保育猪舍垂直通风CFD模拟及挡风板优化设计

房俊龙，吴 爽，吴志东, ，巴文革

（1.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030；2.齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

冬季北方寒冷地区为保证猪舍温度，通常采用封闭饲养方式，导致猪舍通风量不足，大量NH3、CO2等有害气体在猪舍内堆积。垂直通风技术是近年应用于猪舍通风的一项新技术[1]。与常见横向通风和纵向通风相比，垂直通风明显改善气流及温度分布均匀性[2]。垂直通风可精细化调控通风风速和风量，及时排出粪便产生的NH3等有害气体，有效降低病菌传播。

在现代大规模猪舍中，传统方法研究猪舍环境，工作量大、成本较高且现场可稳定测量点位有限[3]。计算流体力学CFD（Computational fluid dy⁃namics）在航空航天、汽车设计、石油天然气等工业领域应用广泛，也可用于畜牧建筑内外气流研究[4]。Seo 等对具有特定配置商业猪舍CFD 建模仿真，比较实测和预测温度分布仅有4.4%误差[5]，且模型中考虑猪只存在，仿真准确性得到提高。Li等将5个常用两方程湍流模型应用于机械通风猪舍CFD 模型，结果表明，除RNG k-ɛ 模型外，湍流模型选择对主气流模式无较大影响[6]。Li等研究表明空气速度，湍流强度和猪只方向影响对流传热[7]。汪开英等应用CFD对采用负压通风和水泡粪保育猪舍风速场、温度场、湿度场和颗粒物浓度场进行三维稳态模拟，舍内环境质量满足保育猪对冬季环境需求，但在单元入口及墙角处仍有优化空间[8]。王鹏鹏等对北方寒冷地区猪舍进行CFD仿真，加置3 个挡风板后气流平均速度增大27.8%，气流不均匀性降低53.2%[9]。曹孟冰等研究进风口高度与导流板角度对猪舍空气龄和CO2分布影响，进风口高度和导流板角度影响猪舍内空气龄和CO2分布[10]。目前利用CFD仿真研究禽舍环境已十分成熟，包括湍流模型数学模型[11]，不同形式通风方式[12]、不同角度风口[13]和不同角度挡板[14]物理模型。但在冬季北方寒冷地区保育猪舍利用管道垂直通风相关研究较少，风口加挡风板对舍内环境影响尚未见报道。保育猪舍不同于育肥猪舍，对环境要求严格，猪只所在位置风速应小于0.2 m·s-1，舒适温度20～25 ℃[15]。因此，探究保育猪舍管道垂直通风在实际应用中具有一定意义。

本研究旨在建立一个经现场实测数据验证的管道垂直通风CFD 模型，评估模型和实际拟合程度；在无挡板管道垂直通风方案基础上另设计1个圆柱和3个圆台形挡风板模型，评估对保育猪舍环境影响，为改进通风效果提供理论支撑。

1 研究对象与方法

1.1 试验环境

本文仿真和试验的保育猪舍位于黑龙江省齐齐哈尔市（123°95′E、47°37′N）。猪舍呈南北走向，整体结构为混凝土材料，吊顶为塑料材质，猪舍北侧门设计外连廊作为管道通风空气预热室。舍内空间尺寸为17 m×10 m×3 m（长×宽×高），东侧和西侧各有6 个猪栏，过道宽2 m。猪栏尺寸2.5 m×4 m，猪栏内地面由水泥地板和漏缝地板组成，距离地面0.5 m 高。漏缝地板下有深0.2 m 粪池。每个猪栏内有12 头40 日龄体重（12±1）kg 保育猪。室外管道进风口处装有风机，风机最大通风量为5 000 m3·h-1。每个猪栏上方均有垂直通风进风管道，猪舍过道两侧有垂直通风出风管道。保育猪舍见图1。

