湿帘入口和风机出口处的复杂流动情况，对这些区域进行了适当的网格加密。经网格统计，纵向通风的鹅舍模型网格划分中，节点数为306 123，单元数为1 288 471。经网格检查发现，最大网格扭曲率为 0.84，而92.6%的网格单元的尺寸扭曲率小于0.63，网格划分质量较好，满足后续仿真要求。

3 CFD仿真结果与验证

3.1 CFD仿真结果

本次模拟仿真采用稳态方法求解控制方程，数值计算采用二阶迎风格式的有限体积法，压力与速度耦合的动量方程，采用SIMPLE算法，迭代采用自适应步长，经过约156个时间步长达到稳定，计算仿真结果如下图4所示。

图4a、b为试验鹅舍高度方向（轴）2个水平截面上的气流速度云图，即=0.5和1.6 m。对比2个不同高度的截面图，从图中可以观察到=1.6 m平面上整体气流速度较大，且从气流入口到出口变化缓和；而近地面（=0.5 m）大部分区域气流速度小于0.4 m/s，且气流分布不均匀。由于鹅自身高度较矮，所接触到气流明显较少，同时鹅所在位置不同所获得气流量也不同。

图4c为试验鹅舍横向（轴）上2个风机中间轴线横截面的气流速度云图，即＝―2.5和―9 m。从图4c上可以观察到鹅舍垂直方向上存在着明显的速度梯度变化，湿帘入口和风机出口处为高风速，且变化较为剧烈，气流从湿帘入口处有明显的上升趋势；风速由出入口向鹅舍内部逐渐减弱，鹅舍中间位置的下方较大区域呈现低速区，约0.2 m/s，不足以满足高密度养殖鹅舍生长所需环境要求。

3.2 CFD模型验证

为了验证所建立的鹅舍仿真模型计算结果的正确性和可靠性，在鹅舍内如图2布点测量，将鹅舍内各测点风速的实测值与其仿真模拟值进行比较，图5为实测值与其仿真模拟值对比结果；各测点模拟值和实测值风速的均方根误差RMSB为0.152 m/s，最大绝对误差为0.29 m/s，平均相对误差为2.04%，从图5中可得气流速度的实测值与模拟值存在一定的偏差，但整体的气流场分布情况及变化趋势较为一致。说明本模拟中的模型建立满足模拟要求、网格划分适中，边界条件取值合理，标准湍流模型适用于鹅舍流场的模拟，可得所建立的CFD模型是有效的，可用于后续对鹅舍构造改变及提高舍内通风量的优化设计。

图5 测点的实测值与仿真值比较

4 增强鹅舍内通风性能的新型构造

鹅舍内湿帘与风机的高度要远高于鹅体本身的高度，当舍内机械通风时，大量气流扩散于上空，使得鹅舍内有效的通风降温效率下降，气流通过鹅体表面较少。针对鹅舍内存在的问题，为提高鹅舍内部通风降温效率，本文提出一种增强通风性能的新型鹅舍结构，该新型鹅舍在常规鹅舍结构基础上，在舍内主梁下端安装相同高度及倾斜角度的多个可拉伸卷膜。卷膜可根据季节的变换及鹅舍内环境要求调节不同拉伸高度，也可收起。当鹅舍内机械通风时，通过下拉卷膜改变舍内气体流向，让更多气流从卷膜底端以下的位置流过，增加位于鹅舍下部位置鹅体周围的气流量，从而提高鹅舍内通风降温效率。

4.1 优化设计方案

以江苏省常州市阳湖鹅业专业合作社的其中一栋种鹅舍为例，其舍内等间距布置10个主梁，本研究设计通过添加3个、5个和10个3种个数的卷膜来考虑增添卷膜个数的不同对于室内阻挡气流流向的影响。模拟仿真发现，卷膜最大可拉伸高度的不同会引起舍内气流产生不同程度的涡流，同时考虑到湿帘最高端距离主梁下端高度为1.2 m，故将卷膜下拉最大高度划分为1.0 、1.2 以及1.4 m三挡进行模拟对比。除此之外，为了减小气流产生的涡流程度及分布不均匀现象，提出将卷膜与主梁竖直方向倾斜一定角度，考虑到舍内原本构造以及2个主梁的间距，将倾斜角度分为0、30°及60°三挡来研究卷膜安装不同倾斜角度对舍内通风效果的影响。综上所述，本次优化设计根据舍内增添卷膜个数、卷膜最大下拉高度和卷膜安装倾斜角度三因素的不同取值，共分出3×3×3种组合方案来模拟研究舍内气流场的情况，从中对比得出最优的配置方案。

