基于计算流体力学的鸡舍三维数值模型的建立与验证

杨礼 ，杜龙环，胡陈明，郑炜超，朱洪强，蒋小松，余春林，杨朝武*

（1.四川大恒家禽育种有限公司，四川 成都 610066；2.四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065；3.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100833；4.成都晟兴牧业机械有限公司，四川 成都 611230；5.四川省畜牧科学研究院动物遗传育种四川省重点实验室，四川 成都 610066）

舍内温度、湿度、空气质量及气流组织模式等环境因子直接或间接影响家禽的生长和生产性能的发挥［1-2］。在影响禽舍内环境的因素中起关键作用的是通风模式，其同时也是执行舍内环境调控的主要手段。近年来，随着电脑技术的不断发展，计算流体动力学（CFD）已在欧美国家广泛应用［3］。包括鸡舍设计、舍内环境参数评估、通风模式优化等研究主题均可在CFD 模型上实现建模并快速完成模拟得到最优结论。本研究以实际的全环控密闭鸡舍为模拟对象，利用CFD技术开展三维数值建模工作，构建了1∶1试验模型，并通过现场定点测量验证了该数值模型的可靠性，以期为开展鸡舍环境控制及通风模式优化研究提供新的技术手段。

1 鸡舍气流和温湿度的现场测定

1.1 试验鸡舍 本研究CFD 建模对象为全环控密闭鸡舍，长40 m、宽9.2 m，屋顶安装双层彩钢吊顶，高度2.5 m。该鸡舍采用纵向通风模式，进风口位于鸡舍一端两侧并配有湿帘降温装置，3 台风机位于鸡舍另一端。鸡舍安装有数十个侧墙小窗，但试验过程中小窗始终处于关闭状态。舍内总计4 列鸡笼，每列3 层，共计饲养约3 500 只鸡。入风口处安装有导流板并预设35°倾角。

1.2 试验仪器 舍内温度、相对湿度和风速采用多功能风速仪TSI 9454 测量。风速量程为0～30 m/s，精度为±0.015 m/s，分辨率为0.01；温度量程为-10 ℃～60 ℃，精度为±0.3 ℃，分辨率为0.1；相对湿度量程为0%～99%，分辨率为0.1。舍内墙面、地面及屋顶温度使用手持式红外温度仪测量，精度为1%或±1.0 。

1.3 测量方式 舍内环境参数测量点位分布于舍内15 个地方，每个地方测量两个高度：0.8 m（第一层鸡的高度）和1.8 m（第三层鸡的高度），总计测量30个点位。每个点位测量时长为50 s，采样频率为1 Hz。对于各壁面温度，在鸡舍前、中、后多点采样，平均值用于数值模型初始化。本试验测量过程中，仅开启中间通风风机，其余两个风机始终处于关闭状态。试验前后检测入风口风速及室外温度，未发现明显差异。

1.4 数据处理与模型验证 将现场测量数据用Excel 2010 软件建立数据库进行统计分析，将实际测量结果与CFD 预测模拟结果采用相对误差法进行检验。相对误差法的公式如下：

其中，Cp为CFD 模型值，C0为实测值。通过检验比较模型准确性。

2 CFD模型构建

2.1 鸡舍模型 本研究中，三维数值建模利用商业软件Pointwise V17进行网格构建，数值求解使用商业软件ANSYS Fluent 17.0。模型几何尺寸包括入风口依照真实试验鸡舍尺寸。出风口（风机）简化为1.27 m 直径的圆形。由于鸡舍真实有效空间由四周壁面、地面及吊顶构成，因此模型几何外观简化为一个长方体。

2.2 多孔介质模型 鉴于现有计算机处理能力，在三维模型中无法对每只鸡的几何形态进行独立构架，因此实际建模中不可避免地要进行简化。多孔介质模型可以有效针对鸡笼和鸡构成的整体进行简化模拟（忽略料槽、饮水系统等）。如下列公式②所示，其中等式右边第一项为粘性损失，第二项为惯性损失。

其中ΔPi/ΔXi是在x、y、z三个方向上单位长度的压降，单位为Pa·m-1；|ν|是速度大小，单位为m·s-1；D和C是预先设定的三个方向上的粘性、惯性阻力系数矩阵，单位分别为m-2和m-1；νj是三个方向的速度矢量，单位为m·s-1；μ是空气的动力粘度，单位为N s·m-2；ρ是空气密度，单位为kg·m-3。