1.2 数值测量

猪舍结构及内部围栏设施结构利用红外测距仪和卷尺进行测量，用于物理模型搭建。图1a 中带数字标记圆点和三角点为测量点分布平面图，三角点测量数据应用于仿真初始条件，圆点测量数据应用于验证仿真结果。测点1～12 在进风口处测量进风口风速和温度；测点13～24测量AOZ区域风速和温度，距离漏缝地板0.3 m；测点25～27测量走道前中后风速和温度，距离地面1.6 m。2020 年3 月17 日下午2 时利用热线式风速仪（FMA901 型，0～2.54 m·s-1）和温度传感器（HMP60 型，-40～60 ℃）对27 个测点同时测量，利用上位机软件每30 s采集一次数据，采集时长60 min。

图1 保育猪舍（a）猪舍平面图，（b）猪舍西侧局部图，（c）猪舍模型图Fig.1 Nursery pig house(a)Pig house floor plan,(b)Detail drawing of the west side of the pig house,(c)Pig house model diagram

1.3 试验设置

采用管道垂直通风的保育猪舍具有良好通风效果，但仍存在通风死角、通风弱区和局部风速过大问题。随垂直通风中风管直径、位置、风速、角度改变通风效果均发生变化。但改变位置和通风管道直径需较大改动和成本投入，增大风速造成局部风速过大不利于保育猪生长，而减小风速无法得到较好通风效果。因此，为在较小改动下优化通风效果，在现有垂直通风结构下研究通风管道风口加装挡风板。出风口和进风口相对位置见图1，风口半径为0.15 m。图2 设计5 种方案，方案1无风口挡板，方案2风口挡风板设计为底面半径0.15 m 高0.05 m 圆柱，方案3～5风口下方为α角为60°，45°，30°圆台。其中圆台形挡板：底面半径0.15 m高0.05 m。挡板上表面离风口0.05 m。

2 猪舍建模与CFD仿真

2.1 数学模型

本研究中，流体流动被认为是一个稳态的，不可压缩的三维湍流。气流数值计算遵循质量、动量和能量守恒[16]，守恒方程如下（1）、（2）和（3）。

质量守恒方程：

图2 方案图Fig.2 Scheme diagram

动量守恒方程：

式中，ρ 为流体密度（kg·m-3）；u、v、w 为速度矢量在x、y、z 方向矢量（m·s-1）；k 为传热系数[W·（m·K）-1]；T 为热力学温度（K）；cp为比热容[J·（kg·K）-1]；ST为流体内热源（W）。

2.2 猪舍模型及网格划分

为简化模型提高计算效率，对猪舍内部流体区域进行建模，猪舍外连廊区域及管道内部区域流体不在研究范围。猪舍中管道视为壁面，管道进风口和出风口作为边界条件。猪舍中保育猪数量较多且尺寸较小，直接建模网格数量急剧增加且网格质量很难进一步提升，增加计算资源同时并未提高计算精度。但猪只是温度场中重要热源，模型中不能直接删除。作为群居动物，结对是一种突出的交往活动[17]，结合实际将每两头猪简化成0.6 m×0.45 m×0.2 m立方体。进风口在猪栏中间位置距离地面1.5 m（距水泥地板1 m），出风口位于走道两侧距离地面0.4 m。以西北角地面处为原点，南方向为x轴，东方向为y轴，高为z轴建模。

网格质量决定计算精度、计算能否收敛的重要因素。将模型导入到Fluent Meshing 软件中生成Poly-Hexcore 网格。Poly-Hexcore 网格使六面体网格与多面体非结构网格实现共节点连接，提升六面体网格占比，达到提升求解效率与精度目的。在网格划分中对管道、猪体、风口部分进行网格加密。为减少猪体表皮边界层的影响，需保证Y+小于1。为保证网格收敛性，最大程度降低网格分辨率大小的影响，需进行网格独立性测试。以方案1为例，设置3种网格，粗网格网格数量为608 938，最小正交质量为0.26，最大长宽比为13.6。中网格网格数量为1 489 585，最小正交质量为0.38，最大长宽比为5.3。细网格网格数量为6 607 865，最小正交质量为0.39，最大长宽比为2.8。细网格和中网格长宽比相差较小且计算结果均收敛，且细网格计算时长为中网格3倍左右，综合考虑节约计算机资源、计算效率选择中网格。5组模型网格数为1 489 585-1 608 938，网格质量较好。

