擋風板對低屋面橫向通風牛舍內空氣流場影響的PIV測試

鄧書輝，施正香，李保明，丁 濤，李 浩

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擋風板對低屋面橫向通風牛舍內空氣流場影響的PIV測試

鄧書輝1,2，施正香2※，李保明2，丁 濤2，李 浩2

（1. 黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319；2. 中國農業大學水利與土木工程學院，農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083）

低屋面橫向通風（low profile cross ventilated，LPCV）牛舍內的空氣流場由于受到舍內建筑設施的影響而分布不均勻。為了研究舍內擋風板、矮墻、入口風速、奶牛等對舍內氣流的影響，分析目前LPCV牛舍內氣流分布不均勻的原因，該文按模型/原型=1/15的比例制作了LPCV牛舍和奶牛的模型。計算結果表明原型牛舍在正常通風情況下的雷諾數為4.92×105，只要模型入口風速大于2.56 m/s，歐拉數不再隨著雷諾數的增加而改變，此時空氣流動已經進入自動模擬區，根據近似模型法理論，原型和模型中的氣體流動已經進入了自動模擬區，兩者的氣體流動是相似的。根據擋風板、矮墻的設置情況、不同的入口風速等設計了6種不同工況，采用粒子圖像測速（particle image velocimetry，PIV）技術分別對模型內6種工況下的空氣流場進行測試。結果表明：LPCV牛舍內擋風板和矮墻的同時設置是造成舍內空氣流向發生偏轉的根本原因，擋風板和矮墻單獨設置時都不會造成舍內氣流分布的不均勻，但擋風板能夠增加舍內下方奶牛活動區域的氣流速度。舍內奶牛的存在和入口風速的大小都不會對舍內氣流的分布造成影響。該研究可為LPCV牛舍內擋風板優化設置提供參考。

流場；模型；粒子圖像測速；相似理論；奶牛舍

0 引 言

低屋面橫向通風（low profile cross ventilated, LPCV）牛舍作為中國大型奶牛場的一種牛舍建筑形式近年來得到了廣泛應用。LPCV 牛舍對環境的有效調控增加了奶牛產奶量，提高了飼料利用率和飼料投入產出比，提高了奶牛的生產性能，減少了奶牛肢蹄病的發病率。但實際運行中廣泛存在舍內氣流分布不均勻等氣流組織問題[1-2]。

粒子圖像測速（particle tracking velocimetry，PIV）一詞最早于1980年出現在文獻中[3]，在過去的近40 a中，PIV技術在空氣流場測試等方面得到了廣泛的應用[4-8]。PIV技術的基本原理就是在要測試的流場中釋放示蹤粒子，用流場中示蹤粒子的運動速度來代表相應位置處的流體運動速度。利用激光等片形強光束光源照射流場中需要測試的平面，用圖像采集系統記錄2次或多次曝光的示蹤粒子的所在位置，然后利用專門的圖像分析處理軟件計算得到各示蹤粒子的運動位移，最后根據示蹤粒子位移和曝光的時間間隔計算出所測試流場中各點的流速矢量值[9-10]。

國內PIV技術在民用建筑室內外流場的研究方面應用較多，王偉等應用PIV技術分別對通風空調房間、高大廠房等空氣流動進行測試[11-14]。設施農業方面，王健等采用PIV技術對互插式連棟溫室在風壓作用下的自然通風時溫室內外的空氣流場進行了測試，比較了在時均流場狀態下，采用肩窗加側窗的溫室通風方式與頂窗加側窗通風方式的不同通風效果[15-16]。國內外也有學者采用模型試驗方法研究牛舍的通風和有害氣體排放[17-19]。崔乃文采用PIV技術對自然通風奶牛舍模型內采食通道和臥床空間上方氣流組織分布進行了測試，研究了風扇安裝角度對舍內氣流的影響規律[20]。

國內外的研究表明，PIV技術是測量空氣流場的重要技術手段，在進行模型試驗時要做到模型流動與原型流動的力學相似，相似準則的選取是試驗是否準確的前提和關鍵，而目前學者在PIV試驗中有關相似準則的選取和證明涉及較少。

為了測量LPCV模型牛舍中空氣流場分布情況，研究舍內擋風板、矮墻、入口風速、奶牛等對舍內氣流的影響，分析目前LPCV牛舍內氣流分布不均勻的原因，本文按模型/原型=1/15的比例制作了LPCV牛舍和奶牛的模型，應用相似理論證明了原型與模型中的流動具有相似性；LPCV牛舍中空氣流場的變化主要體現在橫向斷面上，文中采用2D-PIV技術分別對模型內6種工況下的空氣流場進行測試，分析了擋風板、矮墻、入口風速及奶牛的存在對舍內空氣流場的影響規律。

