吳照學 梁偉 鮑恩財 陳菁 柏宗春 應詩家

摘要：針對冬季規(guī)?；B(yǎng)殖鴨群集聚問題，對發(fā)酵床網養(yǎng)鴨舍溫度、相對濕度和風速測試，構建鴨舍CFD模型，開展溫度場、濕度場和氣流場的環(huán)境模擬，提出鴨舍結構與裝備的優(yōu)化方案。結果表明：測試期間，舍內溫度為9.80℃～17.68℃，舍內外平均溫差8.29℃；舍內平均相對濕度為81.90%，略低于舍外；舍內風速為0.04～0.57m/s。對原模型溫度場、濕度場和氣流場進行模擬，與實測結果進行對比，其平均相對誤差為2.96%～7.67%。進一步將通風小窗開啟角度從45°增大至50°，在位于濕簾側的發(fā)酵床初始端和發(fā)酵床中心位置增設2臺暖風機對原有鴨舍環(huán)境優(yōu)化，模擬發(fā)現優(yōu)化后模型的舍內溫度從15.32℃提高到16.85℃，達到育成期蛋鴨生長最適溫度；舍內平均濕度降至66.52%，較原來下降11.07%，低于高濕環(huán)境閾值；舍內平均風速從0.29m/s提高到0.38m/s，提高排除有害氣體的能力。為同類型鴨舍改善舍內環(huán)境質量提供理論依據。

關鍵詞：鴨舍；發(fā)酵床網養(yǎng)；計算流體力學；環(huán)境優(yōu)化

中圖分類號：S834

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12003307

Simulation and optimization of winter environment for duck house with

fermentation bed net based on CFD

Wu Zhaoxue1， Liang Wei1， 2， Bao Encai2， Chen Jing3， Bai Zongchun2， Ying Shijia2

（1. School of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei， 230036， China; 2. Jiangsu Academy of

Agricultural Sciences， Nanjing， 210014， China; 3. Jiangsu Gaoyou Duck Development Group Co.， Ltd.，

Yangzhou， 211200， China）

Abstract：

In response to the problem of large-scale duck farming in winter， temperature， relative humidity， and wind speed tests were conducted on the fermentation bed net duck breeding house. A CFD model of the duck house was constructed， and environmental simulations of temperature， humidity， and airflow fields were carried out. Optimization plans for the structure and equipment of the duck house were proposed. The results showed that during the testing period， the temperature inside the room was 9.80℃-17.68℃， and the average temperature difference between inside and outside the room was 8.29℃. The average relative humidity inside the house was 81.90%， slightly lower than outside. The wind speed inside the building was 0.04-0.57m/s. The temperature， humidity， and airflow fields of the original model were simulated and compared with the measured results， with an average relative error of 2.96% to 7.67%. Further， the opening angle of the ventilation was increased from 45° to 50°， and two warm air fans were added to the initial end and center of the fermentation bed located on the wet curtain side to optimize the environment of the original duck house. Simulation showed that the temperature inside the optimized model was increased from 15.32℃ to 16.85℃， reaching the optimal temperature for the growth of egg ducks during the breeding period. The average humidity inside the house was decreased to 66.52%， a decrease of 11.07% compared to the original， which was lower than the threshold of high humidity environment. The average wind speed inside the building was increased from 0.29m/s to 0.38m/s， improving the ability to remove harmful gases. This study can provide a theoretical basis for improving the environmental quality of similar duck houses.