从公式②可以看出，把鸡笼及鸡整体简化为多孔介质模型，最重要的是需要知道正确的粘性（D）及惯性（C）阻力系数。本研究以Cheng等［4］在风洞实验室实际测量的相关阻力系数为参考，同时基于多孔介质模型，鸡的产热量（THP）及产湿量（M0）可由下列公式③［5-6］和公式④［7］分别给出。其中鸡群平均体重（M）经测量后大概为2.6 kg/只。

2.3 网格收敛性验证 本试验分别研究了四种网格细密度：网格A（90万网格单元），网格B（170万网格单元），网格C（320 万网格单元），网格D（550万网格单元）。在相同位置选取三个模拟采样点来检验每种网格密度的网格收敛性，采用Roache P［8］报道的网格收敛性指标（GCI）进行对比。综合考虑后选取网格C 进行模型可行性验证。

2.4 模型边界条件 本研究中模型边界条件的设定和初始化均基于真实试验条件和现场测定结果，其中屋顶、地面及四周壁面的初始温度见表1。非滑移面条件下，设定靠近壁面的流速为0 m·s-1。表1显示入口处空气相对湿度高达98%左右，主要是由于湿帘降温导致。试验前后均进行了室外参数测定，未发现明显变化，室外平均温度为25.2 ℃，平均相对湿度为62%。模型中入风口设定为速度进口，出风口设定为压力出口。

表1 用于模型初始化的各参数实测值

2.5 湍流模型选取及其他设定 本模型求解过程中考虑到流体旋转、边界层分离及流体回流等因素，选取Realizable κ-ε湍流模型进行求解计算。本模型中壁面参数y*介于30～300 之间，因此选取标准壁面函数求解。其他参数详见表2。

表2 CFD模型基本参数设定

3 结果与分析

将鸡舍30个点位的温度、湿度以及风速的现场实测值与CFD 三维模型模拟值进行相对误差检验，结果分别见表3、表4和表5。

3.1 温度 舍内温度模拟值和实测值的平均相对误差为3.30%。由表3 可以看出，30 个测量点位中，有22 个测量点位的温度绝对误差是小于1 ℃的；同时，30 个点位中有25 个点位的相对误差小于5%。以上结果证明CFD模型能很好地模拟鸡舍舍内温度的分布。

表3 温度CFD模拟值与现场测量值的误差及相对误差

表4 相对湿度CFD模拟值与现场测量值的误差及相对误差

表5 空气速度CFD模拟值与现场测量值的误差及相对误差

3.2 相对湿度 舍内相对湿度的模拟值和实测值的平均相对误差为4.46%。在30 个测量点位中，所有点位的相对误差均小于10%，同时有18个点位的相对误差小于5%。从表4 可以看出，绝大多数点位的模拟值均小于现场测量值，同时出现误差最大的地方是鸡舍后部点位16～24 处，可能的原因是CFD 模型虽然考虑了鸡的散湿，但粪便中的水分蒸发并未在模型中体现。从以上数据可以看出，CFD 模型能够很好地模拟鸡舍舍内湿度的分布，与试验测量值差异不大。

3.3 空气速度 舍内空气速度的模拟值和实测值的平均相对误差为5.85%。最大绝对误差发生在测量点4，大小为0.086 m·s-1（E=11.4%）。测量点4 位于鸡舍前端进风口附近，由于来自左右进风口的两股气流在鸡舍中间碰撞及混合，导致了气流在此处相对不均匀，因此该处的模拟值与实测值有较大的误差。在30 个测量点位中，有27个点位的相对误差小于10%，15个点位的相对误差小于5%。以上结果充分证明CFD模型可以很好地模拟鸡舍内部空气的流动情况。

4 结论

本研究运用CFD 技术搭建了全环控密闭鸡舍的三维数值模型，基于实际测量数据对模型初始边界条件进行了设定。通过现场试验测量了鸡舍内部30 个点位的环境参数（包括温度、湿度及风速），并与CFD 模型预测值进行了对比。通过对绝对误差及相对误差等指标的比较，同时考虑到实际鸡舍内气流组织的复杂性，充分证明本研究搭建的CFD 模型可以很好地模拟鸡舍内部环境参数的分布情况，可用于舍内环境的进一步优化模拟。