基于CFD模拟的禽舍内气流组织方式优化

闫 安，石 岩，于伟洋

吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

通风系统的作用是减少禽舍中过高的温度,在禽舍中采用的传统的通风系统已表现出其保持舒适和均匀的热环境的困难性.如果设计或操作不当,在炎热的夏天由于产蛋鸡生存环境的恶劣条件下,蛋鸡产生热应激使产蛋率下降和母鸡死亡率增加,最终导致产蛋量下降的重大经济损失[1].气候变化可能会导致更极端的天气状况,例如高温和高降雨天气,这可能进一步加剧热应激问题.

在层状房屋中,室内微环境的均匀性是首要指标,但当空气沿建筑物长度方向流动时,现行传统通风方式自然会产生较大的室内温度梯度,较大的热环境梯度会导致不同水平面上的采食量、体重变化,甚至卵的大小不同,这是市场上不希望的[2].合理的冷却是应对热应激的有效解决方案,但对超高热负荷的禽舍,通常成本较高.因此需要一种新型通风方式,该方式具有经济可行、冷却合理的优点,可有效提供均匀的室内环境,从而减少蛋鸡热应激的发病率.

疾病爆发也是家禽业面临的严重威胁.20世纪90年代以后,先后爆发了11次禽流感[3],流感的快速传播部分是由于高致病性禽流感病毒可以通过气流在禽舍内甚至在农场之间传播[4]，家禽中普遍存在的呼吸道疾病也通过空气传播而在禽类中传染[5].空气传播的病原体在各层之间的传播，主要由室内气流驱动.目前的通风系统输送载有病原体的空气,其空气在排除之前是先通过位于不同区域的大量禽类,因此不适用于疾病控制.随着禽流感对家禽业的严重威胁,鸡舍需要新通风系统,以提供舒适、安全和均匀的室内环境.

因场地有限,故作为现场测量的替代方法,对层叠式粪肥房屋用计算流体动力学(CFD)进行模拟是预测动物房屋气流模式和热环境的有力工具[6].根据二维CFD模拟,通过打破传统向下气流交叉通风的气流方向,可以更好地实现通风和室内空气质量[7].但是,此模型未经验证,并且二维模型具有有限的能力来解释室内环境条件的三维分布.Tong,Hong & Zhao开发了一个完整的三维CFD模型,以模拟典型通风方式商业化层状粪肥房屋中的空气速度、温度和相对湿度的分布,并通过炎热和寒冷的天气条件下进行现场测量[8]对该模型进行验证.经过验证的CFD模型可用于研究蛋鸡舍的新通风方式.

本文旨在为禽舍设计一种新型夏季通风方式,并与传统通风方式做通风效率和热环境的比较分析,以评估其性能.新型通风方式可通过改善热环境来提高禽舍蛋鸡产蛋量和产蛋品质.

1 通风设计方案

本文模拟了某商业化禽舍传统的上送侧回通风方式,设计了该禽舍新的下送上排置换通风方式,并构建了该禽舍上述两种通风方式的CFD模型.基于CFD模拟结果,评估了下送上排置换通风方式的效果和热环境,并将其与禽舍的传统通风方式进行了比较.所用基本方程如下：

连续方程式：

(1)

动量方程式：

(2)

能量方程式：

(3)

式中，ui,uj(i,j=1,2,3)分别表示x,y,z坐标方向的流体流动速度，m/s；ρ是室内空气的密度，kg/m3；t是时间，s；p是压力，Pa；μ是动力粘度，Pa·s；cp是定压比热，J/(kg·℃)；T是温度，℃；λ是导热系数，w/(m·℃)；Fi是动量源项，N/m3；ST是能量源项，W/m3.

1.1 物理模型

本文模拟对象为135 m(L)×20 m(W)×7 m(H)的禽舍内环境.

1.2 气流组织方式

图1为禽舍内下送上排通风方式.在层状房屋中，底部设32个3 m(L)×3 m(W)进风口(每个进风口风速为2 m/s)并配备32个散流器,顶端墙壁上设三扇可排风的窗户.

图2为禽舍内上送侧回通风方式.在层状房屋中,顶端墙壁上安装了44台排风扇(直径为1.32 m、每个排风扇风速为2 m/s),侧面墙壁上设一扇可排风的窗户.

图1 禽舍内下送上排通风方式Fig.1 The pattern of the lower supply and upper exhaustventilation in the poultry house

图2 禽舍内上送侧回通风模式Fig.2 The pattern of the upper supply and sidereturn ventilation in the poultry house

1.3 CFD模型

对夏季上送侧回通风方式和下送上回通风方式的禽舍内气流、热环境构建CFD三维模型.