Keywords：

duck coop; fermentation bed net; CFD; environmental optimization

0 引言

設施環(huán)境顯著影響鴨的生長性能，近年來，鴨養(yǎng)殖逐漸向標準化、集約化、規(guī)?；透＠较虬l(fā)展，傳統(tǒng)的臨水養(yǎng)殖和旱地平養(yǎng)由于設施簡陋、飼養(yǎng)環(huán)境差逐漸被淘汰［1］。發(fā)酵床網養(yǎng)鴨舍利用發(fā)酵床實現鴨糞原位發(fā)酵解決鴨糞處理難的問題，該模式下鴨在網床上自由活動，擺脫鴨籠的束縛，有效地將鴨群與鴨糞分開，減少鴨群病菌的感染率，此外糞便通過網孔下落會進行原位發(fā)酵，將糞污轉化成有機肥料，可用于農業(yè)生產［2］。但由于發(fā)酵床網養(yǎng)鴨舍集約化程度高，會造成舍內氣流不通暢，加之冬季舍外溫度低，為了達到保溫的效果鴨舍門和通風窗多為關閉狀態(tài)，會導致舍內氣流蓄積有害氣體濃度變高［3］，進而影響鴨的健康［4］，降低鴨的生產效益。因此，對冬季發(fā)酵床網養(yǎng)鴨舍環(huán)境評估與優(yōu)化等問題亟待解決。

目前，畜禽舍內環(huán)境測試優(yōu)化的重要手段是計算流體力學（Computational Fluid Dynamic，CFD）技術，CFD技術是通過數據分析模擬為試驗人員提供詳盡的氣動數據和圖像［5］。CFD技術在國外起步比較早，并在近年來有了較大的突破。1990年，Choi等［6］最先使用k-ε湍流模型對畜禽舍內環(huán)境進行了初步模擬，模擬的過程相對較長，由于自然條件的欠缺和技術的不成熟，所得的氣流模擬結果與實際所測誤差較大。1992年，Hoff等［7］將畜禽舍模型假定成一個能夠發(fā)熱的板狀結構，模擬了畜禽舍內的熱交換現象，結果表明模擬結果具有很好的準確性。此后，大部分研究都會將畜禽舍氣流的模擬與溫度的模擬結合起來研究。Kic等［8］利用CFD技術對夏冬兩季肉雞舍內的通風狀況進行二維和三維模擬，試驗證明相比夏冬兩季肉雞舍二維通風模型，三維模擬數據精確度更加精確。Sun等［9］又利用CFD技術模擬了豬舍的氣流和有害氣體，構建豬舍的氣流場三維模型，結果發(fā)現模擬值與實測值無明顯差異，從而表明CFD模型是評估畜禽舍氣流場重要手段。國內針對CFD技術對畜禽內環(huán)境評估起步比較晚，多用于雞舍、牛舍等溫度場和氣流場的研究。李文良等［10］利用CFD技術模擬了冬季密閉式雞舍縱向通風過程，對雞舍內進風口大門的安裝位置、高度進行模擬，探究其對雞舍氣流的影響。鄧書輝等［11］運用CFD對低屋面橫向通風牛舍氣流場進行模擬，旨在為低屋面橫向通風牛舍的結構提供合理的優(yōu)化。近年來，國內畜禽調控技術發(fā)展快速，畜禽生長性能等一系列問題得到了有效的解決，顯著提高養(yǎng)殖水平。

本文擬通過現場實測結合CFD模擬的方式，對發(fā)酵床網養(yǎng)鴨舍內溫濕度、風速進行測試與分析，并對鴨舍內環(huán)境進行CFD模擬，針對模擬的溫度場、濕度場和氣流場存在的問題進行設施結構與裝備優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 供試鴨舍

1.1.1 鴨舍結構

試驗鴨舍位于江蘇省揚州市高郵鴨集團養(yǎng)殖示范基地（119°46′E、32°78′N）。鴨舍平面結構與尺寸如圖1（a）所示，鴨舍長100m，寬15m，檐高3.4m，屋脊高5.3m，呈南北走向。南北兩側縱墻上各安裝有24個通風小窗和12扇窗戶，通風小窗尺寸為0.6m×0.3m，通風小窗導流板開啟角度為0°～100°，窗戶尺寸為長1.95m、寬0.97m、距地面1.5m，冬季正常情況下窗戶全關閉，濕簾安裝于西側墻頭，尺寸為12.4m×2m，厚度為0.2m，距離地面1m。污道一側山墻并列安裝6臺風機，從左至右依次標號為1、2、3、4、5、6，每臺間距1.03m，風機長寬都是1.3m，距離地面1.5m，理論風量為31 800m3/h［12］，如圖1（b）所示。

