阶梯笼雏鸡舍热水散热风机进风角度CFD模拟与效果测试分析

2022-01-25董耀宗潘云霞关正军

东北农业大学学报 2022年2期

董耀宗，潘云霞，关正军

（西南大学工程技术学院，重庆 400715）

雏鸡由于体温调节机制未发育完善，对环境温度尤为敏感[1]。长期处于不适温度下，雏鸡生长缓慢，易出现行为和生理障碍，对新事物有更强的恐惧反应[2-3]。因此，鸡舍内适宜温度对雏鸡健康至关重要[4]。研究表明，鸡舍内进风口进风角度对夏秋季舍内温度有显著影响。江晓明等发现在春季和秋季适度增大密闭阶梯式鸡舍进风角度，会提高气流均匀性和养殖区降温效果[5]；李文良等认为增大侧窗风门开启角度可提高夏季密闭平养式鸡舍气流分布均匀性[6]。但对于密闭阶梯式笼养育雏鸡舍，尚未见冬季供暖进风口进风角度对舍内温度和气流方面影响研究。同时，动物生长情况和健康状况平是决定养殖收益重要因素[7]，目前国内外对禽舍通风环控系统研究中，大多针对禽舍环境影响[8-9]，进风角度对禽类个体生长发育、健康状况等影响关注较少。

在北方集约化育雏鸡舍中，集体供暖的热水散热风机系统可综合调控鸡舍供暖和通风换气而应用广泛[10]。但实际生产中，热水散热风机百叶窗开启角度多凭经验确定，供暖进风角度对舍内供暖效果影响研究较少。基于计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）的数值模拟可直观反映禽舍内温度和气流空间分布变化[11]，成为研究禽舍环境有效方法[12-13]。Kic等对夏季和冬季肉鸡舍内通风作CFD模拟，发现模拟温度分布与实测值拟合良好[14]。Zajicek等利用CFD优化肉鸡舍通风设计，认为采用CFD模拟技术优化现有禽舍气流和温度分布可行[15]。为此，本研究利用CFD技术研究热水散热风机供暖进风角度对阶梯式育雏鸡舍温度和气流影响，确定满足雏鸡生长要求适宜进风角度，并通过实测值验证，在此基础上，研究供暖进风角度优化前后对雏鸡生长性能、行为、精神和健康状况影响，为育雏鸡舍高效环控和雏鸡健康养殖提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于河南省温县诚鑫禽业阶梯式笼养育雏蛋鸡场（34°55′8′′N，112°57′56′′E）开展，舍内饲养20 000只2～3周龄海兰褐蛋雏鸡，平均质量约200 g·只-1，鸡舍主体结构参数及设备尺寸见表1。

表1 鸡舍主体结构参数及设备尺寸Table 1 Parameters of main structure and equipment size of chicken house

鸡舍纵向为东西方向排列，山墙采用240 mm厚烧结砖，屋面及纵墙采用80 mm厚彩钢聚苯乙烯夹芯板。鸡笼为3列4层阶梯式，首个鸡笼距前端山墙3.3 m，最底层鸡笼距粪道高0.6 m。鸡舍内设置4条过道，每条过道宽1.3 m。热水散热风机沿鸡舍纵向交错布置，两侧各7台（功率180 W，散热量2.4×104kcal，青岛久恒调温科技有限公司），鸡舍内外通过侧窗交换气流（见图1b）。

1.2 试验方法

由于热水散热风机布置点较低，气流在鸡舍下层波动较大，上部气流较平稳，为便于测量记录，减小试验误差，在3列鸡笼最底层布设36个风速测点，在距过道地面高度0.2 m和1.6 m两个水平面内沿过道纵向与横向均布40个温度测点（见图1a），温度和风速分别采用温度记录仪和热线式风速仪测定，每个测点测定3次，每次间隔15 s，取平均值。实地测量7 d，选择每日12:00～14:00测量，此时气温较稳定，且雏鸡采食完成，走动少，相对安静。测量时提前开启热水散热风机供暖系统，关闭舍门运行15 min，至舍内空气稳定后开始测量温度及风速。

图1 育雏鸡舍三维示意图Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of brooding chicken house