4.2 优化模拟分析

从图4可得：常规鹅舍机械通风时，气流从湿帘处进入，随后大量气流上移，使得舍内出现下方气流量少且分布不均匀现象，到达风机处气流速度明显提高。故通过在舍内添加卷膜构造提高舍内气流量且减少气流分布不均匀现象即视为方案有效。参照民用建筑气流分布性能的评价标准[27]，引入如式（1）、（2）所示气流不均匀性系数：

（1）

式中V为高度为平面上的平均气流速度，m/s；V为第个测点气流速度，m/s；为测点数；J为高度为平面上的气流不均匀性系数，J值越小，气流分布的均匀越好。

通过如下表2所示的27组不同卷膜构造方式下仿真试验，提取如图2位置处的40个测点的气流不均匀系数0.5，可见，不同构造方式对舍内气流分布均匀性影响差异较大。

表2 不同构造组合

图6为在=―5.5 m位置处，安装高=1.2 m，卷膜倾斜角度为=60º且分别添加3个、5个及10个卷膜的气流速度分布云图，从图中观察可得：较常规鹅舍气流分布相比，通过添加卷膜结构能够有效改变舍内气体流向，对比得出10个倾斜卷膜的构造使得整个舍内位于下方鹅体密集处气流量增大且分布更均匀；结合不均匀系数（表2）得到优选方案为第24组方案，即增添卷膜个数为10个，卷膜安装倾斜角度60º以及卷膜最大下拉高度为1.2 m时舍内通风效果最佳，气流分布更均匀。

注：θ为安装倾斜角，h为安装高度，w为卷膜个数。

4.3 改造后鹅舍舍内气流速度对比研究

依据上述仿真模拟结果的最优构造设计，在鹅舍等间距的10个主梁上均安装与竖直方向倾斜角度60°，垂直高度为1.2 m的黑色PET卷膜，卷膜厚度为0.25 mm，如图7所示。在外界不同气候条件下，分别对常规鹅舍及改造后鹅舍内40个测点进行3次测量对比，图8为每个测点3次测量均值的对比结果，改造后鹅舍较常规鹅舍平均风速增加0.527 m/s，舍内气流不均匀系数降低32.2%，说明改造后的鹅舍能够有效提高位于下方鹅密集处的气流量及气流速度，同时气流分布不均匀系数的大量降低使得舍内气流死角处明显减少，给予高密度养殖鹅舍更有利的生存环境。

5 讨 论

本研究对如何提高鹅舍内有效的通风效率进行了研究，通过结构上优化设计改变畜禽舍内环境。邓书辉等[14]在牛舍内部结构改造上有过类似研究，通过增添挡风板与调整矮墙高度对LPCV横向通风牛舍进行改进，使得舍内气流不均匀系数较原来降低了41.8%，表明畜禽舍通过结构上的改变来降低舍内气流不均匀度的方法具有可行性。目前负压通风湿帘风机降温系统广泛应用于鹅舍内，机械通风时，从外界吸入的洁净空气与舍内空气混合，也会与鹅只活动时产生的呼吸废气、粉尘及其中的细菌等混合，从进风口至排风口，空气质量越来越差[28]。本文基于装有湿帘-风机系统的种鹅舍，不仅通过添加卷膜的结构优化改变舍内气体流向，增大位于鹅舍下部位置鹅体周围的气流量，同时为了使舍内气流分布更均匀，结合卷膜安装角度与下拉最大高度两方面综合考虑，进一步改善鹅舍内通风效率，使种鹅表现出优良的生产性能，提高经济效益。

增添卷膜数量依据原构造及鹅舍长度决定，通过SPSS软件分析得到卷膜数量的增加与不均匀系数的结果呈现显著负相关，当舍内卷膜数量达到13个以后其舍内不均匀系数会随着卷膜数量的继续增加而减小，但减小程度微乎其微，无限逼近与0。从经济性方面分析，42 m长的鹅舍添加13个以上卷膜已无必要。本文中划分卷膜添加个数指标时最高设定为10个卷膜，主要原因从鹅舍原本构造角度出发，舍内纵向上均布10个主梁，在梁下更方便试验卷膜的安装，且明显增大舍内下方位置的通风量，降低了舍内不均匀系数，达到提高舍内有效的通风效率要求。