網床長90m，寬15m，厚0.1m，距離地面1.9m。網床分為活動區(qū)和休息區(qū)，活動區(qū)11.5m，休息區(qū)3.5m。鴨舍內配套自動飲水和喂料系統(tǒng)以及糞便自動翻耙系統(tǒng)。自動飲水系統(tǒng)采用乳頭式位于發(fā)酵床兩側，自動喂料系統(tǒng)位于發(fā)酵床中間，白天每隔3h自動喂料一次，鴨群在網床上層自由活動，糞便通過漏縫板下落。

1.1.2 通風模式

舍內飼養(yǎng)蘇郵1號蛋鴨約4000羽。采用負壓縱向通風模式，測試期間舍內蛋鴨處于250日齡，屬于育成期蛋鴨，理想溫度范圍是16℃～18℃［13］，在滿足最小通風量的前提下結合當地氣候與多年養(yǎng)殖經驗進行調整。根據江蘇地區(qū)冬季氣候特點，設定試驗鴨舍冬季理想溫度為16.0℃。（1）當舍內溫度≤16.0℃時，執(zhí)行最小通風量的風機運行狀態(tài)，開啟3號風機，執(zhí)行順序為：開40s，停50s，再開40s，再停50s，如此循環(huán)往復。（2）當16.0℃＜舍內溫度＜18.0℃時，開啟3號和5號兩臺風機，執(zhí)行順序為：開50s，停60s，再開50s，再停60s，如此循環(huán)往復。舍內溫度每升高0.5℃，該2臺風機多運行25s，如舍內氣溫為16.5℃，則兩臺風機開75s，停60s，如此循環(huán)往復。（3）當舍內溫度=18.0℃時，則開啟1、3、5號三臺風機，執(zhí)行順序為：開40s，停50s，如此循環(huán)往復。（4）當舍內溫度＞18.0℃，1、3、5號三臺風機連續(xù)運行，并增開4號風機，直到降至18.0℃，關閉4號風機。

1.2 試驗設計

本試驗主要測量舍內不同區(qū)域的溫度、相對濕度、風速以及舍外溫濕度。舍內和舍外共布置8個測點，舍外放置在鴨舍門前，測量舍外的溫度和相對濕度，舍內網床四等分點設置5個測點，中間兩側各放置1個。

溫度和相對濕度采用HOBO溫濕度記錄儀UX100-011實時監(jiān)測記錄（溫度量程-20℃～70℃，精度為±0.2℃；相對濕度量程1%～100%，精度為±2.5%），記錄時間為30min一次；風速采用Testo425熱敏風速儀（測量范圍0～20m/s，分辨率為0.01m/s）測定，測定方式為手持讀數，測定時間為每天8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00、20：00。

2 結果與分析

2.1 舍內外溫濕度分析

圖2和圖3顯示連續(xù)8d（2022-01-18 0：00—2022-01-26 0：00）舍內外溫度和相對濕度變化情況，測試期間舍內縱向溫濕度采集點共有5處，選取5處取平均值作為舍內整體溫濕度。

由圖2可知，連續(xù)8d舍外溫度范圍為2.22℃～11.93℃，平均溫度為5.77℃；舍內溫度范圍為9.80℃～17.68℃，平均溫度為14.05℃。舍內外平均溫差8.29℃，最大溫差12.39℃，說明供試鴨舍冬季具有保溫效果，但相比育成期蛋鴨最適生長溫度16℃～18℃，舍內溫度偏低。

由圖3可知，連續(xù)8d舍外相對濕度最高為95.55%，最低為59.65%，平均相對濕度82.57%；舍內相對濕度最高為90.53%，最低為67.57%，平均相對濕度81.90%。供試鴨舍內相對濕度曲線變化趨勢與舍外基本一致，日變化幅度均小于舍外，變化幅度小減少鴨的應激反應，更有利于鴨的生長。畜禽養(yǎng)殖行業(yè)將相對濕度>75%定義為高濕環(huán)境，舍內大部分時間內處于高濕環(huán)境。