图3 猪舍模型网格Fig.3 Pig house model mesh

2.3 边界条件及求解器设置

试验过程中外界温度稳定，风机运行状态稳定且风量恒定不变，可认为环境处于稳态，模拟状态选择稳态模拟。湍流模型采用realizable k-Ep⁃silon模型[18]，近壁区模拟采用标准壁面函数。流体区域设定为Regions，进口设置为速度入口，出口设置为压力出口。猪体设置为无滑移壁面，边界条件设置为wall。其余壁面均设置为无滑移壁面。使用二阶精度SIMPLE算法进行求解。在计算域中监视连续性、速度、能量、湍动能、湍动能耗散率、入口和出口净质量流量，当能量达到10-6，净质量流量小于10-4，其余参数达到10-3时认为迭代计算收敛。

表1 模拟参数Table 1 Parameters of simulation

3 CFD模型验证

3.1 温度场验证

猪舍沿过道和中间对称无复杂结构，为全密闭状态，整体温度分布较均匀。在仿真验证的15个测点数据中，温度拟值与测量值最大绝对误差为1.06 ℃，平均绝对误差为0.268 ℃，最小相对误差为0.036%，最大相对误差为5.3%，平均相对误差为1.2%。对比王小超等使用标准k-Epsilon 模型中最大绝对误差为1.4 ℃、平均绝对误差为0.48 ℃、平均相对误差为2%[19]，本试验中各项误差均较小，验证模拟方法有效性以及模拟结果可信度。图4a为温度测量值与拟值对比图，图4c 为温度测量值与模拟值间相关性，决定系数为0.9268，表明温度仿真精度高，可用仿真模拟还原猪舍实际温度分布。建立的CFD 模型对温度仿真接近于实际情况，可用于后续猪舍温度分布研究。

3.2 风速场验证

在仿真验证的15 个测点数据中，风速模拟值与测量值之间平均绝对误差为0.013 m·s-1，平均相对误差为31.7%。本试验采用热线风速仪测量风速，气流需垂直通过风速仪得到较准确测量值，所以仿真值与测量值存在较大偏差。因整体风速数值较小且个别点位测量误差较大导致平均相对误差数值偏大，但整体平均绝对误差数值较小，模拟值与测量值间相关性决定系数为0.8926。图4b 和4c 为速度模拟值与测量值对比及其相关性，说明在整体风速场中吻合良好，该模型可用于后续猪舍风速模拟分析。

图4 模拟值与测量值的对比图及相关系数Fig.4 Comparison diagram and correlation coefficient between measured value and simulated value

4 CFD仿真结果分析

4.1 气流轨迹

图5为不同方案仿真中迹线图。在方案1无挡板仿真迹线图气流中，进风口直接吹向地面和猪栏地板碰撞形成气流涡流。靠近漏缝地板一侧大部分气流流向漏缝地板下，小部分形成涡流，漏缝地板下的一部分气流被出风口吸入，能够及时排出漏缝地板下粪便产生NH3等有害气体。在方案2水平挡板仿真迹线图中，风口气流吹向挡板后向四周发散，在猪舍内形成大面积涡流，大部分气流吹向空中，小部分气流经漏缝地板被出风口直接排出。流向AOZ（模型x=1～15 m，y=0～4 m 和6～10 m，z=0.5～0.9 m所围区域）新鲜空气较少。在方案3～5 仿真迹线图中，气流吹向挡板发散，大部分吹向AOZ，吹向地面再次发散形成小涡流。部分气流经过漏缝地板从出风口排出。方案3中经过挡风板发散后流向顶部的气流比方案4、5多。方案4、5气流轨迹类似，涡流区域大小有区别。

迹线图表明挡板可显著引导气流，不同挡板形成不同运动轨迹。与CHENG等研究挡风板对机械通风鸡舍气流分布影响[20]的结论一致。

图5 5种方案的气流迹线图（a）方案1，（b）方案2，（c）方案3，（d）方案4，（e）方案5Fig.5 Pathlines of 5 schemes(a)Case 1,(b)Case 2,(c)Case 3,(d)Case 4,(e)Case 5