国外一些学者对畜禽舍内的空气流动情况进行三维模拟时将舍内动物等比例置于畜舍模型中[29-30]，本研究中由于鹅来回活动位置的不固定性不能将其简化为固定模型进行仿真模拟，故在仿真及试验中都未考虑鹅的存在，故尚需进一步研究由于鹅位置不固定所需的简化以及考虑鹅本身体热对内环境的影响，使得优化设计结果在生产中具有更广泛的实际应用价值。

6 结 论

1）通过实测、建立鹅舍三维模型及导入Fluent中仿真模拟，比较模拟结果与实测数据，各测点风速的均方根误差RMSE为0.152 m/s，最大绝对误差为0.29 m/s，平均相对误差为2.04 %，说明所建模型有效。

2）鹅舍内部主梁下端安装卷膜的结构优化，有效提高种鹅活动区域气流的均匀性和气流速度，较常规鹅舍相比，新型鹅舍平均风速增加0.527 m/s,舍内气流不均匀系数降低32.2%。该优化设计使得鹅体周围获得更大的气流且整个下方区域无气流死角区，给予鹅更好的生存环境。对于其他同类型的湿帘-风机常规畜禽舍，本研究的新型设计可提供一定参考。

[1] 崔著良，石少华. 各类鹅舍的建筑[J]. 养殖技术顾问，2008（9）：8－9. Cui Zhuliang, Shi Shaohua. Construction of various types of goose house[J]. Technical Advisor For Animal Husbandry, 2008, 9: 8－9. (in Chinese with English abstract)

[2] 孙永峰，隋玉健，林海涛. 影响夏季鹅舍潮湿的因素及应对措施[J]. 吉林畜牧兽医，2008(9)：31－32. Sun Yongfeng, Sui Yujian, Lin Haitao. The effect factors for damp environment of goose house and counter measure in summer[J]. Jilin Animal Husbandry and Veterinary Medicine, 2008(9): 31－32. (in Chinese with English abstract)

[3] 贺城，牛智有，齐德生. 猪舍温度场和气流场的CFD模拟比较分析[J]. 湖北农业科学，2010，49(1)：134－136. He Cheng, Niu Zhiyou, Qi Desheng. CFD simulation and comparative analysis about air temperature and airflow in the piggery[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2010, 49(1): 134－136. (in Chinese with English abstract)

[4] 王小超，陈昭辉，王美芝，等. 冬季猪舍热回收换气系统供暖的数值模拟[J]. 农业工程学报，2011，27(12)：22－233. Wang Xiaochao, Chen Zhaohui, Wang Meizhi, et al. Numerical simulation of heat supply for heat recovery ventilation system of piggery in winter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(12): 227－233. (in Chinese with English abstract)

[5] 颜培实，李如治. 家畜环境卫生学[M]. 北京：高等教育出版社，2011：50－52.

[6] Kim K S, Yoon J Y, Kwon H J, et al. 3-D CFD analysis of relative humidity distribution in greenhouse with a fog cooling system and refrigerative dehumidifiers[J]. Biosystems Engineering, 2008, 100(2): 245－255.

[7] Mostafa E, Lee I B, Song S H, et al. Computational fluid dynamics simulation of air temperature distribution inside broiler building fitted with duct ventilation system[J]. Biosystems Engineering, 2012, 112(4): 293－303.

[8] Franco A, Valera D L, Pena A, et al. Aerodynamics analysis and CFD simulation of several cellulose evaporative cooling pads used in Mediterranean greenhouse[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2011, 76(2): 218－230.

[9] 李永博，周伟，李鹏飞，等. 基于CFD模拟模型的温室温度场均匀性控制[J]. 农业机械学报，2012，43(4)：156－161. Li Yongbo, Zhou Wei, Li Pengfei, et al. Temperature homogeneity control of greenhouse based on CFD simulation model [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(4): 156－161. (in Chinese with English abstract)

[10] 程秀花，毛罕平，倪军. 基于CFD的自然通风玻璃温室湿热环境模拟与测试[J]. 扬州大学学报农业与生命科学版，2010，31(3)：90－94. Cheng Xiuhua, Mao Hanping, Ni Jun. Simulation and test of heat and humidity in natural ventilated glasshouse by CFD method[J]. Journal of Yangzhou University: Agricultural and Life Science Edition, 2010, 31(3): 90－94. (in Chinese with English abstract)

