基于計算流體力學(xué)的雞舍三維數(shù)值模型的建立與驗證

楊禮 ，杜龍環(huán)，胡陳明，鄭煒超，朱洪強，蔣小松，余春林，楊朝武*

（1.四川大恒家禽育種有限公司，四川 成都 610066；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100833；4.成都晟興牧業(yè)機(jī)械有限公司，四川 成都 611230；5.四川省畜牧科學(xué)研究院動物遺傳育種四川省重點實驗室，四川 成都 610066）

舍內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量及氣流組織模式等環(huán)境因子直接或間接影響家禽的生長和生產(chǎn)性能的發(fā)揮［1-2］。在影響禽舍內(nèi)環(huán)境的因素中起關(guān)鍵作用的是通風(fēng)模式，其同時也是執(zhí)行舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控的主要手段。近年來，隨著電腦技術(shù)的不斷發(fā)展，計算流體動力學(xué)（CFD）已在歐美國家廣泛應(yīng)用［3］。包括雞舍設(shè)計、舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)評估、通風(fēng)模式優(yōu)化等研究主題均可在CFD 模型上實現(xiàn)建模并快速完成模擬得到最優(yōu)結(jié)論。本研究以實際的全環(huán)控密閉雞舍為模擬對象，利用CFD技術(shù)開展三維數(shù)值建模工作，構(gòu)建了1∶1試驗?zāi)Ｐ停⑼ㄟ^現(xiàn)場定點測量驗證了該數(shù)值模型的可靠性，以期為開展雞舍環(huán)境控制及通風(fēng)模式優(yōu)化研究提供新的技術(shù)手段。

1 雞舍氣流和溫濕度的現(xiàn)場測定

1.1 試驗雞舍 本研究CFD 建模對象為全環(huán)控密閉雞舍，長40 m、寬9.2 m，屋頂安裝雙層彩鋼吊頂，高度2.5 m。該雞舍采用縱向通風(fēng)模式，進(jìn)風(fēng)口位于雞舍一端兩側(cè)并配有濕簾降溫裝置，3 臺風(fēng)機(jī)位于雞舍另一端。雞舍安裝有數(shù)十個側(cè)墻小窗，但試驗過程中小窗始終處于關(guān)閉狀態(tài)。舍內(nèi)總計4 列雞籠，每列3 層，共計飼養(yǎng)約3 500 只雞。入風(fēng)口處安裝有導(dǎo)流板并預(yù)設(shè)35°傾角。

1.2 試驗儀器 舍內(nèi)溫度、相對濕度和風(fēng)速采用多功能風(fēng)速儀TSI 9454 測量。風(fēng)速量程為0～30 m/s，精度為±0.015 m/s，分辨率為0.01；溫度量程為-10 ℃～60 ℃，精度為±0.3 ℃，分辨率為0.1；相對濕度量程為0%～99%，分辨率為0.1。舍內(nèi)墻面、地面及屋頂溫度使用手持式紅外溫度儀測量，精度為1%或±1.0 。

1.3 測量方式 舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)測量點位分布于舍內(nèi)15 個地方，每個地方測量兩個高度：0.8 m（第一層雞的高度）和1.8 m（第三層雞的高度），總計測量30個點位。每個點位測量時長為50 s，采樣頻率為1 Hz。對于各壁面溫度，在雞舍前、中、后多點采樣，平均值用于數(shù)值模型初始化。本試驗測量過程中，僅開啟中間通風(fēng)風(fēng)機(jī)，其余兩個風(fēng)機(jī)始終處于關(guān)閉狀態(tài)。試驗前后檢測入風(fēng)口風(fēng)速及室外溫度，未發(fā)現(xiàn)明顯差異。

1.4 數(shù)據(jù)處理與模型驗證 將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)用Excel 2010 軟件建立數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計分析，將實際測量結(jié)果與CFD 預(yù)測模擬結(jié)果采用相對誤差法進(jìn)行檢驗。相對誤差法的公式如下：

其中，Cp為CFD 模型值，C0為實測值。通過檢驗比較模型準(zhǔn)確性。

2 CFD模型構(gòu)建

2.1 雞舍模型 本研究中，三維數(shù)值建模利用商業(yè)軟件Pointwise V17進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)建，數(shù)值求解使用商業(yè)軟件ANSYS Fluent 17.0。模型幾何尺寸包括入風(fēng)口依照真實試驗雞舍尺寸。出風(fēng)口（風(fēng)機(jī)）簡化為1.27 m 直徑的圓形。由于雞舍真實有效空間由四周壁面、地面及吊頂構(gòu)成，因此模型幾何外觀簡化為一個長方體。

2.2 多孔介質(zhì)模型 鑒于現(xiàn)有計算機(jī)處理能力，在三維模型中無法對每只雞的幾何形態(tài)進(jìn)行獨立構(gòu)架，因此實際建模中不可避免地要進(jìn)行簡化。多孔介質(zhì)模型可以有效針對雞籠和雞構(gòu)成的整體進(jìn)行簡化模擬（忽略料槽、飲水系統(tǒng)等）。如下列公式②所示，其中等式右邊第一項為粘性損失，第二項為慣性損失。

其中ΔPi/ΔXi是在x、y、z三個方向上單位長度的壓降，單位為Pa·m-1；|ν|是速度大小，單位為m·s-1；D和C是預(yù)先設(shè)定的三個方向上的粘性、慣性阻力系數(shù)矩陣，單位分別為m-2和m-1；νj是三個方向的速度矢量，單位為m·s-1；μ是空氣的動力粘度，單位為N s·m-2；ρ是空氣密度，單位為kg·m-3。

