畜禽车厢体内温度和流场数值CFD模拟及验证

苗永存 马嘉楠 蒋春玲 王镇江 傅爱军

摘要：为研究畜禽运输车厢体内环境的分布情况以及对温度场进行评估，利用计算流体力学（CFD）的方法，模拟出在空载及满载条件下内气流流场和温度场的分布情况，同时根据空载模拟结果提出优化方案并模拟。测量与分析厢体内关键位置的温度和风速，并与模拟值比较。结果表明：模拟空载时模拟值与测量值最大绝对误差1.7℃，模拟得到厢体的温度分布变化情况和测量值所得结果一致，风速值相对误差范围在3%以下的有22个点。优化后厢体内温度均匀度改善明显，温度变化幅度小；满载时，温度分布与空载相似，但整体温度有些许上升。验证CFD模型的正确性，为优化提供可靠基础。

关键词：畜禽运输车；计算流体力学；温度场；气流流场

中图分类号：U463.84

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2024） 05-0085-07

收稿日期：2022年8月8日  修回日期：2023年3月3日*基金项目：柳州市科技计划项目（2021AAA0115）

第一作者：苗永存，男，1993年生，安徽亳州人，硕士研究生；研究方向为计算流体力学。E-mail： myc202032657@sina.com

通訊作者：傅爱军，男，1972年生，江西新干人，教授，硕导；研究方向为汽车结构优化。E-mail： 2394523982@qq.com

CFD simulation and verification of internal temperature and flow field value

in livestock and poultry carriage

Miao Yongcun1， Ma Jianan1， Jiang Chunling2， Wang Zhenjiang1， Fu Aijun1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou，

545000， China； 2. Sinotruk Liuzhou Transport Capacity Special Vehicle Co.， Ltd.， Liuzhou， 545000， China）

Abstract：

In order to study the distribution of the internal environment in the livestock and poultry transport carriage and to evaluate the temperature field， the distribution of the fluid flow field and the temperature field are simulated by computational fluid mechanics （CFD） under no-load and full-load conditions， and the optimization scheme is proposed and simulated according to the no-load simulation results. The temperature and wind speed of the key positions in the compartment were measured and analyzed， and compared with the simulated values. The results showed that the maximum absolute error of the simulated value was 1.7℃. The results of the change of the temperature distribution and the measured value were consistent. There were 22 points with the relative error range of wind speed values below 3%. The temperature uniformity in the optimized compartment improved significantly， and the temperature change amplitude was small. At full load， the temperature distribution was similar to that of no-load， but the overall temperature increased slightly. The correctness of the CFD model is verified to provide a reliable basis for the optimization.

Keywords：

livestock and poultry transport vehicles; calculating fluid dynamics; temperature field; air flow field

0 引言

近年来，随着国民生活水平的不断提高，导致国民对生猪肉的需求数量增多，然而国内生猪养殖业分布不均匀［1］，目前国内市场上普遍使用露天型栅栏运输车运输活猪，但是由于栅栏运输车在运输活猪的过程中极易产生环境污染和疾病的传播，易造成经济损失［2］。为了克服栅栏运输车的不足，减少不必要的运输风险，部分专用车厂提出设计一款恒温封闭式厢体的活猪运输车，类似一移动“猪舍”。以类似封闭式厢体中运输活猪，由于活猪抵御厢体内的环境能力有限，在运输的过程中难免会出现应激反应［3］。如何避免活猪出现的应激反应，改善厢体内的运输环境，保证活猪在运输过程中的质量，一直都是部分专用车厂关注的焦点。传统的实际测量花费大、受实际气候条件不稳定以及试验上可能存在误差的局限，由于计算流体力学（CFD）的发展，弥补了实地测量的不足。

目前，国内外对此类活禽运输车封闭式厢体内环境研究成果较少，能借鉴的非常有限。国内外多数研究人员对固定猪舍研究成果较多。Harral等［4］运用计算流体力学软件仿真分析空载时畜禽舍内的气流组织情况，研究结果表明湍流模型是可以运用在湍流动能的模拟中。Seo等［5］采用三维稳态模拟满载情况下猪舍内温度场和气流场的分布情况，结果表明进风口越小，舍内温度分布越均匀。Mazi等［6］采用二维CFD模型模拟最小进风速度和进风面积的情况下，猪舍内氨气浓度和气流的分布，呈现结果是模拟值与实测值差异不大，表明CFD模型是评估猪舍内气流组织分布情况的一种有效方法。王小超等［7］采用k-ε模型对空载猪舍内的温度分布和气流进行三维稳态的数值模拟，得到模拟值与实测值吻合度较高。