4.2 温度分布

图6 为z=0.6 m 温度仿真图，红色标记框内为AOZ。5 种通风方案中最低温度为20.49 ℃，最高温度为25.04 ℃，所有方案均满足20～25 ℃保育猪舍舒适温度范围。由云图可观察到方案1整体温度最低，方案2整体温度最高，方案3～5差别较小需进行数据统计处理。在云图AOZ内每隔0.2 m选取一个温度值，用温差和温度标准差评价温度分布均匀程度。表2数据及图6仿真结果表明增加挡板可改变AOZ温度场分布，方案1中温差和标准差均最大，方案2中AOZ温度平均值最高，方案4中温差和标准差数值均最小。方案2～5比方案1温差降低50.77%～71.39%，标准差降低28.77%～62.32%。随挡板α角度减少，温差和温度平均值降低，当α角减少到45°后温差和温度平均值增加。说明合适角度的挡板可减小温差和标准差，提升温度分布均匀程度。与邓书辉研究挡板角度对低屋面横向通风牛舍环境影响[21]时得出的结论一致。

方案2风口为圆柱体挡板，气流向四周发散且形成较多涡流，由于整体环境温度大于气流温度，气流被加热后流向AOZ。方案2在同等热负荷和通风量AOZ 温度平均值比其他方案提高0.96～2.51℃。因方案4为α角为45°圆台，气流较均匀吹向AOZ，AOZ 形成较多小涡流均匀经过猪体的。从节能减排角度考虑方案2较优，从温度均匀度角度考虑方案4较优。

4.3 风速分布

图7 为z=0.7 m（保育猪腹部在建模坐标轴高度）速度仿真图，红色标记框内为AOZ。在无挡风板方案1中风口下方大面积风速超过0.3 m·s-1，最大风速为0.69 m·s-1，远大于冬季保育猪要求通风标准（0.2 m·s-1）。从云图上看方案2～4 风速可满足保育猪舍要求。方案5，有小面积最大风速均超过0.2 m·s-1，整体风速满足要求。因方案2～4 云图差别较小，需进行数据统计处理，在云图AOZ 内每隔0.2 m选取一个温度值。

图6 z=0.6 m处5种方案温度云图Fig.6 Temperature nephogram of five schemes at z=0.6 m

表2 不同方案猪舍温度Table 2 Pig house temperature of different schemes (℃)

图7 z=0.7 m处5种方案速度云图Fig.7 Velocity nephogram of five schemes at z=0.7 m

冬季保育猪舍内要求风速不大于0.2 m·s-1，风速太低不能保证通风效果。因此，选取风速在0.05～0.2 m·s-1区间和整体样本占比评估通风设计优良性，简称有效风速占比。变异系数（Coeffi⁃cient of variation，CV）评价AOZ中气流均匀性。CV定义为标准偏差与平均值比率，CV 表示与总体平均值相关变异程度[22]。因此，低值表示数据集中可变性较低，气流均匀性好。

由表3 数据及图7 仿真结果可知，方案1 中风速大于0.2 m·s-1风速样本个数最多，最大风速最高且远大于其他方案，CV 最高且数值大于1，为强变异，整体效果最差。方案2中最大风速最低，大于0.2 m·s-1风速样本最少。方案3 CV 最低，风速最均匀。

表3 不同方案猪舍风速Table 3 Wind velocity of pig house in different schemes

方案2～5比方案1最大风速降低44.93%～68.12%，大于0.2 m·s-1风速样本个数降低30%～98%，CV降低28.60%～61.37%。说明挡风板明显降低风口下方AOZ 最大风速、大于0.2 m·s-1风速样本个数和CV，改善通风效果和气流均匀程度。姚家君等针对鹅舍内机械通风时大量气流向上扩散，设计与气流方向呈一定倾角的可拉伸卷膜[23]，增加合适挡板能够改善风速分布均匀度及通风效率。加合适角度挡板可优化有效风速占比，改进通风效果。方案1、2、3、5有效风速占比相差较小，方案4比方案5提升23.15%。不同挡板在最大风速和CV有一定影响，方案5 与方案2 最大风速相差0.16 m·s-1。方案3比方案5 CV降低45.90%。