從公式②可以看出，把雞籠及雞整體簡化為多孔介質(zhì)模型，最重要的是需要知道正確的粘性（D）及慣性（C）阻力系數(shù)。本研究以Cheng等［4］在風(fēng)洞實驗室實際測量的相關(guān)阻力系數(shù)為參考，同時基于多孔介質(zhì)模型，雞的產(chǎn)熱量（THP）及產(chǎn)濕量（M0）可由下列公式③［5-6］和公式④［7］分別給出。其中雞群平均體重（M）經(jīng)測量后大概為2.6 kg/只。

2.3 網(wǎng)格收斂性驗證 本試驗分別研究了四種網(wǎng)格細(xì)密度：網(wǎng)格A（90萬網(wǎng)格單元），網(wǎng)格B（170萬網(wǎng)格單元），網(wǎng)格C（320 萬網(wǎng)格單元），網(wǎng)格D（550萬網(wǎng)格單元）。在相同位置選取三個模擬采樣點來檢驗每種網(wǎng)格密度的網(wǎng)格收斂性，采用Roache P［8］報道的網(wǎng)格收斂性指標(biāo)（GCI）進(jìn)行對比。綜合考慮后選取網(wǎng)格C 進(jìn)行模型可行性驗證。

2.4 模型邊界條件 本研究中模型邊界條件的設(shè)定和初始化均基于真實試驗條件和現(xiàn)場測定結(jié)果，其中屋頂、地面及四周壁面的初始溫度見表1。非滑移面條件下，設(shè)定靠近壁面的流速為0 m·s-1。表1顯示入口處空氣相對濕度高達(dá)98%左右，主要是由于濕簾降溫導(dǎo)致。試驗前后均進(jìn)行了室外參數(shù)測定，未發(fā)現(xiàn)明顯變化，室外平均溫度為25.2 ℃，平均相對濕度為62%。模型中入風(fēng)口設(shè)定為速度進(jìn)口，出風(fēng)口設(shè)定為壓力出口。

表1 用于模型初始化的各參數(shù)實測值

2.5 湍流模型選取及其他設(shè)定 本模型求解過程中考慮到流體旋轉(zhuǎn)、邊界層分離及流體回流等因素，選取Realizable κ-ε湍流模型進(jìn)行求解計算。本模型中壁面參數(shù)y*介于30～300 之間，因此選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解。其他參數(shù)詳見表2。

表2 CFD模型基本參數(shù)設(shè)定

3 結(jié)果與分析

將雞舍30個點位的溫度、濕度以及風(fēng)速的現(xiàn)場實測值與CFD 三維模型模擬值進(jìn)行相對誤差檢驗，結(jié)果分別見表3、表4和表5。

3.1 溫度 舍內(nèi)溫度模擬值和實測值的平均相對誤差為3.30%。由表3 可以看出，30 個測量點位中，有22 個測量點位的溫度絕對誤差是小于1 ℃的；同時，30 個點位中有25 個點位的相對誤差小于5%。以上結(jié)果證明CFD模型能很好地模擬雞舍舍內(nèi)溫度的分布。

表3 溫度CFD模擬值與現(xiàn)場測量值的誤差及相對誤差

表4 相對濕度CFD模擬值與現(xiàn)場測量值的誤差及相對誤差

表5 空氣速度CFD模擬值與現(xiàn)場測量值的誤差及相對誤差

3.2 相對濕度 舍內(nèi)相對濕度的模擬值和實測值的平均相對誤差為4.46%。在30 個測量點位中，所有點位的相對誤差均小于10%，同時有18個點位的相對誤差小于5%。從表4 可以看出，絕大多數(shù)點位的模擬值均小于現(xiàn)場測量值，同時出現(xiàn)誤差最大的地方是雞舍后部點位16～24 處，可能的原因是CFD 模型雖然考慮了雞的散濕，但糞便中的水分蒸發(fā)并未在模型中體現(xiàn)。從以上數(shù)據(jù)可以看出，CFD 模型能夠很好地模擬雞舍舍內(nèi)濕度的分布，與試驗測量值差異不大。

3.3 空氣速度 舍內(nèi)空氣速度的模擬值和實測值的平均相對誤差為5.85%。最大絕對誤差發(fā)生在測量點4，大小為0.086 m·s-1（E=11.4%）。測量點4 位于雞舍前端進(jìn)風(fēng)口附近，由于來自左右進(jìn)風(fēng)口的兩股氣流在雞舍中間碰撞及混合，導(dǎo)致了氣流在此處相對不均勻，因此該處的模擬值與實測值有較大的誤差。在30 個測量點位中，有27個點位的相對誤差小于10%，15個點位的相對誤差小于5%。以上結(jié)果充分證明CFD模型可以很好地模擬雞舍內(nèi)部空氣的流動情況。

4 結(jié)論

本研究運用CFD 技術(shù)搭建了全環(huán)控密閉雞舍的三維數(shù)值模型，基于實際測量數(shù)據(jù)對模型初始邊界條件進(jìn)行了設(shè)定。通過現(xiàn)場試驗測量了雞舍內(nèi)部30 個點位的環(huán)境參數(shù)（包括溫度、濕度及風(fēng)速），并與CFD 模型預(yù)測值進(jìn)行了對比。通過對絕對誤差及相對誤差等指標(biāo)的比較，同時考慮到實際雞舍內(nèi)氣流組織的復(fù)雜性，充分證明本研究搭建的CFD 模型可以很好地模擬雞舍內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的分布情況，可用于舍內(nèi)環(huán)境的進(jìn)一步優(yōu)化模擬。