本文针对某款畜禽运输车厢体内的气流场和温度场的分布进行模拟研究，在空载机械强制通风厢体内的条件下模拟厢体内的环境情况，并将模拟值与实测值进行较，以验证所建物理模型的正确性，为改善厢体内温度均匀度提供可靠依据。

1 研究对象和方法

1.1 畜禽运输车厢体介绍

本研究对象是广西壮族自治区柳州市一专用车厂开发設计的一款封闭式畜禽运输车，如图1所示。该车主要由冷热交换室与厢体组成，该畜禽运输车厢体长宽高尺寸为9350mm×2440mm×2570mm，厢体采用全铝合金制作。

厢体内部被分三层，每层又被分为左右限位栏，如图2所示。靠近冷热交换室一壁面共有9个尺寸完全相同圆形冷风进风口，如图3所示，尺寸为D=316mm，平均每层水平方向分布三个进风口，凉爽的冷风在冷热交换室里倍压的作用下，由进风口被吹入厢体内。其中位于每层中间进风口由于设计上结构的影响，冷热交换室里凉爽的空气由进风口直接进入厢体内部。与其余6个进风口送风方式不相同，如图4所示。冷风由1、2、3、7、8、9号进风口进入送风管道，再由送风管道上分布的圆孔（尺寸D=40mm）进入不同的限位栏处。每层有8个限位栏，左右两侧各分布4个，共计24个限位栏，每个限位栏预计装载3～5头种猪。在靠近尾端的左右两侧壁面上分别在每一层的位置上有个出风口，共计6个出风口，出风口尺寸D=265mm。

1.2 现场测量

种猪在炎热的条件下极容易出现应激现象，导致对疾病的抵抗能力下降，活猪可以接受的环境温度为25℃～38℃［8］。实测试验空载畜禽车厢体内温度时间为2021年9月3日，选择在全天气温最稳定的时间段12：00～14：00。采用测量仪器主要有：小米室内高精度温湿度计24个（温度量程-9.9℃～50℃，精度为0.1℃，湿度量程0～99.9% RH，精度为0.1RC）；德图高精度热敏风速仪（Testo 405i，量程为0～30 m/s，精度0.1 m/s）；优利德蓝牙风速仪9个（量程为0～30 m/s，精度为0.1 m/s，精度为0.1 m/s）。试验测试点为每层每个限位栏中间且在同一水平面上位置上，三层测点依次距第一层地板高度H=260 mm、H=1 050 mm、H=1 850 mm处，如图5所示。某层有8个测试点（三层共有24个测试点），每个测试点每个1min采集1次实测温度值，分3次采集，最后每个测试点取3次测试平均值。进风口处采用德图高精度热敏风速仪测量3次取平均值，进风速度值和进风温度值作为边界条件。6个壁面温度值由德力西红外线测温仪测量得到。

2 CFD模型

根据实物的具体结构，首先运用UG将畜禽运输车厢体三维模型搭建完毕，其次采用ANSA21.0.1软件和STAR CCM+ 15.02.007-R8软件，前者用于进行前处理以及面网格的生成，处理一些不参与计算的部分（冷热交换室、液压升降尾板）、螺栓、运动副、加强筋，后者将用于流体的仿真计算，其中厢体内每个限位栏的大小尺寸长×宽为2025mm×1220mm，栏高810mm。得到模型如图6所示。

2.2 物理模型建立

满载时，由于厢体内的主要热量来源为种猪，因此种猪在模拟中是作为热源存在［10］，种猪的几何模型关系到整个仿真的正确性。由于种猪的外形是不规则形状，如果按照种猪的原始外形建立几何模型将增加建模难度，降低后期的面网格和体网格的质量，增加计算时间，所以为了避免以上不足又能保证计算的准确性，将种猪以长方体代替［11］，如图7所示同一限位栏中长方体间距为330mm。

2.3 网格划分

基于STAR CCM+软件的重叠网格技术对畜禽运输车封闭式厢体进行内流场的仿真分析，由于通风管道的网格质量对整个仿真分析的影响较大，同时考虑到仿真计算的精确性和效率，因此会对每一层的通风管道的网格进行加密处理并且会增加选择棱柱层网格模型。在进风口、每一层通风管道的网格进行加密处理之后，最终生成体网格单元1 460万，970万面网格，1 860万个节点，如图8所示。

