基于低屋面横向通风牛舍空气交换率优选模拟

邱旭 吕洁 孙成才 张琼

沈阳工业大学建筑与土木工程学院

目前国内外对于低屋面横向通风牛舍的研究大部分为应用现状分析，以及不考虑动物存在的牛舍内数值模拟[1-3]，少数加入动物模型将其简化为发热的板状结构[4]或者多孔介质[5]。本文主要研究低屋面横向通风牛舍的风机在风机效率较高范围内的不同空气交换率下运行时对应的不同风速对牛舍内奶牛舒适度的影响，利用计算流体力学仿真软件 Fluent对牛舍模型进行数值模拟，选出奶牛最适合的风机风速，从而选出最优空气交换率，为LPCV 牛舍的风机运行管理提供参考。

1 LPCV牛舍的物理模型及数学假设

1.1 LPCV牛舍的物理模型

在北美地区，L PCV 牛舍由8 列式已经扩展到 24列式，12列式和16列式的牛舍数量较为广泛[6]。本文将8列式LPCV牛舍作为研究对象，牛舍模型的建立参照文献[7]，牛舍实物图如图1、图2所示。其中图 1为牛舍风机部分，安装在牛舍北侧墙。图2为牛舍湿帘部分，安装在牛舍南侧墙。北侧墙安装有上下两排风机，风机叶轮直径为0.9m，理论送风量为28000 km/m3，上下共78台，上排为6台，下排为72台[8]。牛舍南侧墙安装了高3 m，厚0.15 m的湿帘。为增加奶牛活动区风速，在该区域上方2 m处安装挡风板，共4列。

图1 牛舍风机

图2 牛舍湿帘

牛舍模型与实际牛舍进行等比例建立，为了减少计算机的计算量，提高计算精度，将奶牛模型简化为1.8 m×0.73 m×0.8 m的长方体，忽略牛舍中立柱，选择牛舍的中部位置进行研究，建立该牛舍物理模型。其中，X方向对应长度为20 m，Y 方向对应长度为60 m，Z方向对应高度为4 m，顶高为4.88 m。沿Y方向牛舍内分布分别为湿帘、奶牛、矮墙、挡风板、风机，如图3所示。利用自适应的非结构化网格对牛舍进行网格划分，网格单元数量为4246000。

图3 牛舍物理模型

1.2 LPCV牛舍的基本假设与数学模型

为方便计算，对牛舍计算模型作出了一些基本的假设：

1）牛舍内气流为定常流动，低速流动，不可压缩，满足Boussinesq假设即流体密度变化仅对浮升力产生影响[9]。

2）牛舍内气体流动为稳态流动。

3）忽略固体壁面和物体间热辐射[10]。

4）认为牛舍完全封闭，不考虑漏气的情况。

5）认为牛舍内空气为辐射透明介质。

牛舍内流场由流体力学中动量守恒方程、能量守恒方程、质量守恒方程和组分质量守恒方程来进行相关描述。

2 LPCV牛舍的数值模拟结果及分析

2.1 风机风速与空气交换率对应关系

根据J.P.Harner的研究，牛舍夏季空气交换率为60～120 s之间，即牛舍内空气需在60～120 s时间内被风机全部抽出到室外，更换新鲜空气进入室内。60 s，80 s，100 s，120 s 是风机的运行效率较高范围内的四档风速所对应的空气交换率，该区域内风机提供的风速均能够满足去除牛舍内气体污染物和余热余湿的要求。为研究牛舍在空气交换率为60～120 s之间奶牛最适风速，模拟空气交换率分别为60 s、80 s、100 s 和120 s时牛舍内的速度场分布。