1 材料與方法

1.1 牛舍原型

本文中的原型牛舍位于中國華東地區，與文獻[1-2]中為同一棟牛舍。牛舍長376.6 m，寬90.8 m，脊高7.1 m，檐口高3.5 m。為增加舍內奶牛活動區域的空氣流速，在臥床中間上方安裝了6列彩鋼板做成的擋風板，下端距離地面2.1 m。為了防止投料時飼料進入采食通道，在頸枷下面設有一道相對采食通道高度為0.5 m的矮墻。

1.2 模型設計

由于原型牛舍的寬度較大，考慮到模型制作的可能性和PIV系統的拍攝范圍，模型在寬度和高度方向的比例尺確定為模型/原型=1/15。由于LPCV牛舍采用橫向機械通風模式，舍內各環境參數在長度方向的差異可忽略不計，為了便于進行風洞試驗和模型制作，牛舍模型長度取為1.2 m。

為了便于PIV系統的拍攝，模型側面、頂面的材料為10 mm有機玻璃板，舍內擋風板為5 mm厚有機玻璃板，底面材料為木板上面鋪亞克力板。為了增加模型內表面的當量粗糙度，牛舍模型內臥欄位置加鋪一層人造地毯。

模型內部的臥欄、矮墻、風機入口等均按模型/原 型=1/15的比例制作，由于模型中頸枷、立柱等尺寸過小，省略了頸枷、立柱、飲水槽、臥欄擋墻等部件。為了便于模型與通風設備的連接，在模型的空氣入口和出口端分別加了長度為30 cm的延長段。

為了模擬奶牛存在時舍內氣流分布情況，按模型/原型=1/15的比例設計制作了奶牛模型，模型里面采用塑料骨架，外面以絨布包裹，分為站立和躺臥2種姿勢，其數量與原型一致。

1.3 PIV試驗系統

本試驗系統主要由PIV測試系統、LPCV牛舍模型、模型通風系統和示蹤粒子發生裝置4部分組成。

1.3.1 PIV測試系統

PIV系統包含照明系統、圖像記錄設備、示蹤粒子和圖像處理算法4個主要部分[21-22]。本研究使用中國農業大學流體機械實驗室的PIV測試系統，該系統由美國TSI公司生產，其中

光源系統：雙腔Nd：YAG脈沖激光器，輸出能量2′200 MJ/Pulse，最大工作頻率15 Hz，脈寬3～5 ns，輸出激光波長532 nm。

圖像采集系統：互/自相關CCD相機（TSI Power View Plus 4MP），型號630159，分辨率為2 048′2 048像素，最高采集頻率15 Hz，最短跨幀時間200 ns。

同步控制系統：同步器，型號610035，同步精度1ns。

圖像數據分析系統：圖像數據分析和對PIV系統的控制采用的是INSIGHT 3GTM軟件，該軟件不但能實時控制PIV系統圖像的拍攝，還能實現對圖形的分析和顯示。流場顯示和圖像的后期處理采用的是Tecplot 360軟件。PIV試驗系統如圖1所示。

圖1 PIV試驗系統

1.3.2 模型通風系統

模型通風機選用4-72-3.2型離心式風機，該風機風壓792～1 300 Pa，風量1 688～3 517 m3/h，風機與牛舍模型空氣出口之間采用軟連接。為精確控制模型中的風量，采用變頻器對風機風量進行控制。

1.3.3 示蹤粒子發生裝置

選擇高品質的示蹤粒子是試驗取得成功的關鍵[23-24]。該文選用由舞臺煙霧發生器產生的煙霧作為示蹤粒子，其優點是煙濃度可調，所產生煙霧能均勻分布到空氣中，粒子具有良好的跟隨性和散光性，可滿足試驗要求。

為了使示蹤粒子能完全而均勻地進入到模型中，采用鍍鋅鐵皮制作粒子發散裝置，該裝置一端與煙霧發生器出口相連，另一端開口與模型入口相當，在其內部安裝了篩子狀擋板，使從煙霧發生器射出的氣流速度接近于0，以減少對模型內空氣流場的影響。

2 模型試驗設計

為了驗證原型和模型中氣體流動相似性，在PIV試驗之前進行了模型試驗。

2.1 流動相似性原理

相似理論和量綱分析是開展流體力學試驗的理論基礎，為了使模型中流體的流動能夠表現出原型中流體流動的特性和主要現象，并且可以從模型流動中預測出原型流動的結果，必須使模型和原型流動之間保持力學相似關系[25]。