方案3 挡板α 角为60°，角度适中，气流均匀发散吹向AOZ，导致CV 最低。方案4 挡板α 角为45°，AOZ 区域形成较多涡流，有效风速占比最高。方案5挡板α角为30°，与方案1类似，有更多气流接近直角吹向地面，与地面碰撞后形成紊乱气流，导致CV较大，气流均匀性差。综合考虑气流均匀性、最大风速及大于0.2 m·s-1风速样本个数等因素，方案3 较优。考虑有效风速占比方案4较优。

4.4 空气龄分布

平均空气龄（Mean age of air，MAA），最早由桑德伯格在20世纪80年代提出用于综合衡量室内通风换气效果和空气品质的指标，表征空气由进气口到达室内某一位置的移动时间，反映空气新鲜程度[24]。MAA数值越小代表空气越新鲜。图8为猪呼吸带高度z=0.7 m和饲养员呼吸带高度z=1.6 m生成的MAA 云图，红框标记为AOZ，黑框为饲养员活动区域。在z=0.7 m云图中，MAA数值在风口下方较小，在猪舍拐角区域和走道区域较大。在z=1.6 m 云图中，方案4、5 MAA 数值较大区域较多，方案1～3 黑框内区域差别不明显。在z=0.7 m和z=1.6 m 云图中分别在AOZ 和黑框内每隔0.2 m选取一个温度值进行数据统计处理。

AOZ 中，方案1 到方案3 MAA 平均值逐渐减小，方案4、5 逐渐增加，说明不同α 角挡板可以改变MAA 分布，与曹孟冰等研究结果一致[10]。方案1标准差最大，方案3最小，且加挡板风口挡板标准差数值低于无挡板风口。AOZ 中加挡板方案MAA 标准差降低14.83%～43.40%，说明加挡板明显降低AOZ 内MAA 标准差，增加MAA 均匀度程度。在z=1.6 m 高度过道区域，方案1 到方案4 MAA平均值逐渐增加，方案5减小，方案4标准差最大，方案3最小。

方案4和方案5中，由于气流在AOZ区域形成较多小涡流，污浊气体随涡流流动无法及时排除，导致AOZ 区域MAA 平均值及标准差数值较大。方案4 中挡板α 角为45°，流动到z=1.6 m高度过道区域新鲜空气较少，饲养员呼吸带区域MAA 平均值及标准差数值较大。综合考虑AOZ和饲养员呼吸带区域MAA平均值和标准差，方案3较优。

图8 5种方案平均空气龄Fig.8 Mean age of air of 5 schemes

表4 不同方案猪舍空气龄Table 4 MAA of pig house in different schemes

5 结 论

本研究在试验验证猪舍管道垂直通风CFD 模型可靠的基础上。采用CFD 数值模拟探究在原有垂直通风基础上另设计1个圆柱和3个圆台形挡风板对猪舍环境的影响，结论如下：

a. 温度场和风速场CFD 仿真与实际测量数据接近，与实际测量值之间决定系数R2分别达到0.9268和0.8926。运用CFD仿真分析和预测温度和风速及相关数据可行。

b. 加挡板在改善气流轨迹、温度均匀性、风速和空气龄等方面效果提升明显。温度场中温差降低50.77%～71.39%，温度标准差降低28.77%～62.32%；风速场中最大风速降低44.93%～68.12%，大于0.2 m·s-1风速样本个数降低30%～98%，CV降低28.60%～61.37%，平均空气龄标准差降低14.83%～43.40%。

c.不同角度挡板产生不同气流，影响温度场、风速场和空气龄分布。挡板α 角为90°（圆柱）温度场AOZ 平均温度最高，挡板α 角为45°温度均匀性最好。综合考虑气流均匀性、最大风速、大于0.2 m·s-1风速样本个数、空气新鲜程度等因素，挡板α角为60°时较优。