[11] 李文良，施正香，王朝元. 密闭式平养鸡舍纵向通风的数值模拟[J]. 中国农业大学学报，2007，12(6)：80－84. Li Wenliang, Shi Zhengxiang, Wang Chaoyuan. Numerical simulation of tunnel ventilation system of plane-raising enclosed henhouse[J]. Journal of China Agricultural University, 2007, 12(6): 80－84. (in Chinese with English abstract)

[12]贺城，牛智有，廖娜. 基于CFX的不同围栏高度猪舍内气流场模拟[J]. 湖北农业科学，2009，48(1)：214－217. He Cheng, NiuZhiyou, Liao Na. Airflow field simulation of different fence heights for piggery based on CFX[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2009, 48(1): 214－217. (in Chinese with English abstract)

[13] 佟国红，张国强，Morsing S，等. 猪舍内气流变化的模拟研究[J]. 沈阳农业大学学报，2007，38(3)：379－382. Tong Guohong, Zhang Guoqiang, Morsing S, et al. Airflow simulation in a scale model of the swine building[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2007, 38(3): 379－382. (in Chinese with English abstract)

[14] 邓书辉，施正香，李保明，等. 低屋面横向通风牛舍空气流场CFD模拟[J]. 农业工程学报，2014，30(6)：139－146. Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, et al. CFD simulation of airflow distribution in low profile cross ventilated dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 139－146. (in Chinese with English abstract)

[15] Bartzanas T, Kittas C, Sapounas A A, et al. Analysis of airflow throughexperimental rural buildings: Sensitivity to turbulence models[J]. Biosystems Engineering, 2007, 97(2): 229－239.

[16] Bjerg B, Svidt K, Zhang G, Morsing S, et al. Modeling of air inlets in CFD prediction of airflow in ventilated animal houses[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2002, 34(1/2/3): 223－235.

[17] Norton T, Grant J, Fallon R, et al. A computational fluid dynamics study of air mixing in anaturally ventilated livestock building with different porous eave opening conditions[J]. Biosystems Engineering, 2010, 106(2): 125－137.

[18] Blanes-Vidal V, Guijarro E, Balasch S, et al. Application of computational fluid dynamics to the prediction of airflow in a mechanically ventilated commercial poultry building[J], Biosystems Engineering, 2008, 100(1): 105－116.

[19] Kic P, Zajicek M. A numerical CFD method for the broiler house ventilation analysis[J]. Journal of Information Technology in Agriculture (JITAg), 2011, 4(1): 7.

[20] Mostafa E, Lee I B, Song S H, et al. Computational fluid dynamics simulation of air temperature distribution inside broiler building fitted with duct ventilation system[J]. Biosystems Engineering, 2012, 112(4): 293－303.

[21] Seo I, Lee I, Moon O, et al. Modelling of internal environmental conditions in a full-scale commercial pig house containing animals[J]. Biosystems Engineering, 2012, 111(1): 91－106.

[22] Zajicek M, Kic P. Improvement of the broiler house ventilation using the CFD simulation[C]// Estonian Research Institute of Agriculture: Proceedings of the International Scientific Conference Biosystems Engineering, Tartu, Estonia, 2012.

[23] 施振旦，麦燕隆，吴伟. 我国鹅舍建筑类型及配套设施的发展现状和趋势[J]. 中国家禽，2011，33(8)：1－4. Shi Zhendan, Man Yanlong, Wu Wei. Status and development of type and facility for goose house in China[J]. China Poultry, 2011, 33(8): 1－4. (in Chinese with English abstract)

[24] 王福军. 计算流体力学分析-CFD软件原理与应用[M]. 北 京：清华大学出版社，2004.

[25] Kittas C, Bartzanas T. Greenhouse microclimate and dehumidification effectiveness under different ventilator configurations[J]. Building and Environment, 2007, 42(10): 3774－3784.

[26] Limtrakarn W, Boonmongkol P, Chompupoung A, et al. Computational fluid dynamics modeling to improve natural flow rate and sweet pepper productivity in greenhouse[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2012, 4(1): 21－27.

[27] 赵荣义，范存养，薛殿华，等. 空气调节[M]. 第4版. 北京：中国建筑工业出版社，2009．

[28] 戴子淳，邵西兵，应诗家，等. 两种通风降温方式对鹅舍空气环境和反季节繁殖种蛋受精率的影响[J]. 中国家禽，2015，37(15)：50－53. Dai Zichun, Shao Xibing, Ying Shijia, et al. Effects of goose air environment and anti-season reproductive kind egg fertilization rate on two kinds of ventilation cooling ways[J]. China Poultry, 2015, 37(15): 50－53. (in Chinese with English abstract)

[29] Gebremedhin K G, Wu B. Simulation of flow field of a ventilated and occupied animal space with different inlet and outlet conditions[J]. Journal of Thermal Biology, 2005, 30(5): 343－353.