以45°供暖进风角度条件下1周龄海兰褐蛋雏鸡为试验组（AO），37.5°供暖进风角度条件下1周龄海兰褐蛋雏鸡为对照组。两组雏鸡为同批次引进，由沈阳华美畜禽有限公司提供，饲养在结构、尺寸及设备等相同育雏鸡舍中，相关免疫程序按照沈阳华美畜禽有限公司育雏鸡免疫规范实行，日常饲养程序相同，定期开展卫生清理和消毒。两组各选取8个区域，共48笼480只初始体重及健康状况无差异雏鸡开展试验，持续4个饲养周，分别通过生长性能、行为、精神和健康状况4个方面研究雏鸡生长情况，每个饲养周雏鸡生长性能采用饲料消耗量、增重量及料肉比（Feed conversion ratio，FCR）评价，行为以雏鸡摄食和饮水行为发生次数评价[16]，精神状况以新奇物测试试验（Novel object test，NOT）评价，具体测试方法与文献[17]一致；健康状况以精神委顿（垂头缩颈、翅翼下垂）和糊肛雏鸡只数评价。数据记录使用Excel 2019，显著性检验使用SPSS 24.0，0.01＜P＜0.05表示差异性显著，P＜0.01表示差异性极显著。

2 CFD建模与仿真

为模拟空气流经鸡笼时压力损失与气流速度间关系，将鸡笼简化为多孔介质，模型如式（1）：

式中，ΔPi为i方向单位长度压力损失项（kg·m-2·s-2）；μ为空气动力粘度（kg·m-1·s-1）；D为粘性阻力系数；C为惯性阻力系数；vj为第j个方向气流速度（m·s-1）；ρ为空气密度（kg·m-3）；|v|为气流速度（m·s-1）。

由于腿部、鸡冠和尾部体积小，对气流阻力影响小，故将其忽略，建立鸡体简化模型如图2所示。按照1∶1比例对鸡笼建模，利用虚拟风洞试验模拟计算各向阻力系数[18-19]。由于鸡只分布影响阻力系数，考虑鸡争斗性及对食物倾向性，将雏鸡按照5只靠近食槽，5只随机方式分布。根据Fluent结果拟合三轴方向上不同风速与单位长度静压降间方程，并结合式（1）求得在ρ为1.173 kg·m-3时三轴方向上阻力特性曲线方程为：ΔPx=167322.3v+0.371v2、ΔPy=145698.4v+0.637v2和ΔPz=129677.3v+0.736v2。多孔介质鸡笼区域热产生速率（Heat generation rate）由雏鸡显热量决定。雏鸡显热计算公式见式（2）和（3）[20]。

图2 雏鸡简图Fig.2 Simplification of brooding chicken

式中，Φ为显热产量（W）；W为雏鸡体重（kg）；Ta为环境温度（℃）；ka为空气热导率（W·m-1·k-1）；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数（W·m-1·K-4）；Gγ为格拉斯霍夫数，无量纲；α为空气体积热膨胀系数（k-1）；g为重力加速度（m·s-2）；ρ为空气密度（kg·m-3）；μ为空气动力粘度（kg·m-1·s-1）。

经计算单位千克雏鸡显热产量为11.25 W，20 000只平均质量200 g雏鸡总显热产量为45 000 W，多孔介质鸡笼区域体积为236.7 m2，热产生速率为190.1 W·m-3。

对模型作简化处理：①忽略通过窗户进入舍内太阳辐射及房屋上部轻钢结构、料槽和自动喂料机等设备对气流影响；②将热水散热风机简化为0.36 m2矩形面，并假设进风口气流速度和方向保持不变；③舍内气体在流动过程中不可压缩。在笛卡尔坐标系中按照与实测鸡舍1∶1建立鸡舍全尺寸模型，X方向取值范围0～12 m，Y方向取值范围0～62 m，Z方向取值范围-0.4～4.2 m。热水散热风机进风口设为速度入口（Velocity inlet），侧窗出风口设为压力出口（Pressure outlet），屋顶和四周围护及地面均设为无滑移壁面（Wall），热力学边界设置为温度边界条件。此外，在屋顶、四周围护和地面长度方向上选取10个等分点测定温度，14台热水散热风机进风口测定温度和风速，取平均值为最终值。边界条件参数值均由实测所得，模拟参数具体设置如表2所示。

