內蒙古地區牛舍夏季通風結構改造研究

（通遼市開魯縣家畜改良工作站，內蒙古通遼 028400）

0 引言

從20世紀70年代至今育肥牛技術經過幾十年的發展和完善已趨于成熟，并備受人們關注[1-3]。總結發現影響育肥牛生長的因素主要有：育肥方式的選擇、育肥出欄時一起調控、育肥牛飼料的選擇、飼料添加劑的應用、防疫措施以及建筑結構等。而隨著我國科技的快速發展，優質飼料以及疫苗等供給充足，但對于一些地區建筑結構相對落后，從而阻礙育肥牛的飼養。而隨著人們對生活水平有了質的提高，不僅對牛肉的口感有很大要求，營養問題更為重要。因此快速培養優質的育肥牛，才能不斷滿足人們的需求。

內蒙古通遼市某育肥牛廠由于其通風結構單一導致牛舍內部廢氣不能很好地排出，不僅對飼養人員有危害而，且會造成育肥牛情緒易躁動、生長育肥慢、易感染傳染病等一系列問題，直接造成經濟損失[4]。因此定性分析牛舍內通風狀況，通過改變牛舍結構達到合理的通風狀況是此次實驗研究的關鍵[5]。文章采用數值模擬仿真方法，通過CFD數值模擬對比分析改造后育肥牛舍與原育肥牛舍的通風狀況[6～8]，從而優化解決傳統育肥牛舍通風不良的問題，旨在確保育肥牛安全的下改善牛舍結構解決牛舍通風不暢的問題，促進地方畜牧業的快速發展。

1 牛舍模型介紹及計算工況

1.1 模型介紹及網格劃分

針對內蒙古地區牛舍，根據實際尺寸取1/4體結構建立數值模型。1/4體牛舍結構地基長為14200mm、寬為10000mm、背陽面高為5000mm，向陽面圍墻為石磚堆砌（不透風），內部對每頭肉牛進行圍墻隔離高1200mm，石墻壁厚200mm，水平段管道直徑2000mm，牛舍背陽面有兩個垂直地基高h=1550mm的自然對流通風口，每個通風口截面積為S=2500000mm2，如圖1所示；改造1/4體牛舍結構地基不變，向陽面圍墻改為透風鐵柵欄，內部隔離圍墻向朝陽面移動S=800mm，牛棚上方加裝兩個方形抽氣口（呈一定傾角以防止雨水滴入），截面積為S=7000mm2，背陽面改為四個圓形垂直地基高h=400mm的強制對流通風口，每個通風口截面直徑為Φ=1200mm，如圖2所示：

圖1 原牛舍三維模型結構

模擬應用Mashing平臺將網格初步劃分完成后，調整Relevance選項來 調整網格疏密程度，由于整體網格劃分較密，取1/4體，當采用1/4體計算時根據模型特性需要對局部網格細化，選擇Proximity and Curvature選項，并將Relevance center選項勾選Medium，系統自動細化網格。網格數量分別為5，500，000和12，800，000左右。網格劃分之后的模型效果如圖1-3，圖1-4所示：

圖2 改造后牛舍三維模型結構

圖3 原牛舍模型網格圖

圖4 改造后牛舍模型網格圖

1.2 模型參數設置

本次模擬分析選用模型相對簡單，不需要太多的計算時間和內存的湍流模型為標準k-ε方程。其具體參數的設定以表1-1的各項指標為基準

表1 Fluent標準k-ε參數

模型邊界條件的設置，首先由于一次風進入風室時的進口直徑以及速度的不同導致進口參數不同故應根據具體數據計算設定，根據文獻相關理論均可將其進口設為速度進口（Velocityinlet），并根據湍流強度（Turbulent intensity）以及流體水力半徑（Hydraulic Diameter）來確定流體。冷態試驗邊界條件的設定如下表：

