密闭式鸡舍环境参数CFD模拟与优化

马骏，刘振宇

（1.太原理工大学 环境科学与工程学院，山西 太原030024；2.山西农业大学 信息科学与工程学院，山西 太谷030801）

随着家禽养殖不断向规模化、集约化发展，鸡舍环境对鸡体健康和生产性能的影响越来越突出［1～3］。其中，鸡舍结构与鸡笼布局是影响鸡舍内温度、风速和颗粒物浓度分布等环境参数的主要因素，设计合理的鸡舍结构是对规模养殖鸡舍进行精细化管理的关键问题。鸡的正常生长发育对温度、风速和颗粒物浓度等主要环境参数都有一定的要求，在设计鸡舍结构时，需要充分考虑和协调鸡舍内通风与保温性能的矛盾，使鸡舍环境达到生产标准［4，5］。不合理的鸡舍结构和过多的保温措施会导致鸡舍内通风不畅，导致鸡舍内粉尘和有害气体的堆积，不仅可能抑制肉鸡的生长以及影响其正常行为，甚至引起畜禽呼吸道传染病和大肠杆菌病［6，7］。

近年来，国内外研究者针对集约化养殖中，鸡舍温度、风速和颗粒物浓度分布规律和调控问题展开研究。Lin等［8］建立了卷积神经网络分类器来识别和定位图像中的肉鸡，将鸡活度与温湿度指数值的结合作为一种新的预测指标，以避免鸡热应激现象。Emad等研究了层叠式立体笼养蛋鸡鸡舍中静电荷对颗粒物分布的影响，证明85%以上大于2.5μm的颗粒物的分布不受静电荷干扰［9］。Le等测量和比较了不同层叠式和落地式笼养鸡舍中的粉尘浓度，发现层叠式笼养过程中产生的粉尘浓度更低［10］。郭丽等以夏季机械通风式笼养蛋鸡舍内外颗粒物为研究对象，通过监测舍内、外颗粒物浓度变化，分析了颗粒物的传播规律，采用风机将舍内颗粒物排放到舍外［11］。何玉书等应用恒流量多点粉尘测量仪在鸡舍横断面处均匀布点，对北京某鸡场平养育成鸡舍的粉尘浓度进行了监测，对比分析了温湿度、风速和鸡群活动状况等对粉尘浓度影响相关的因素，证明在日间粉尘浓度的主要影响因素是鸡群活动［12］。

综上，现有研究均为结合鸡舍温度、风速和颗粒物浓度（PM2.5和PM10）等参数的分布规律，通过优化舍内进、出风口的数量、位置等措施调控鸡舍环境［13，14］，但是通过鸡舍结构长度优化调控鸡舍环境的研究较少。本文通过实测鸡舍内温度、风速、颗粒物浓度分布等验证Fluent软件模拟结果的准确性，并结合线性规划分析对鸡舍长度结构作出优化。

1 试验和方法

1.1 试验鸡舍

试验鸡舍为山西省祁县柳健养鸡场和宏艺养鸡场的密闭层叠式笼养鸡舍，鸡舍轮廓分别为22 m×8 m×3 m和50 m×8 m×3 m，配置4排层叠式鸡笼（5层），采用机械和自然通风相结合的通风方式，东西墙各设2台风机、南墙设门一个，南北两侧设通风窗，通风窗下边沿距离地面1.9 m，窗高0.6 m，详细规格布置见图1。风机24 h不间断送风，舍内输入风速为5 m·s-1。

图1 鸡舍建筑示意图Fig.1 Sketch of Chicken house

1.2 试验监测点设计与数据测定

试验数据采集所用仪器见表1所示。

采集仪器在鸡舍东西、南北呈对称分布设置，距地面z向0.5 m、1.5 m和2.5 m处分设3层，每层监测平面沿舍内通道设5排；22 m鸡舍每通道设5个监测点，50 m鸡舍每通道设7个监测点（如图1b所示）。