表2 模拟参数Table 2 Parameters of simulation

模型以结构化网格离散，参考Küçüktopcu等提出的建筑体积与网格数目关系[21]，经网格无关性验证后确定网格数量为1 066 020个。选用精度较高的重整化群RNGk-ε湍流模型[22-23]，空气设置为不可压缩理想气体。控制方程采用基于有限体积的离散方法，压力-速度耦合选用SⅠMPLE算法，动量和湍流动能选用二阶迎风格式。监测垂直于进风口某一竖直面及某一高度水平面温度和风速面加权平均值，直至温度和风速监测曲线平稳，认为模拟收敛，停止计算。

3 结果与分析

3.1 不同供暖进风角度对鸡舍气流分布影响

图3为热水散热风机不同供暖进风角度下鸡笼内气流速度分布云图。由图3可知，当供暖进风角度由30°增至60°时，第1、2和3列鸡笼Z1区域内平均风速分别由0.14、0.11和0.19 m·s-1逐渐增至0.28、0.27和0.29 m·s-1，而3列鸡笼Z2区域内平均风速波动范围较小，为0.03～0.09 m·s-1，说明鸡舍垂直方向上鸡笼内气流分层明显，一方面是由于热水散热风机布置于鸡舍两侧过道，位置较低，高速气流射入粪道后上升进入鸡笼底层，上升气流受鸡群阻碍导致上层风速降低；另一方面，由于冬季侧窗导流板开启角度较小，垂直面上升气流于屋顶处形成射流后向侧窗运动[6]，导致鸡舍上层气流运动减缓。因此，供暖进风角度对位于鸡舍下部鸡笼区域Z1（Z＜0.55 m）内气流速度影响较大，而对位于鸡舍上部鸡笼区域Z2（Z＞0.55 m）内气流速度影响较小。鸡笼底层气流速度增加有利于加快鸡舍升温速率，可及时清除鸡舍粪道内有害气体，保证鸡只健康。此外，随供暖进风角度增加，第1列和第3列鸡笼Z2区域内气流速度差异较小；但当进风角度为30°和37.5°时，第2列鸡笼Z2区域内气流速度明显小于其他两列，因气流在鸡舍上层汇流后向侧窗运动；当进风角度增至45°和60°时，由于第1、3列鸡笼底层部分气流在第2列鸡笼下层汇流并上升，3列鸡笼Z2区域内气流速度趋于一致。由此可见，增大供暖进风角度有利于提高3列鸡笼间气流均匀性。因此，从鸡舍内气流分布看，45°和60°为适宜供暖进风角度。

图3 不同进风角度下鸡笼内气流速度云图（Z1＜0.55 m；Z2＞0.55 m）Fig.3 Distribution of air speed for different air inlet angles at coops(Z1＜0.55 m;Z2＞0.55 m)

3.2 不同供暖进风角度对鸡舍温度分布影响

图4 显示热水散热风机不同供暖进风角度对鸡笼不同高度Plane1、Plane2和Plane3温度分布影响。由图4可知，鸡笼3个高度平面Plane1、Plane2和Plane3温度均随供暖进风角度增大而增加，且由于热气流向上运动并汇聚，在3个鸡笼高度平面中，Plane1温度最低，Plane3温度最高。当供暖进风角度由30°到45°时，3个高度平面温度差异逐渐减小，最大平均温差由0.83℃降至0.65℃，但当进风角度为60°时，最大平均温差增至0.91℃。因此，供暖进风角度过小或过大，均导致鸡笼不同高度平面温度分布不均。当供暖进风角度为45°时，鸡笼沿高度方向温度分布更均匀。

图4 不同进风角度下Plane1、Plane2和Plane3温度云图Fig.4 Distribution of temperature contour at plane1,Plane2 and Plane3 for different air inlet angles

表3显示，鸡舍内3列鸡笼平均温度均随供暖进风角度增大而略增加。对于不同供暖进风角度，受鸡舍上层高温气流向侧窗运动影响，第1列和第3列鸡笼平均温度均略高于第2列。当供暖进风角度由30°增至45°时，3列鸡笼间平均温差由0.47℃降至0.36℃，当进风角度增至60°时，3列鸡笼间平均温差增至0.61℃。由此可见，当供暖进风角度为45°时，3列鸡笼间温度分布更均匀，满足雏鸡生长要求。

表3 不同进风角度对各列鸡笼平均温度的影响Table 3 Effects of different air inlet angles on average temperature of different coops (℃)

3.3 模型验证

将45°进风角度下气流速度和温度模拟值与实测值作对比，结果见图5，气流速度和温度均方根误差分别为0.08 m·s-1和0.49℃，平均相对误差分别为15.9%和1.5%，说明数值模拟与现场实测吻合度较好，可基于此模型对比供暖进风角度优化前后雏鸡生长情况。