2.4 边界条件的设置

2.4.1 模型状态的选择

在本模拟中，由于在实地测试的时间中环境温度基本保持不变，冷热交换室中的风机持续稳定运转，所以可以认为畜禽运输车厢体内的环境是稳态环境，故选择稳态模拟作为本次模拟状态。

2.4.2 流体初始条件

9个进风口设置为速度入口（velocity inlet），6个出风口设置为压力出口（pressure outlet），其余面设置为无滑移的壁面（wall），其中在外部6个面中，底面设置成绝热状态，对流系数根据设计手册［12］5个面取为5W/（m2·k），大气压强作为静压强［13］，导入物理模型之后，重力方向为-y方向，因此在设置初始条件时设重力是9，81m/s2，初始条件的参数通过在厢体空载时实际测量得到如表1所示。

2.4.3 湍流模型的选择

为了判断流体的运动状态引入雷诺数Re，其表达式为Re=ρvdμ，其中ρ表示流体的密度，v表示流体的流速，μ表示流体的动力黏度，d表示特征长度。当Re≤2 300时，流体的流动状态判定为层流；Re>4 000时，流体的流动状态判定为湍流；当2 300

2.4.4 猪的边界条件

种猪被设置成无滑移壁面［14］，由于种猪作为厢体内的唯一热源，386.5 W/头，忽略种猪的辐射热，密度为1100kg/m3，比热为3500J/（kg·K）［15］。

2.5 温度场均匀性指标

温度是畜禽运输车在运输活禽的过程中最值得关注的参数。从该畜禽运输车封闭厢体内部结构可知，由于厢体的内部结构布置较为复杂，导致厢体内部的前端、后端温度有差异，每一层之间的温度分布也有差异，因此单纯地使用某一温度值来评估或表征封闭厢体内部的温度是不准确的，必须引入能够评价封闭厢体内部不同位置温度指标。本文在研究分析的基础上引入温度场均匀性指标，该指标的作用是表征封闭厢体内部不同位置气流温度分布情况，合理地提出优化方案。该温度场均匀性包括的含义：成年种猪高度平面温度场的均匀性。

3 模拟结果与讨论

3.1 空载厢体模拟

3.1.1 风速场

由于厢体内结构的原因导致冷风在厢体内的第一、二栏处呈现平行于平板流动，在每层下部的风速较低，约为0.5～1.0m/s。靠近上部区域风速较高，约为2.5～4.5m/s。厢体内前端风速高于后端风速，仅在靠近进风口的地方风速最大，约为4～5m/s。由于隔板的阻碍导致风速降低，在每层第二栏位置上气流出现回流现象。当空气到达厢体后端时，撞击厢体尾门，气流呈现出涡流或者回流现象，最终由出风口流出厢体（图9）。

3.1.2 温度场

在厢体内取三个不同高度的截面，温度场的模拟结果如图10所示。

从图10可以看出，在三个不同高度的截面中靠近前端进风口的截面位置处温度分布比较均匀，且温度范围变化小，温度值在16℃～19℃。厢体内后端远离进风口的位置处温度略有偏高，温度值在21℃～25℃。厢体内结构复杂，前期由于栅栏的阻碍导致厢体后端几乎无冷风流入或冷风吹入量很少，后期由于从前端向后端吹入的空气已经在厢体前端进行充分的冷热交换的过程，使得空气进入后端时已经没有可进行冷热交换的能力。不同高度的截面上温度所呈现出温度分布规律与理论上相同，保持着厢体内高度越高温度越高，因为温度越高的气体密度越小，所以厢体内温度较高的气体都向上流动。

3.1.3 实测验证

1） 温度场验证。由图11（a）可知，模拟值与实测值最大绝对误差是1.7℃，相对误差为1.4%。因为依次的每八个点为一层测点，在图中可知同一个限位栏的左右侧温度相近。从厢体前端到后端温度逐渐升高，且高温主要集中在厢体内每一层的尾端。从整体看温度场吻合度较高，为优化分析提供依据。