本 文 选 取2019年5月6日 至2019年6月6日进行试验，试验时段天气晴朗且无风，减小外界天气因素对试验的干扰。通过获取各个监测点的温度、风速、PM2.5和PM10浓度等环境参数值，建立和验证鸡舍环境物理模型。

1.3 试验数据

试验数据平均值见表2，表3。

表1 试验仪器表Table 1 List of experimental equipment

表2 长度22 m鸡舍各环境主要参数分布Table 2 Distribution of main parameters of each environment in a chicken house with a length of 22 m

由表2和表3可见，长度22 m鸡舍与长度50 m鸡舍内温度、风速、PM2.5、PM10分布存在相似之处，皆于东西中轴线和南北中轴线垂直面呈对称分布。温度沿y方向呈波浪形式分布，越靠近鸡笼部位温度越高，离地面越远温度越低，长度50 m鸡舍内温度高于长度22 m鸡舍，沿y轴方向变化幅度小。进风口处风速最大，x轴上整体呈现两边风速高、中间风速低的态势，长度50 m鸡舍风速在x轴中间位置25 m处风速为0，在长度22 m鸡舍x轴中间位置11 m处风速大于0。长度为50 m鸡舍内的颗粒物浓度比长度22 m鸡舍内颗粒物浓度大且沿y方向浓度差异更明显，颗粒物浓度沿y方向呈波浪线分布。

分析可知，鸡舍长度结构增加，舍内降温、通风等耗能变大，颗粒物浓度上升。长度50 m鸡舍与长度22 m鸡舍内的颗粒物浓度分布并不完全相似，除了鸡舍长度结构不同之外，也与测试方法有关［15］。

表3 长度50 m鸡舍各环境主要参数分布Table 3 Distribution of main parameters of each environment in a chicken house with a length of 50 m

2 鸡舍建模与仿真

本文采用国际上广泛应用的Fluent软件对鸡舍环境指标进行模拟［16～18］，以得到精确的模拟结果并使之能应用于生产实际中。

2.1 物理模型

根据鸡舍实际尺寸建立物理模型，即鸡舍的长宽高分别为22 m×8 m×3 m和50 m×8 m×3 m。鸡笼简化为4个立方体，尺寸分别为18 m×0.5 m×2.5 m和46 m×0.5 m×2.5 m，其他设备，如风机、门窗等依据实际模型测量值设计，透视图见图1a。

本次模拟过程中，根据鸡舍实际情况作相应的简化以建立模型。本文使用Gambit软件进行建模与网格划分，采用标准k−ε模型模拟鸡舍内的湍流流动，采用拉格朗日法描述颗粒物浓度分布［19］。

对模型进行如下假设：

（1）假定该房间无人员出入，也不考虑太阳辐射对房间内空气流动与传热的影响；

（2）假定气体为不可压缩空气；

（3）假定房间各个表面均为漫射灰表面；

（4）假定室内空气的流动为稳态湍流流动，满足Boussinesq假设［20］。

2.2 数值模拟分析

本文以2座仅长度不同（22 m和50 m）的鸡舍物理模型做数值模拟对比分析，设定进风口温度为20℃、风速为5 m·s-1。因鸡舍结构对称，本文模拟分析对比以x=0～11 m和x=0～25 m作重点分析。

2.2.1 温度分布对比分析

鸡舍的平面温度分布图见图2，左侧为长度22 m鸡舍，右侧为长度50 m鸡舍。

图2 平面温度分布图Fig.2 Planar temperature profile

由图2可见，鸡舍内温度分布于y=4 m垂直面呈对称分布，舍内温度沿z方向呈递降趋势，沿y方向呈波浪形式分布，与测验数据分析所得结论相符。越靠近鸡笼部位温度越高，是因为鸡笼区域由于鸡呼吸作用产生的CO2对密集分布的鸡散发的热量产生了保温作用；离地面越远温度越低，是因为风机、窗户都处于鸡舍上部分，保温性较差。长度22 m鸡舍内，y=4 m处温度沿x方向保持不变。长度50 m鸡舍内，x=25 m垂直面上，达到稳态收敛时风机的吹风效果不能使y=4 m垂直面的温度都达到25℃以下。经对比，长度50 m鸡舍内温度高于22 m鸡舍内温度，可认为鸡舍长度超出一定范围，仅在东西墙各设2台吹风温度20℃、进风口风速5 m·s-1的风机，不能使x方向鸡笼中间位置达到有效降温。