2.2 舍內風速分析

圖4顯示不同時刻舍內不同區(qū)域風速變化。由圖4可知，舍內風速變化范圍為0.04～0.57m/s。西側（濕簾側）顯著高于中部和東側（風機側）（P＜0.05），東、西、中三個區(qū)域風速都是先向上升后下降再上升，在正午時刻達到頂峰，并且由濕簾至風機呈上升趨勢；整體來看，舍內風速遠低于適合家禽生長的最佳風速范圍1.5～2.0m/s［14］，風速低會造成舍內氣流不通暢，有害氣體聚集。

3 CFD模擬

3.1 三維模型建立

假設鴨舍墻壁和屋頂為絕熱壁面，同一側墻體的不同區(qū)域溫度看作相同；地面定義為恒溫壁面；進風口氣流勻速等溫，流體的流動遵循四大定律包括；舍內各維護結構定義為熱流量壁面，忽略物線水線等結構對舍內氣流的影響；由于蛋鴨在活動區(qū)較分散，模型建立忽略蛋鴨對舍內氣流的影響。

根據實地測量和模擬工況的數據，在上述內部結構與裝備簡化的基礎上利用SolidWorks對幾何進行建模后，導入Ansys Design model進行模型布爾操作，同時對各邊界條件進行命名以用于后期數值求解，Z軸正向為東向，X軸正向為北向，建立如圖5所示的三維鴨舍模型。

3.2 網格劃分

將建立的鴨舍三維模型導入ANSYS fluent中，采用fluent meshing對三維幾何模型進行離散。劃分網格類型為多面體網格，對45°導向通風小窗位置進行網格細化，定義該區(qū)域局部面網格尺寸為30mm，風機和濕簾面網格尺寸定義為150mm，幾何模型整體最大面網格尺寸定義為800mm，網格增長率為1.2，面網格生成采用曲率與近似的方法以進一步增強網格質量，最終幾何模型生成網格數量為1381204，網格質量評判指標最大畸變度和最小正交質量分別為0.86和0.14，建立如圖6所示的鴨舍網格劃分圖。

3.3 邊界條件及求解器設置

劃分網格之后，將網格文件導入求解器中，進行邊界條件的設置，具體模擬工況邊界條件設置為：（1）假定舍內熱空氣為連續(xù)、不可壓定的理想氣流。（2）假定鴨舍屋頂為絕熱壁面，地面定義為恒溫壁面，其數值為模擬時間內室內平均溫度（16.02℃）；墻體定義為熱流量壁面，以實測數據為準（東墻19.9W/m2；西墻10.1W/m2；南墻21.5W/m2；北墻9.9W/m2）。（3）忽略舍內供水供料等管道對舍內氣流的影響；舍內封閉大窗小窗、門區(qū)域定義為與外界氣溫對流的壁面，對流換熱系數7.5W/m2，具有45°通風導向小窗定義為自由進出口。（4）風機開1臺（中間第3號風機），其他風機定義為絕熱壁面；濕簾為均勻進風入口，冬季假定濕簾水泵未開啟不需要降溫，其溫濕度及氣流流速定義為測試值。（5）發(fā)酵床定義為多孔介質以減少仿真計算成本。

根據Forchheimer描述空氣流經多孔介質定律［15］

式中：

1/α——黏性阻力系數，8341605.404m-2；

β——慣性阻力系數，120.5191837m-1；

ΔP——流體在介質中的壓力損失，N；

d——多孔介質長度，m；

v——介質中空氣流速，m/s；

ρ——介質的滲透率；

μ—孔黏度。

代入式（1）得假定多孔介質后壓降

式中：

μ0——空氣黏度，μ0=1.7894×10-5為15℃時的黏度；

T——溫度，℃；

B——與氣體種類有關的常數，空氣的B=110.4。

發(fā)酵床估計孔隙率為20×25×13×10/300×300=0.72，由此可得發(fā)酵床網孔的孔隙率為0.72。

模擬過程中舍內處于穩(wěn)定狀態(tài)，風機正常運行，舍內入風口與出風口氣流速率恒定不變，所以使用基于壓力穩(wěn)態(tài)（狀態(tài)不隨時間的變化而改變）求解數學模型；數值求解采用標準k-ε湍流模型，標準k-ε湍流模型具有計算速度快、對硬件條件低的優(yōu)點，是近年針對畜禽舍數值模擬的最廣泛完整是湍流模型，因此，本文所有的模擬計算均采用了標準的k-ε模型作為湍流模型。