表2 邊界條件參數

計算方程

文章通過k-ε雙方程模型計算冷態下循環流化床爐膛內的流體流動，其數學關系試為：

湍動能耗散率：

其中Cu為經驗常數。

當流體為不可壓縮時Gb=0；當流體為可壓縮時有：

湍動數Prt取0.85；gi為重力加速度在第i個方向上的分量；β為熱膨脹系數，其定義為：

當流體為可壓縮時：YM=0；當流體為不可壓縮時有：

其中Mαt為湍動能Mach數；αt為聲速，。

當遇到流體為可壓縮時的流動計算考慮與浮力有關的參數C3ε；當流體主流方向與中立方向水平時，有C3ε=1；而當而這方向垂直時，有C3ε=0。

根據以上分析，當流體為不可壓縮流動且不考慮源項時，Gb=0，YM=0

SK=0，Sε=0，這時標準k-ε模型為：

這些方程可以用一下通用形式標識，有對流項、非穩態項、擴散項和源項：

運用梯度符號和三度，記為：

標準的k-ε模型控制方程見表3。

3 計算結果與討論

改造前牛舍X-Y截面Z=6m流體速度分布平面如圖5所示，由于其通風口及隔離欄結構設計導致靠近牛舍左右墻體、牛舍中部部分位置，不能很好地通風，牛舍內廢氣不能快速排出。改造后的牛舍X-Y截面Z=6m流體速度分布平面如圖6所示，氣流整體分布相對均勻，且位于橫截面中部氣流相對較快，可使肉牛頭部始終處于新鮮空氣中；由于加裝四個強制對流風機，出口處氣流接近17m/s，可使肉牛排泄物產生的廢氣及濕空氣快速及時排出牛舍，增強牛舍清潔性、舒適性。

圖5 原牛舍模X-Y截面速度分布平面圖

圖6 新型牛舍模X-Y截面速度分布平面圖

表3 標準k-ε模型的控制方程

改造前牛舍Y-Z截面X=7m流體速度分布平面如圖7所示，牛舍氣流分布明顯不均勻，上部相對下部通風較好，空氣流速相對較快，能快速排除廢氣；肉牛長期置于牛舍下部由柵欄分隔的廢氣流通速度緩慢區，且牛舍中部位置空氣流動最差。改造后牛舍Y-Z截面X=7m流體速度分布平面如圖8所示，氣流分布相對均勻，且下部流體流動速度較上部稍高，由于新型牛舍頂部增加兩個方形進風口，可使棚頂廢氣很好側排出，增強牛舍潔凈度。

由圖

圖7 原牛舍模Y-Z截面速度分布平面圖

圖8 新型牛舍模Y-Z截面速度分布平面圖

綜上所述：新型牛舍結構能夠合理解決內部布風不均勻問題，增強空氣流動，加快廢氣排放，確保舍內溫濕度，減少熱應激及細菌及病毒滋生，可進行改造試驗。

4 驗證與結論

為驗證其效果，2017年6月對內蒙古地區某牛舍進行通風改造，驗收結果見4-1表：

相關參數 改造前 改造后牛舍與外界出口環境相對壓差（Kpa） 0 0.2牛舍內空氣流通速度（m/s） 0 1.15牛舍內有害氣體含量NH3（ppm） 178 9牛舍內有害氣體含量H2S（ppm） 81 2牛舍內空氣溫度（℃） 36.38 28.14牛舍內空氣濕度（%） 71.3 53.8

其中測量儀器分別為：壓差計、S型皮托管、氨氣檢測儀、煙氣分析儀（測試硫化氫氣體）、溫濕度計。

通過現場測試實驗證明改造后的牛舍具有：

（1）新空氣不斷從室外引入牛舍內，形成微負壓從而增強了流體流通速度，加快新空氣的流入，降低肉牛周邊溫度，可提高肉牛的環境舒適度；

（2）改造后的牛舍，有害氣體NH3含量降低200倍、有害氣體H2S含量降低40倍，減少肉牛在廢氣中沉浸時間，增強肉牛抵抗力；

（3）改造后的牛舍，空氣濕度降低，且能使肉牛處在舒適的環境中，提高肉牛產肉率；

（4）該技術能有效減少人力消耗、肉牛的飼養成本、藥物治療費用等，可增強牛肉口感，提高利用價值，經計算投資回收期不足半年，值得大力推廣。

[1] 周超.夏季肉牛飼養管理技術[J].農村養殖技術，2010，（13）：12.

[2] 李旭光，王立東，范立坤，等.內蒙古地區冬季牛舍供暖仿真研究[J].安徽農業科學，2017，（19）：214-217.

[3] 韓振俠.試析養殖育肥牛過程中的關鍵技術[J].中國畜禽種業，2015，（1）：93-94.

[4] 唐春梅，張承林.裝配式牛舍結構淺析[J].黃牛雜志，2003，（5）：43-45.

[5] Wu B，Gebremedhin B K G. CFD development and simulation off low fields in ventilated spaces with multiple occupants [J]. Transactions of the ASAE，2001，44（6）：1839-1850.

[6] Bjerg B，Svidt S，Zhang G，et al. Modeling of air inlets in CFD prediction of airflow in ventilated animal houses[J].Computers and Electronics in Agriculture，2002，34（1/3）：223-235.