图5 模拟值与实测值结果对比Fig.5 Comparison of measured and simulated values at each measurement points

3.4 供暖进风角度对雏鸡生长性能影响

表4反映雏鸡在不同饲养周时生长状况。由表4可知，随雏鸡饲养周增加，试验组和对照组雏鸡饲料消耗量和增重量均增加，且试验组雏鸡增重量均高于对照组。在第3个饲养周，两组雏鸡平均增重量差异极显著（P＜0.01），试验组较对照增加7.1 g，经4个饲养周，试验组雏鸡最终体重较对照组增加5.3%。料肉比反映雏鸡增加单位体重所消耗饲料量，该值越低，说明雏鸡饲养时饲料量少但体重增加较多。在雏鸡饲养过程中，料肉比随雏鸡生长呈增大趋势，这与张雅岚[24]等研究结果一致。试验组料肉比低于对照组（见表4），4个饲养周结束时，试验组料肉比较对照降低3.9%，说明试验组鸡笼温度较对照组更适宜雏鸡生长。研究表明，当鸡舍温度低于适宜温度时，雏鸡将部分从饲料中摄取的能量用于维持体温[1]。在养禽业中，饲料成本占生产总成本60%～70%，通过优化供暖进风角度，可降低雏鸡料肉比，对降低养鸡场生产成本具有重要价值。

表4 不同饲养周试验组和对照组雏鸡生长性能（**P＜0.01）Table 4 Growth performance of brooding chicken kept on two different groups of different feeding weeks(**P＜0.01)

3.5 供暖进风角度对雏鸡摄食和饮水行为影响

图6显示8个选区不同饲养周雏鸡0.5 h状况。随雏鸡饲养周增加，两组处理出现摄食行为雏鸡只数增加，出现饮水行为雏鸡只数变化小。在4个饲养周内，试验组和对照组雏鸡摄食和饮水行为均无明显差异，表明调整供暖进风角度对雏鸡摄食和饮水行为影响较小。

图6 不同饲养周雏鸡摄食和饮水行为Fig.6 Eating and water-drinking behavior of brooding chicken in different feeding weeks

3.6 供暖进风角度对雏鸡精神状况影响

NOT试验是通过一个未知物体，观察雏鸡反应评价家禽精神状况。图7a显示，随雏鸡只饲养增加，8个选区新物体周围雏鸡只数逐渐增加。一方面雏鸡逐渐发育完全，对新物体恐惧反应减弱，另一方面雏鸡体重随日龄增长而增加，活动量相对减少，导致新物体周围雏鸡数量增多[17]。在第1饲养周，试验组和对照组雏鸡在新物体周围数量分别仅有24和20只，明显少于其他饲养周，这与Adler等研究结果一致[17]。在第2饲养周，8个选区试验组雏鸡在新物体周围数量为51只，对照组仅40只，两组雏鸡在新物体周围数量差异显著（P＜0.05，见图7b），证明试验组雏鸡较对照组对新物体恐惧更小，精神状态更好。在第3和第4饲养周，两组雏鸡在新物体周围数量差异不显著（P＞0.05）。由此可见，调整供暖进风角度至45°有利于减轻3周龄内雏鸡对新物体恐惧反应，改善雏鸡精神状态。

图7 不同饲养周雏鸡NOT结果Fig.7 NOT results in different feeding weeks of brooding chickens

3.7 供暖进风角度对雏鸡健康状况影响

图8 反映雏鸡在不同饲养周健康状况。随饲养周增加，两处理组出现精神委顿症状雏鸡只数逐渐减少。由图8a可知，第1周和第2周试验组出现精神委顿症状雏鸡只数显著少于对照组（P＜0.05），第3周和第4周两组雏鸡无明显差异。精神委顿是雏鸡感染流感病毒和继发病后常见症状，而温度是影响流感病毒传播重要因素之一，温度低时感染风险更高[25]。此外雏鸡对温度要求较高且抵抗力较差，平均温度较高试验组减少雏鸡感染病毒几率。试验组和对照组雏鸡仅第1周和第2周出现粪便糊肛现象（见图8b），且数量较少，两组间无明显差异。由此可见，调整供暖进风角度至45°可改善雏鸡精神委顿状况。