3.4 模擬結果驗證

因為2022年1月18日12：00這一時刻舍內外溫差最大，所以選擇這一時刻進行模擬。對應模擬的溫度場、濕度場和氣流場如圖7所示。

由模擬結果可以看出供試鴨舍冬季內環(huán)境存在以下問題：（1）舍內整體溫度偏低（15.32℃），低于育成期蛋鴨最適生長溫度（16℃～18℃），由于養(yǎng)殖人員進出鴨舍，出口門經常打開，導致靠近濕簾側溫度較低（12.53℃）。（2）舍內整體濕度較高（77.32%），高于高濕環(huán)境閾值75%。（3）舍內整體風速較低（0.29m/s），特別是靠近風機一側風速低于0.2m/s。

為驗證CFD仿真模擬的準確性，詳細對比分析實測值與模擬值，引入相對誤差計算公式［16］，如式（3）所示。

式中：

Ev——實測值與模擬值之間的相對誤差；

Cs——模擬值；

Cm——實測值。

評估模擬結果的準確性就是比較CFD仿真模擬中與測點同一位置、同一時刻的數據，本文選擇鴨舍同一時刻5個測點（距離濕簾1m、距離濕簾25m、距離濕簾50m、距離濕簾75m、距離濕簾98m靠近風機）的溫度、相對濕度和氣流對比分析得出結果如圖8所示：溫度相對誤差范圍1.40%～6.09%，平均誤差3.78%；濕度的相對誤差范圍1.71%～4.54%，平均誤差2.96%；氣流相對誤差范圍4.48%～10.00%。平均誤差7.67%，說明模擬結果與實測數據吻合性較高，模擬值較準確反映試驗鴨舍內溫度、相對濕度和氣流速度變化情況，并且以該模擬為基礎可以對該鴨舍環(huán)境進行有效的評估與分析。

3.5 舍內溫度、濕度和氣流優(yōu)化

為解決模擬結果出現的溫度低、濕度大、風速低等問題，利用CFD數值仿真技術對鴨舍結構與裝備進行優(yōu)化設計，提出在改進通風小窗開啟角度的基礎上增加暖風機的優(yōu)化方案，具體方案與優(yōu)化結果如下。

暖風機邊界條件設置：鴨舍總面積1500m2，預期設定溫度從14℃提升至16℃所需熱量按照式（4）計算。

Q=C×m×Δt（4）

式中：

Q——需要總熱量，J；

C——比熱容，J/（kg·℃）；

m——質量，kg；

Δt——需要提升溫度的差值，℃。

鴨舍總面積1500m2，空氣比熱容1.004kJ/（kg·℃），空氣密度為1.23kg/m3，求得鴨舍溫度從14℃提升至16℃所需熱量為9261.9kJ，由于鴨舍存在一些保溫結構，假定鴨舍與外界進行熱量交換損失50%［17］，所以需要總熱量18523.8kJ，根據電力熱量換算系數860［18］，所以需要20kW功率的工業(yè)柴油暖風機。出風口定義為速度出口，出風溫度為45℃，進風口定義為速度入口，風速與出風口相同。為避免暖風機熱風直接吹向鴨對鴨產生應激反應，仿真中將暖風機風口仰角調控至30°，鴨舍內布置兩臺，位于靠近濕簾側的發(fā)酵床初始端和發(fā)酵床中心位置。

在其他原有模擬邊界條件和求解設置不變的情況下，對2022年1月18日12：00這一時刻改進后的鴨舍幾何模型經過仿真模擬得出優(yōu)化后的仿真結果如圖9所示。

由優(yōu)化后溫度場、濕度場和氣流場可知：（1）溫度場：增加通風小窗開啟角度會加大舍內的能量損失，但通過在靠近濕簾側的發(fā)酵床初始端和發(fā)酵床中心位置添加兩臺暖風機使得舍內各位置溫度增高，并且達到育成期蛋鴨生長的最適溫度。（2）濕度場：增添暖風機使得舍內溫度增高，濕度降低，低于高濕環(huán)境閾值75%，特別是靠近風機側溫度明顯上升，濕度明顯降低。（3）氣流場：優(yōu)化后提高了舍內風速，并且由于暖風機在發(fā)酵床上方因此對下方氣流分布影響忽略不計，優(yōu)化后明顯提高了發(fā)酵床上方鴨活動區(qū)域氣流流速并且暖風機將原有的部分盛行氣流導引至發(fā)酵床上方，有利于鴨活動范圍內CO2和NH3的稀釋。