1.3.1 型号配置

用Gambit 2.2.30创建房屋的几何形状和网格,然后将其导入Fluent(美国宾夕法尼亚州ANSYS 16.0)进行CFD模拟.在网格划分过程中,将区域划分为有限体积的小六面体单元,这是针对同一房屋进行网格独立性测试中最佳网格在划分的尺寸[9].在每个单元格中,求解(RANS)方程的雷诺数,以解决质量、动量和能量守恒问题[10].使用重归一化(RNG)k-ε湍流模型确定湍流效应,因其在模拟通风动物房屋建筑中的气流和热条件方面具有良好的表现[11-13].

1.3.2 假设

屋顶及天花板与屋顶之间的空间不在计算范围内,这是因为它们对于确定室内气流模式和室内环境不是至关重要的因素.流体被认为是空气和水蒸气的混合物,并被认为是不可压缩的理想气体,其中气相的密度仅取决于温度，不包括化学反应及相变.基于假设它们对气流的影响可以忽略不计,建筑物中的较小障碍物(如支线、立柱和管道)也未包括在模型中.

1.3.3 边界条件

本文模拟夏季上送风侧回风系统送风方式的一个方案及夏季的下送风上回风置换通风系统的一个方案,见表1.

表1 模拟案例Table 1 Simulation cases

2 模拟讨论

模拟结果包括通风效率(空气速度)和热环境(空气温度)的三维分布.在夏季条件下,上送风侧回风系统和下送风上回风禽舍的房屋模型.

2.1 常规气流组织方式与优化后气流组织方式的效果比较(优化模式的结果分析)

图3显示了夏季用上送侧回通风方式层状房屋的速度场和排风扇由上至下其中一列禽舍的速度场, 在该通道中,上送侧回进入房屋后的空气主要沿建筑物长度水平方向流向侧壁上的排风口.空气速度由入口附近的0.2 m/s～0.5 m/s显著增至出口附近的1.74 m/s～3.48 m/s,导致室内空气速度分布显著的不均匀.在水平气流作用下,笼子与笼子之间的空气交换非常重要,在相比之下,采用置换通风方式空气主要在过道中向上流至天花板出口处,这样既可保持均匀通风,又可使气流流经路程最小.

图4显示了夏季用下送上回通风方式空气速度由入口附近的0.7 m/s～0.8 m/s增至出口附近的1.30 m/s～2.09 m/s.优化后的通风方式具有经济上可行、合理的冷却系统,可有效提供均匀的室内环境,从而减少蛋鸡热应激的发病率.

图3 上送侧回通风方式下禽舍内风速场Fig.3 The velocity field under the pattern of the upper supply and side return ventilation in the poultry house

图4 下送上排通风方式下禽舍内风速场Fig.4 The velocity field under the pattern of the lower supply and upper exhaust ventilation in the poultry house

2.2 上送侧回通风方式的热环境

图5给出了夏季上送侧回通风方式中室内空气温度场.在夏季条件下,上送侧回通风方式在建筑物长度方向上远离出风口处的空气温度升高,接近出风口处的温度下降,在靠近墙壁的大多数笼子中观察到空气温度高于30.0 ℃.整体温度分布很不均匀,可以看到送风口的温度偏低,这是气流没有得到很好的扩散.

图6给出了夏季优化后的通风方式即下送上排通风方式下室内空气温度分布.因为气流流经的路程变小,由进口温度到出口温度,温差很小,整体温度分布很均匀,无较大温度梯度.

图5 上送侧回通风方式下禽舍内温度场Fig.5 The temperature field under the pattern of the upper supply and side return ventilation in the poultry house

图6 下送上排通风方式下禽舍内温度场Fig.6 The temperature field under the pattern of the lower supply and upper exhaust ventilation in the poultry house

3 结论

根据夏季传统通风方式即上送侧回通风方式速度场和温度场的CFD仿真模拟结果可知,夏季送风速度分布和温度分布很不均匀,仅从一列禽舍笼子的速度场便可观察到,顶部的送风速度明显大于底部的送风速度;由整体速度场可以观察到,室内内侧的送风速度明显小于出口的送风速度.由温度场可以观察到,室内内侧的温度明显高于出口处温度,这种室内速度和温度分布的不均匀性导致了室内空气的不流通性,从而使其内部鸡的热应激患病率明显增高.相对于优化后的通风方式即下送上排通风方式缩短了气流流经路径,且送风口排列紧密,从根本上改善了传统通风方式下温度场速度场的不均匀性,降低了鸡的热应激患病率.