基于低屋面橫向通風牛舍空氣交換率優選模擬

邱旭 呂潔 孫成才 張瓊

沈陽工業大學建筑與土木工程學院

目前國內外對于低屋面橫向通風牛舍的研究大部分為應用現狀分析，以及不考慮動物存在的牛舍內數值模擬[1-3]，少數加入動物模型將其簡化為發熱的板狀結構[4]或者多孔介質[5]。本文主要研究低屋面橫向通風牛舍的風機在風機效率較高范圍內的不同空氣交換率下運行時對應的不同風速對牛舍內奶牛舒適度的影響，利用計算流體力學仿真軟件 Fluent對牛舍模型進行數值模擬，選出奶牛最適合的風機風速，從而選出最優空氣交換率，為LPCV 牛舍的風機運行管理提供參考。

1 LPCV牛舍的物理模型及數學假設

1.1 LPCV牛舍的物理模型

在北美地區，L PCV 牛舍由8 列式已經擴展到 24列式，12列式和16列式的牛舍數量較為廣泛[6]。本文將8列式LPCV牛舍作為研究對象，牛舍模型的建立參照文獻[7]，牛舍實物圖如圖1、圖2所示。其中圖 1為牛舍風機部分，安裝在牛舍北側墻。圖2為牛舍濕簾部分，安裝在牛舍南側墻。北側墻安裝有上下兩排風機，風機葉輪直徑為0.9m，理論送風量為28000 km/m3，上下共78臺，上排為6臺，下排為72臺[8]。牛舍南側墻安裝了高3 m，厚0.15 m的濕簾。為增加奶牛活動區風速，在該區域上方2 m處安裝擋風板，共4列。

圖1 牛舍風機

圖2 牛舍濕簾

牛舍模型與實際牛舍進行等比例建立，為了減少計算機的計算量，提高計算精度，將奶牛模型簡化為1.8 m×0.73 m×0.8 m的長方體，忽略牛舍中立柱，選擇牛舍的中部位置進行研究，建立該牛舍物理模型。其中，X方向對應長度為20 m，Y 方向對應長度為60 m，Z方向對應高度為4 m，頂高為4.88 m。沿Y方向牛舍內分布分別為濕簾、奶牛、矮墻、擋風板、風機，如圖3所示。利用自適應的非結構化網格對牛舍進行網格劃分，網格單元數量為4246000。

圖3 牛舍物理模型

1.2 LPCV牛舍的基本假設與數學模型

為方便計算，對牛舍計算模型作出了一些基本的假設：

1）牛舍內氣流為定常流動，低速流動，不可壓縮，滿足Boussinesq假設即流體密度變化僅對浮升力產生影響[9]。

2）牛舍內氣體流動為穩態流動。

3）忽略固體壁面和物體間熱輻射[10]。

4）認為牛舍完全封閉，不考慮漏氣的情況。

5）認為牛舍內空氣為輻射透明介質。

牛舍內流場由流體力學中動量守恒方程、能量守恒方程、質量守恒方程和組分質量守恒方程來進行相關描述。

2 LPCV牛舍的數值模擬結果及分析

2.1 風機風速與空氣交換率對應關系

根據J.P.Harner的研究，牛舍夏季空氣交換率為60～120 s之間，即牛舍內空氣需在60～120 s時間內被風機全部抽出到室外，更換新鮮空氣進入室內。60 s，80 s，100 s，120 s 是風機的運行效率較高范圍內的四檔風速所對應的空氣交換率，該區域內風機提供的風速均能夠滿足去除牛舍內氣體污染物和余熱余濕的要求。為研究牛舍在空氣交換率為60～120 s之間奶牛最適風速，模擬空氣交換率分別為60 s、80 s、100 s 和120 s時牛舍內的速度場分布。