對于不可壓縮流體的定常流動，如果模型流動和原型流動具有力學相似特性，必須保證它們的同名準則數：雷諾數、弗勞德數、歐拉數等各自相等[26]，即

其中

式中下角標表示模型，表示原型；為弗勞德數；為歐拉數；為雷諾數；為流體速度，m/s；為重力加速度，m/s2；為線性長度，m；為壓強，Pa；為密度，kg/m3；為運動黏度，m2/s。

2.2 通風模型試驗的幾點假設

在進行模型試驗時，要求所有的邊界條件和初始條件都要與原型相似，這在現實中也是很難實現的。為了便于研究問題，本文作如下假設：

1）流體為不可壓縮流體

本模型試驗以空氣作為流動介質，在以空氣為介質的試驗中，當風速小于0.3倍馬赫數時，氣流壓縮性影響可以忽略不計[27]。本試驗中，測得的最大風速小于10 m/s，遠小于0.3倍馬赫數，因此忽略氣流壓縮性的影響。

2）等溫流動

在實際的LPCV牛舍中，牛舍出口和入口之間會有不超過2 ℃的溫度差，舍內垂直方向的溫度差很小，而且舍內采用橫向機械通風方式，由于熱壓而引起的自然通風可忽略不計，因此假定舍內空氣為等溫流動。

3）穩態流動

舍內氣流除風機開啟和關閉的階段外，其余時間都處于穩定流動狀態，舍內各點的壓力和流速等狀態參數不隨時間而變化，本試驗只研究氣流在穩定流動階段的舍內氣流組織狀況。

2.3 近似模型法的確定

由于比例尺制約關系的限制，同時滿足所有相似準則是非常困難的，因此完全相似的條件很難滿足，在進行模型設計時，往往根據具體情況，忽略一些次要因素，只考慮起主要作用的力的相似性，使這些力對應的相似準則相同，忽略起次要作用的力[28]。

對于黏性流動，當雷諾數增大到一定的數值以后，流體黏性力的影響相對減弱，如果繼續提高雷諾數，也不會再對流動性能和流動現象產生影響，此時盡管雷諾數發生的變化，但產生的黏性效果卻是基本一樣的，稱這種現象為自動模型化[23]。當雷諾數相當大時，湍流達到充分發展的階段，進入了阻力平方區，產生這種現象的雷諾數范圍稱為自動模型區[26]。若原型和模型中的雷諾數都進入了自動模型區，不滿足雷諾數準則也會自動出現黏性力相似。

2.4 原型牛舍空氣流動中自動模型區的校驗

本試驗主要研究擋風板對舍內風速的影響，因此選取擋風板下通風截面為研究區域，原型中擋風板下通風截面高1.62 m，寬24.0 m，當量直徑3.04 m。

由式（2）可得

式中d為當量直徑，m。

對LPCV牛舍風速的測試結果表明，舍內6個擋風板下的平均風速為2.61 m/s[1]，舍內空氣的運動黏度取1.61′10–5m2/s，由式（3）計算得到雷諾數為4.92′105。

進入自動模型區的臨界雷諾數取決于流動的空間結構、壁面當量粗糙度等因素，不同文獻中的取值也各不相同：機械通風牛舍臨界雷諾數的范圍為2.6′105～4.5′105[19]，特長公路隧道通風的臨界雷諾數為3.5′105[28]，工廠車間通風的臨界雷諾數為0.5′105[26]，城市公路隧道通風的臨界雷諾數為0.6′105[29]，礦井通風的臨界雷諾數為0.7′105[9]。

根據前人的研究經驗，認為牛舍原型已經進入自動模擬區，只要模型流動的雷諾數也處于自動模擬區，就能自動實現流動的相似性。

2.5 模型牛舍進入自動模擬區時臨界雷諾數試驗

本試驗在中國農業大學農業部設施農業工程重點開放實驗室中進行。

2.5.1 試驗方案

流動相似第二定理指出：由定性物理量組成的相似準則數，相互間存在著一定的函數關系。對于黏性不可壓縮流體，3個準則數之間存在著如下關系[26]：

當所測試區域流體的雷諾數與歐拉數無關時，可以作為流動進入自動模擬區的標志[28]。

本文試驗方案如下

1）依次改變所測試區域內空氣流速，并按流速從小到大的順序記錄不同流速下的壓力差。

2）利用式（3）計算出不同流速下對應的雷諾數。

3）利用式（5）計算出不同流速下對應的歐拉數。

式中Δ為壓降，Pa。

4）當雷諾數與歐拉數無關時，此時的雷諾數即為流動進入自動模擬區時的臨界雷諾數。

2.5.2 通風試驗裝置

由于本試驗要求對通過模型的風速大小進行調整，因而采用中國農業大學農業部設施農業工程重點開放實驗室的農業設施通風設備性能測試試驗裝置作為通風氣流源，該設備能精確調整風量的大小[30]。通風試驗裝置及牛舍模型如圖2所示。