4 討論

Yahav等［14］研究發(fā)現，畜禽舍風速范圍為1.5～2.0m/s時最適合禽類生長，本研究測試期間舍內風速范圍0.04～0.57m/s，遠低于禽類生長的最適風速范圍，這也導致舍內CO2濃度遠高于定期清糞鴨舍CO2濃度閾值1500mg/m3，因此還需要優(yōu)化舍內通風模式，以減少因CO2濃度過高對鴨生長的影響，此外，由于前期試驗準備不充分，沒有測量舍內顆粒物濃度，顆粒物含量過高抑制鴨的生長，保證鴨舍顆粒物含量在適當范圍也是改善鴨舍環(huán)境的主要措施之一，在后續(xù)的研究中，會積極與企業(yè)溝通交流，對舍內顆粒物濃度進行測量改善。

對鴨舍環(huán)境模擬發(fā)現，優(yōu)化后模型增加了舍內風速特別是網床上端鴨活動區(qū)域，暖風機設置向上仰角30°，一方面降低暖風直吹造成鴨熱應激，另一方面可以將鴨活動區(qū)域CO2和NH3排至網床上方從通風小窗排出，但具體排出量還未計算，這將是下一步的研究重點。另外，模擬值與測試值的個別誤差比較大可能是由于建模過程中未考慮蛋鴨對舍內環(huán)境因子的影響所造成的。同時，本文對裝備與結構優(yōu)化的方案未進行實測驗證，后續(xù)將開展相關研究。

5 結論

本文通過實地測量發(fā)酵床網養(yǎng)鴨舍內冬季溫濕度、風速，構建了鴨舍的CFD模型，驗證了模型的準確性，對舍內存在的溫度低、濕度大和風速低等問題進行優(yōu)化，提出改變通風小窗開啟角度（從45°增大到50°）和增加暖風機（在位于靠近濕簾側的發(fā)酵床初始端和發(fā)酵床中心位置增設兩臺暖風機）的方案。

1）測試期間，舍內溫度9.80℃～17.68℃，舍外溫度2.22℃～11.93℃，舍內外平均溫差8.29℃，最大溫差12.39℃，說明供試鴨舍冬季具有保溫效果，但相比育成期蛋鴨最適宜的生長溫度16℃～18℃，舍內溫度偏低；舍內相對濕度67.57%～90.53%，舍外相對濕度59.65%～95.55%，舍內相對濕度日變化幅度均小于舍外，但大部分時間處于高濕環(huán)境。

2）根據現場實測環(huán)境因子和維護結構尺寸，對冬季發(fā)酵床網養(yǎng)模式鴨舍進行CFD仿真模擬，并將現場實測溫度、相對濕度和風速與CFD模擬數值進行驗證結果發(fā)現具有較好的吻合性，說明該模型可有效評估冬季發(fā)酵床網養(yǎng)鴨舍內環(huán)境，并可對鴨舍結構與裝備進行優(yōu)化模擬。

3）優(yōu)化后結果表明：舍內溫度從15.32℃提高到16.85℃，達到育成期蛋鴨生長最適溫度，靠近濕簾側溫度達到14.87℃；舍內平均濕度降至66.52%，較原來下降11.07%；舍內平均風速從0.29m/s提高到0.38m/s，并且在優(yōu)化過程中我們將暖風機出風角度風口仰角調控至30°，一方面降低因吹風過大對鴨的應激，另一方面，暖風機明顯提高發(fā)酵床上層鴨活動區(qū)域氣流速率，利于CO2和NH3通過通風小窗排出舍外，在有效提高發(fā)酵床上層鴨活動區(qū)域氣流流速的同時，加速舍內CO2和NH3等有害氣體排出舍外。

參 考 文 獻

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