牛舍空氣入口處風速按式（1）進行計算：

式中：v為牛舍空氣入口速度，m/s；V為牛舍體積，m3；L為牛舍長度，m；H為濕簾高度，m；R則為空氣交換率，s。

空氣交換率與風機風速對應關系如表1所示。

表1 空氣交換率與風機風速對應關系

2.2 LPCV牛舍的邊界條件設置

牛舍的入口邊界條件：采用速度入口（Velocity-inlet）的邊界條件，分別以風機對應的不同風速作為牛舍模型不同的初始條件。

牛舍出口邊界條件：采用自由出流（Outflow）作為出口邊界條件。

壁面邊界條件：牛舍其他位置設置為無滑移條件，近壁面采用標準壁面函數處理。

2.3 模擬及結果分析

對牛舍模型進行數值模擬，其中，圖 4～7 為X=10 m處、圖 8～11 為Z=1.2 m處不同空氣交換律下速度云圖。

圖4 空氣交換率為60 s時X=10 m處速度云圖

圖5 空氣交換率為80 s時X=10 m處速度云圖

圖6 空氣交換率為100 s時X=10 m處速度云圖

圖7 空氣交換率為120 s時X=10 m處速度云圖

X=10 m處的速度云圖為牛舍模型中部垂直位置速度變化圖。從圖4～7可以看出，即使不同入口風速，該位置處速度分布的整體趨勢是相似的。在牛舍入口處，氣流速度最大。隨著氣流的深入擴散，速度逐漸降低。從圖中可以明顯看出，由于氣流受到擋風板的擾流作用，在牛舍內呈波浪式延伸，使氣流能夠分布在奶牛周圍，帶走奶牛散發的濕熱，使氣流的利用率最大化。

圖8 空氣交換率為60 s時Z=1.2 m處速度云圖

圖9 空氣交換率為80 s時Z=1.2 m處速度云圖

圖10 空氣交換率為100 s時Z=1.2 m處速度云圖

圖11 空氣交換率為120 s時Z=1.2 m處速度云圖

分析圖4～7，奶牛周圍活動區域內空氣流速分布隨空氣交換率的變化如表 2 所示。奶牛舒適風速為1.5 m/s～2 m/s之間，從表2 中可以看出，當空氣交換率為60 s 和 80 s 時，空氣流速分別為1.65 m/s～2.5 m/s和1.23 m/s～1.85 m/s，比較接近奶牛舒適風速。當空氣交換率為100 s 和120 s時，奶牛活動區域周圍大部分風速都低于1.2 m/s，不能滿足奶牛舒適性要求。

表2 空氣交換率與空氣流速變化關系

Z=1.2 m處速度云圖為牛舍水平位置奶牛活動區域氣流分布圖。從圖8～11總體可以看出，隨著空氣交換率的增大，氣流從速度入口處向牛舍內部綠色區域覆蓋的越多，說明氣流速度越大，湍流強度越大，高速氣流到達的區域越廣。從圖8可以看出，在牛舍中部奶牛比較密集，氣流組織相對較差，空氣交換率為60 s時，該區域空氣流速大部分處于1.24～1.65 m/s，接近奶牛舒適風速，其他區域風速大部分處于1.6～2.5 m/s，能夠接近滿足奶牛舒適性要求。分析圖9可以看出，當空氣交換率為80 s時，牛舍中部通風不利位置處風速為1.1 m/s～1.3 m/s，其余位置大部分處于1.3～1.9 m/s，接近奶牛舒適風速。從圖9和圖10可以看出，當空氣交換率為100 s和120 s時，牛舍中部通風不利處最高風速分別為0.82 m/s和0.93 m/s且均低于1.5 m/s，牛舍其他位置奶牛活動區域風速大部分低于1.5 m/s，不能滿足其舒適風速要求。

3 總結與建議

通過分析模擬結果，可以得出當空氣交換率為60 s和80 s時，牛舍內氣流組織較差的位置處風速處于1.1～1.3 m/s，其余大部分奶牛活動區域風速接近奶牛舒適風速范圍。當空氣交換率為100 s和 120 s時，牛舍內奶牛活動區域風速大部分低于 1.5 m/s，不能夠滿足奶牛舒適性需要。因此，在牛舍運行管理過程中，建議采用60 s和80 s的空氣交換率。對比空氣交換率為60 s和80 s時，牛舍中部氣流組織不利位置和其余奶牛活動區域風速，得出當空氣交換率為60 s時更能接近奶牛舒適風速（1.5～2 m/s），因此 60 s 為牛舍最優空氣交換率。

另外，對于當前8列式牛舍，應適當加大中部 4列奶牛距離，減小氣流阻力，使通風氣流利用率增大。