2.2.2 风速分布对比分析鸡舍的平面风速分布图如图3，左侧为长度22 m鸡舍，右侧为长度50 m鸡舍。

由图3可以看出，鸡舍内风速分布于y=4 m垂直面呈对称分布；风机位置和窗口处风速最大，新风经过鸡笼后风速迅速下降，距风机3.5 m外风速可以忽略不计。y=4 m处x方向鸡笼中间位置风速几近于0；风机未直吹鸡笼，鸡笼上半部分所承受吹风感远大于下半部分。造成这一平面流速分布的原因与鸡舍结构紧密相关。对比分析图3与测试结果，长度22 m鸡舍在x方向中间位置风速几近于0，是由于东西两侧都有风机同时吹风，到了x=11 m的垂直面上，风速相互抵消；长度50 m鸡舍之所以在x=25 m的位置风速为0，是由于风机风力不足，无法对x=25 m垂直面产生影响。可得结论，对于长度50 m鸡舍，进风口风速为5 m·s-1并不能够对整栋鸡舍进行通风换气，应考虑加大风机风口风速或在鸡舍中间加装风机等方法进行优化。

2.2.3 颗粒物浓度分布对比分析

鸡舍的平面颗粒物分布图见图4，左侧为长度22 m鸡舍，右侧为长度50 m鸡舍。由图4可以看出，新风由风机进入舍内，促使东西两侧颗粒物沿x轴向鸡舍中部移动，一部分通过窗户直接去往舍外，一部分向上或向下形成环路沿着x轴方向移动。y＜2.5 m产生的颗粒物多经窗户去往室外，认为出风口处颗粒物浓度大于鸡舍内部，这与陈峰等［21］的研究结果一致。经对比，长度50 m鸡舍内颗粒物运动比长度22 m鸡舍内更复杂。长度22 m鸡舍内，x方向中间位置颗粒物运动弱；长度50 m鸡舍内，y=4 m垂直面颗粒物在x=19 m处产生回旋，x=7～23 m颗粒物运动十分剧烈，可见鸡舍越长，颗粒物沿x方向越易形成连续的风旋闭环，使得舍内空气质量更差。因此认为，鸡舍长度达到50 m，仅在东西墙各设2台风机不能使鸡舍中间位置满足鸡体的正常生长发育条件，应当对鸡舍结构进行优化。

综合图2～图4与测量所得数据，本文2个模型较完善、立体地描述了鸡舍内颗粒物浓度的分布情况。

图4 y=4 m颗粒物迹线图Fig.4 y=4 m Particle trace diagram

2.3 鸡舍长度结构优化分析

为优化鸡舍长度结构，使鸡舍环境满足鸡体正常的生长发育条件，本文选择2栋鸡舍中间温度、风速、颗粒物浓度（PM2.5和PM10）为参数进行优化，建立线性规划模型，得到鸡舍结构极值。求解最大长度结构函数y值的范围，利用线性规划的方法，得到以下模型：

式 中：x1，温度/℃；x2，风 速/m·s-1；x3，PM2.5浓 度/μg·m-3；x4，PM10浓 度/μg·m-3。a、b、c、d分别为x1、x2、x3、x4的加权系数，均大于0，且其和为1。根据鸡体生长发育条件和生产经验，温度和PM10浓度需要占据较高权重，因此取a=0.6，b=0.1，c=0.1，d=0.2。