2） 风速场验证。图11（b）是实测点与模拟风场相对位置的风速比较。三层中实测点共有24个点，在模拟值中取对应点的模拟值进行比较，比较后发现，模拟值与实测值的误差范围很小，风速值相对误差范围在3%的有22个点，个别点误差偏大，主要原因可能有两方面原因：湍流模型模拟流场时存在一定的偏差；测量环境与模拟环境存在差异。但总体上，实测值与模拟值吻合度较高，可以用于满载条件下的分析。

3.2 改变风道出风圆孔数量及大小对其流场分布的影响

通过观察原模型模拟气流场结果发现，在厢體内的后端几乎没有凉爽的空气存在，因此需要增加厢体内后端的风量，进而保证换热降温。通风道尺寸大小保持不变，每层第一、二栏位置上方取消通风圆孔，其余栏位圆孔尺寸由D=40mm改为D=60mm，通风圆孔总面积不变。计算得每层一侧有30个通风圆孔，共有180个。模型的边界条件等设置与之前相同，模拟如图12所示。与原始模型模拟结果对比发现，凉爽冷风气由进风口、通风管道进入厢体，当受到尾门的阻碍时会发生回流现象，回流现象较原始模型明显，其主要是因为风道上圆孔的改变箱体后端风量增多。同时由于风量的持续增多以及厢体内限位栏活动门的阻碍，在厢体后端也出现较为明显的气流漩涡。在回流的过程时，由于空气持续进入厢体，也会阻碍空气回流，导致回流的风量较少，并没有再次进行换热效果，为后期再次增加换热过程提供参考。

从方案中结果可得，在Z方向取三个截面，温度云图结果（图13）表明，温度变化幅度较原始模型模拟结果小，最高温度23.5℃，均匀度提高明显。厢体内位于第一、二、三栏区域的温度值较原始模型模拟结果有所降低，温度较高区域面积减少，主要是因为风道上的圆孔大小和数量的改变导致吹到厢体后端的凉爽的空气量增多，凉爽空气在厢体内停留时间加长，从而引起冷热交换的时间增加，换热效果较为明显。说明风道圆孔大小及数量对厢体内温度分布影响较大。

3.3 满载厢体模拟

采用上述的湍流模型及边界条件对优化后的模型进行满载模拟分析。现实运输中，厢体内一共可运输72头，模拟值用长方体代替种猪尺寸大小为800mm×260mm×200mm。

3.3.1 满载风速场

模拟结果如图14所示，满载厢体的模拟结果显示，满载风速场分布与空载风速场分布规律基本一致，靠近厢体前端风速较高，靠近厢体后端风速低。靠近前端的两个限位栏处，气流呈平行于平面流动。靠近进风口的猪体附近出现气流停滞区。由于猪体模型的干预，满载的厢体内气流发生紊流位置增多，这解释了满载情况下厢体内温度升高这一现象。这也导致流向后端的气流量减少，进而减少回流现象的发生。

3.3.2 满载温度场

如图15所示，从整个模拟结果看出，厢体满载情况下，整个厢体内的气流温度会有所上升，最高温度升至37.9℃，比空载最高温度上升12.6℃。

由于猪体以及风向的影响，猪体所在的区域附近温度高于其它位置。厢体内沿Y方向的整个温度场的温度范围在16.2℃～37.9℃，由于前端气流强换热及时，自然前端温度低，后端气流量少换热不充分，温度高。前后端温度变化非常明显，结果很直观地显示出满载后温度场分布，这为后续优化提供参考。

4 结论

1） 建立畜禽运输车厢体CFD稳态模型，模拟在机械强制通风条件下厢体内的气流和各层温度分布情况，模拟结果与实测结果最大的绝对误差为1.7℃，前后端温差较为明显，但整体吻合度较高;其中厢体内气流存在紊流和气流停滞区。风速场中模拟值与实测值的也有较高的吻合，误差范围很小，相对误差超过3%的有两个测试点。

2） 由于厢体内风道圆孔数量及大小的改变，厢体内后端凉爽空气量较足，换热效果较为明显。最高温度仍位于后端，温度值为23.5℃，优化后整个厢体内的温度均匀度较原始模型均匀度明显提高，温度变化幅度小。

3） 模拟厢体满载时，风速场与空载的厢体内情况基本一致，靠近前端呈现平行于平面流动。由于猪是厢体内唯一热源，满载时厢体内整体温度与空载相比上升明显，不利于运输。结果直观显示出高温位置，为优化提供参考。

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