圖2 LPCV牛舍模型通風試驗設備

2.5.3 試驗條件

以模型空氣入口處為研究區域，入口截面高0.2 m，寬1.2 m，當量直徑0.35 m。試驗時進入模型的空氣溫度為18.8 ℃、相對濕度18%，空氣密度=1.216 76 kg/m3、運動黏度=1.48′10–5m2/s。

利用式（3）及式（5）計算得到的雷諾數及歐拉數如圖3所示。當雷諾數>0.6′105時（模型入口風速為2.56 m/s），歐拉數不再隨著雷諾數的增加而改變，此時可以認為流動已經進入自動模擬區。

圖3 雷諾數與歐拉數關系曲線

綜上所述，模型和原型牛舍幾何相似，對雷諾數的計算結果表明，原型和模型中的氣體流動已經進入了自動模擬區，兩者的氣體流動是相似的。

3 PIV測試試驗

進行PIV試驗時，首先釋放示蹤粒子，利用片形激光束照射流場中需要測試的平面，用圖像采集系統記錄2次曝光示蹤粒子的所在位置，然后利用專門的圖像分析處理軟件計算得到各示蹤粒子的運動位移，最后根據示蹤粒子位移和曝光的時間間隔計算出所測試流場中各點的流速矢量值。

3.1 拍攝截面的選取

激光投射截面位于牛舍模型中間斷面上，拍攝區域選擇在對舍內氣流分布影響最大的矮墻區域，其大小為280 mm′280 mm，位置如圖4所示。

圖4 PIV拍攝區域示意圖

3.2 方案設計

為分析擋風板、矮墻、入口風速及奶牛對空氣流場的影響，設計了如表1所示的6種不同工況。

表1 PIV測試方案

4 PIV測試結果與分析

4.1 正常情況下牛舍內局部空氣流場

圖5a為工況1時測試區域的速度矢量場，此時擋風板和矮墻都按牛舍原型正常設置，模型入口風速4.0 m/s。由圖5a可見，氣流在矮墻的作用下流動方向發生了向上部空間的偏轉，在矮墻后部（原型中奶牛活動區域）形成一個低流速區域。與文獻[1]中數值模擬結果一致。

圖5 LPCV牛舍模型內空氣流場氣流速度矢量PIV測試結果

4.2 無擋風板時的舍內空氣流場

在進風口風速等參數不變的情況下，將模型中的擋風板全部拆除，矮墻正常設置，拍攝并分析此時模型舍內測試區域的空氣流場，如圖5b所示。由圖5b可見，舍內氣流在遇到矮墻時流向并沒有發生偏轉，而且測試區域氣流流速均勻性較好。

4.3 無矮墻時的舍內空氣流場

在進風口風速等參數不變的情況下，將模型中的矮墻全部拆除，擋風板正常設置，拍攝并分析模型舍內測試區域的空氣流場，如圖5c所示。由圖5c可見，測試區域的氣流呈現上下2個不同的流場，下部流場氣流速度明顯高于上部。與圖5a相比，設置擋風板后奶牛活動區域的氣流分布更加均勻。

由圖5a、5b、5c綜合分析可知，擋風板和矮墻的同時存在是造成奶牛活動區域氣流流向和流速分布不均勻的主要因素，而擋風板和矮墻單獨設置不會導致空氣流向的變化。

4.4 奶牛對舍內空氣流場的影響

為了研究奶牛對舍內空氣流場的影響，將奶牛模型按原型牛舍中的相同數量置于模型牛舍中，在進風口風速等參數不變的情況下，拍攝并分析模型舍內測試區域的空氣流場。圖5d為工況4時的測試區域速度矢量場，此時擋風板和矮墻都正常設置并且有奶牛存在，模型入口風速4.0 m/s。由圖5d可見，奶牛的存在并沒有對氣流的流動方向產生影響，但與圖5a相比，由于奶牛的存在，氣流繞過牛背時，氣流的高速區域向上發生了平移。

4.5 入口風速對舍內空氣流場的影響

為了研究不同入口風速對舍內空氣流場的影響，分別設置了2種不同的入口風速，在其他條件與工況1完全相同的情況下拍攝并分析模型舍內測試區域的空氣流場。圖5e和5f分別為工況5、工況6時的測試區域速度矢量場，此時擋風板和矮墻都正常設置，入口風速分別為3.4和4.8 m/s。對比圖5a可知，當入口風速不同時，模型舍內氣流場的流線并沒有發生明顯變化，但測試區域氣流的平均速度隨著入口風速的增加而增加，這也再次證明了此時模型內的流動已經進入自動模擬區。