牛舍空气入口处风速按式（1）进行计算：

式中：v为牛舍空气入口速度，m/s；V为牛舍体积，m3；L为牛舍长度，m；H为湿帘高度，m；R则为空气交换率，s。

空气交换率与风机风速对应关系如表1所示。

表1 空气交换率与风机风速对应关系

2.2 LPCV牛舍的边界条件设置

牛舍的入口边界条件：采用速度入口（Velocity-inlet）的边界条件，分别以风机对应的不同风速作为牛舍模型不同的初始条件。

牛舍出口边界条件：采用自由出流（Outflow）作为出口边界条件。

壁面边界条件：牛舍其他位置设置为无滑移条件，近壁面采用标准壁面函数处理。

2.3 模拟及结果分析

对牛舍模型进行数值模拟，其中，图 4～7 为X=10 m处、图 8～11 为Z=1.2 m处不同空气交换律下速度云图。

图4 空气交换率为60 s时X=10 m处速度云图

图5 空气交换率为80 s时X=10 m处速度云图

图6 空气交换率为100 s时X=10 m处速度云图

图7 空气交换率为120 s时X=10 m处速度云图

X=10 m处的速度云图为牛舍模型中部垂直位置速度变化图。从图4～7可以看出，即使不同入口风速，该位置处速度分布的整体趋势是相似的。在牛舍入口处，气流速度最大。随着气流的深入扩散，速度逐渐降低。从图中可以明显看出，由于气流受到挡风板的扰流作用，在牛舍内呈波浪式延伸，使气流能够分布在奶牛周围，带走奶牛散发的湿热，使气流的利用率最大化。

图8 空气交换率为60 s时Z=1.2 m处速度云图

图9 空气交换率为80 s时Z=1.2 m处速度云图

图10 空气交换率为100 s时Z=1.2 m处速度云图

图11 空气交换率为120 s时Z=1.2 m处速度云图

分析图4～7，奶牛周围活动区域内空气流速分布随空气交换率的变化如表 2 所示。奶牛舒适风速为1.5 m/s～2 m/s之间，从表2 中可以看出，当空气交换率为60 s 和 80 s 时，空气流速分别为1.65 m/s～2.5 m/s和1.23 m/s～1.85 m/s，比较接近奶牛舒适风速。当空气交换率为100 s 和120 s时，奶牛活动区域周围大部分风速都低于1.2 m/s，不能满足奶牛舒适性要求。

表2 空气交换率与空气流速变化关系

Z=1.2 m处速度云图为牛舍水平位置奶牛活动区域气流分布图。从图8～11总体可以看出，随着空气交换率的增大，气流从速度入口处向牛舍内部绿色区域覆盖的越多，说明气流速度越大，湍流强度越大，高速气流到达的区域越广。从图8可以看出，在牛舍中部奶牛比较密集，气流组织相对较差，空气交换率为60 s时，该区域空气流速大部分处于1.24～1.65 m/s，接近奶牛舒适风速，其他区域风速大部分处于1.6～2.5 m/s，能够接近满足奶牛舒适性要求。分析图9可以看出，当空气交换率为80 s时，牛舍中部通风不利位置处风速为1.1 m/s～1.3 m/s，其余位置大部分处于1.3～1.9 m/s，接近奶牛舒适风速。从图9和图10可以看出，当空气交换率为100 s和120 s时，牛舍中部通风不利处最高风速分别为0.82 m/s和0.93 m/s且均低于1.5 m/s，牛舍其他位置奶牛活动区域风速大部分低于1.5 m/s，不能满足其舒适风速要求。

3 总结与建议

通过分析模拟结果，可以得出当空气交换率为60 s和80 s时，牛舍内气流组织较差的位置处风速处于1.1～1.3 m/s，其余大部分奶牛活动区域风速接近奶牛舒适风速范围。当空气交换率为100 s和 120 s时，牛舍内奶牛活动区域风速大部分低于 1.5 m/s，不能够满足奶牛舒适性需要。因此，在牛舍运行管理过程中，建议采用60 s和80 s的空气交换率。对比空气交换率为60 s和80 s时，牛舍中部气流组织不利位置和其余奶牛活动区域风速，得出当空气交换率为60 s时更能接近奶牛舒适风速（1.5～2 m/s），因此 60 s 为牛舍最优空气交换率。

另外，对于当前8列式牛舍，应适当加大中部 4列奶牛距离，减小气流阻力，使通风气流利用率增大。