[30] Wu B, Gebremedhin K G. CFD development and simulation of flow fields in ventilated spaces with multiple occupants[J]. Transactons of the ASAE, 2001, 44(6): 1839－1850.

Structure optimization and validation of goose house ventilation system based on airflow field simulation by CFD

Yao Jiajun1, Guo Binbin1, Ding Weimin1※, Shao Xibing3, Shi Zhendan2

(1.210031,; 2.210014,; 3.213101,)

Goose is seasonal breeding animal, the goslings and adult geese supply show seasonal changes, so that the sale price of the geese is fluctuating. The out-of-season breeding technology was employed to balance annual goose production and achieve higher economic benefits by regulating the normal breeding of geese in the spring and summer of non-breeding season. This technique has been popularized in the last few years, however, the high temperature in the summer is adverse to the goose production in the process of out-of-season breeding. It is known that the quality of thermal environment and the concentration of harmful gases are important factors to the health of livestock. In order to reduce or eliminate adverse effects of heat stress and lack of water on the geese during the process of out-of-season breeding, the ventilation-cooling mode with fans and evaporative pad was employed in conventional goose house, while a large amount of airflow diffusion located in the upper part of the goose house due to that these airflow of small density flowed upward. The use of computational fluid dynamics (CFD) techniques to solve complex fluid problems has greatly increased in the last few years. In this study, the goose house with mechanical ventilation had a large number of airflow diffusion in the upper part of the goose house, this may cause a problem that the ventilation effect of the ground geese was obstructed. So a structure optimization scheme based on computational fluid dynamics (CFD) has been proposed, multiple stretching film structures were installed below the girders of goose house to change the airflow directions as well as to increase the airflow flux in the lower part of goose house around the geese. Based on that, the two factors of vertical angle between stretching film and girder, drop height of stretching film were investigated to obtain uniform airflow and higher ventilation efficiency in the goose house. A three-dimensional steady goose house model was developed by the field measured boundary conditions data. Comparison between simulations and measurements for the 40 test points of wind speed showed that the RMSE, maximum absolute error and average relative error was 0.152 m/s, 0.29 m/s and 2.04%, respectively. It proved that the CFD method is reliable to estimate the distribution of air velocity in the goose house. The validated CFD model was then used to get the optimal combination scheme of 27 different construction cases: In the 42-meter-long goose house, we find that when 10 roll films are installed in the shed, and the angle between roll film and the vertical direction of girder is 60°with maximum drop height of 1.2 meters, the ventilation in the shed has the highest efficiency and its air distribution is more homogeneous, and this simulation is concluded to be the optimal one.Through in-situ test, 40 points are compared before and after the transformation of the wind speed value, the average airflow velocity at the height of 0.5 meters above the ground is up to 1.01 m/s, and the average airflow velocity in the conventional goose house without film is only 0.483 m/s. The test results show that: after transforming averaged wind velocity increased by 0.527 m/s, and the airflow uniformity coefficient decreased by 32.2%, the structure of the film increases the airflow velocity in the lower position significantly. The results of this experiment provide a reference for structure optimization of similar poultry house, the internal environment regulation and the structure design of goose house.

computational fluid dynamics; optimization; flow fields; goose house; stretching film structure; ventilation effect; numerical simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.029

S219

A

1002-6819(2017)-03-0214-07

2016-06-19

2016-12-26

江苏省农业科技自主创新项目（CX（15）1008），国家现代农业产业体系项目（CARS-43-16）

姚家君，女，安徽六安人，主要从事农业生物环境与能源工程研究。南京南京农业大学工学院，210031。Email：1716021442@qq.com。

丁为民，男，安徽合肥人，教授，博士生导师，主要从事农业生物环境与能源工程研究。南京南京农业大学工学院，210031。 Email：wmding@njau.edu.cn

姚家君，郭彬彬，丁为民，邵西兵，施振旦.基于鹅舍气流场CFD模拟的通风系统结构优化与验证[J]. 农业工程学报，2017，33(3)：214－220. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.029 http://www.tcsae.org

Yao Jiajun, Guo Binbin, Ding Weimin, Shao Xibing, Shi Zhendan.Structure optimization and validation of goose house ventilation system based on airflow field simulation by CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 214－220. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.029 http://www.tcsae.org