为研究长度22 m和50 m鸡舍结构下密闭式鸡舍环境参数的边界条件，本文以鸡舍中间位置的温度、风速、PM2.5浓度、PM10浓度为约束条件建立模型。鸡舍中间位置是最后受到外界环境影响的区域，即对外界环境变化反应最慢的区域，鸡舍结构不佳将导致此区域温度、风速、颗粒物等环境参数无法及时受到调控，影响鸡体舒适度，进而影响其生长。因此将鸡舍中间的环境参数值作为约束条件。由实际测量可知，长度22 m鸡舍中间位置（x方向11 m，y方向4 m）处温度为20～24℃，风速最大达0.5 m·s-1，PM2.5浓度值最大能达到150.85μg·m-3，PM10浓 度 值 最 大 能 达 到266.99 μg·m-3；长度50 m鸡舍中间位置（x方向25 m，y方向4 m）处温度为26～31℃，风速最大能达到0.5 m·s-1，PM2.5浓 度 值最大能达到169.54μg·m-3，PM10浓度值最大能达到296.58μg·m-3。在一般的饲养条件下，产蛋鸡舍的最适宜温度为25℃左右［22］。又由于极小值20℃为控制进风口温度，因此设置x1的约束边界为20～26℃。同理，x2的约束边界为0～0.5 m·s-1。本文选定实际测量得出的PM2.5和PM10浓度最大值作为x3和x4的约束边界条件，x3的约束边界为0～169.54μg·m-3，x4的约束边界为0～296.58μg·m-3。约束条件如下：

同时建立鸡舍长度x值在22～50 m之间的鸡舍环境物理模型，结合线性规划分析，在风速、鸡舍宽度、高度等边界条件确定的情况下，得到长度x值41 m为鸡舍长度结构极大值。长度x值为41 m的鸡舍内环境主要参数分布见图5～图8。

图5 平面温度分布图Fig.5 Plane temperature profile

由图5可知，长度41 m鸡舍内温度于x=20.5 m、y=4 m两垂直面呈对称分布。鸡笼周围温度在20～25℃内，y=4 m处温度最高为25℃，与吹风温度相差5℃。

图6 平面流速分布图Fig.6 Plane velocity profile

图7 y=4 m平面速度矢量分布图Fig.7 y=4 m plane velocity vector distribution diagram

图8 y=4 m颗粒物迹线图Fig.8 y=4 m Particle trace diagram

由图6可知，长度41 m鸡舍内风速于x=20.5 m、y=4 m两垂直面呈对称分布。y=4 m，x=11 m的线上，风 速约0.26 m·s-1。与 图3相比，长度41 m鸡舍比长度22 m和50 m的鸡舍风速覆盖面更优。

由图7可知，长度41 m鸡舍内进风口气流到达x=20.5 m垂直面后向地面回返，不会造成颗粒物在鸡舍内混乱的现象，引起颗粒物浓度的上升。

图8 与图4对比可以得出，长度＜41 m的鸡舍颗粒物迹线图更清晰，颗粒物运动更有序。

由所建立的线性规划模型可知，在x=20.5 m、y=4 m、z=2.5 m处，x1=25℃，x2=0.26 m·s-1，代入方程（1）中，证明长度41 m为模型极大值。

综上所述，设计进风口风速为5 m·s-1，鸡舍宽度、高度确定的情况下，41 m为鸡舍长度极大值。

3 结论

本文对长度分别为22 m和50 m及该范围内鸡舍的温度、风速、PM2.5、PM10等主要环境参数分布进行监测模拟，得出鸡舍内主要环境参数的分布特性及规律如下：

（1）通过对2座鸡舍建立仿真模型和实际监测数据比较，证明了所建立物理模型的合理性和所得模拟试验结果的有效性，为相关研究提供了理论分析基础。

（2）假设输入风速为5 m·s-1（风机控制）的鸡舍，其温度、风速等环境参数能对鸡舍中间位置的颗粒物浓度产生影响，结合线性规划分析得到鸡舍不宜采用长度超过41 m的结构。如果鸡舍长度超过该值，必须对其通风系统和结构进行改造。

综上所述，优化鸡舍结构有利于控制和保持鸡舍内环境，满足鸡体的生长发育需要，为研究与设计鸡舍结构提供了理论支撑。