本文LPCV原型牛舍在正常的運行工況（文中工況1）下，舍內擋風板下的雷諾數為4.92′105，舍內空氣流動已經進入自動模擬區；當模型中入口風速大于2.56 m/s時，歐拉數不再隨著雷諾數的增加而改變，此時流動也已經進入自動模擬區，兩者的流動具有相似性。文中分別選取3.4、4.0與4.8 m/s的不同入口風速，旨在證明不同入口風速對舍內空氣流場的影響。本試驗利用PIV系統測量了模型內的空氣流場，沒有涉及溫濕度場。根據前期對LPCV牛舍夏季和冬季的環境參數進行的大量現場測試和CFD模擬結果，在牛舍風機開啟數量相同的前提下，舍內冬季和夏季的氣流流向沒有明顯差異。

5 結 論

本研究采用粒子圖像測速技術對LPCV牛舍模型內的空氣流場進行了測試。得出以下結論：

1）LPCV原型牛舍在正常的運行工況下，舍內擋風板下的雷諾數為4.92′105，舍內空氣流動已經進入自動模擬區；當模型中入口風速大于2.56 m/s時，歐拉數不再隨著雷諾數的增加而改變，此時流動也已經進入自動模擬區，兩者的流動具有相似性。

2）PIV測試結果能很好地表現舍內空氣流場的變化情況，擋風板和矮墻的同時設置是造成奶牛活動區域氣流流向和流速分布不均勻的主要因素，氣流在矮墻的作用下流動方向發生了向上部空間的偏轉，而擋風板和矮墻單獨設置則不會導致空氣流向的變化。

3）擋風板和矮墻同時存在時，模型中奶牛的存在不會對舍內氣流流向產生明顯的影響，但當氣流繞過牛背時，氣流的高速區域向上發生了平移；不同的入口風速沒有影響模型內空氣流向，但模型內氣流的平均速度會隨著入口風速的增加而增加。

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Influence of baffle on air flow field in low profile cross ventilated cattle barn analysis based on PIV test

Deng Shuhui1,2, Shi Zhengxiang2※, Li Baoming2, Ding Tao2, Li Hao2

(1.163319,; 2.100083,)

Low profile cross ventilated (LPCV) cattle barn has been widely used in large-scale dairy farms in China in recent years. The effective control of the indoor environment of cattle barn has significantly improved the production of the cattles. However, there are problems with airflow pattern in practice, such as uneven air distribution inside the barn. Particle image velocimetry (PIV) technology has been widely used in indoor airflow pattern investigation and similar aspects, and it was applied to study the influences on the indoor airflow pattern from the baffle, parapet, inlet air velocity and cows in this study. Based on the similitude theory, the influence of fluid viscous force is relatively weakened for viscous flow when the reynolds number increases to a specific value, after that, although the reynolds number is continuously increased, it will not affect the airflow pattern, the resulting viscous effect can be the same regardless of the changes in the reynolds number, this phenomenon is called automatic modelling of fluid. Based on this principle, the reynolds number of both the prototype and model cattle barn were calculated to fit the criteria of automatic modelling of fluid which meant that the airflow in the prototype and model could enter the automatic simulation zone and the airflow pattern of the prototype and model cattle barn was similar. A model/prototype ratio in 1/15 was selected and applied in this study, and the scaled models of LPCV cattle barn and cows were to investigate the airflow pattern inside the cattle barn. The airflow patterns under 6 working conditions were tested by particle image velocimetry using this scaled model. The tested cases included the cases with/without the baffle, cases with/without the parapet, cases with/without the cow models, and cases under 3 inlet air velocities 3.4, 3.8, and 4.0 m/s. Due to the limited capture area of the camera, the zone in a dimension of 280 mm′280 mm close to the parapet where was considered to be the most critical area was chosen for the investigated region. It was found that the baffle and the parapet in the LPCV were the cause of the deflection of the airflow in the cattle barn, the airflow entered the animal occupied area in the lower part of the barn under the guidance of the baffle, then the airflow direction was deflected to the upper space inside the barn with the influence from the parapet. Meanwhile, a low-velocity region was formed in the rear of the parapet, and this phenomenon happened only when both the baffle and parapet were installed simultaneously. When the baffle and the parapet were installed singly, the uneven distribution of the airflow in the barn was not observed, the baffle increased the airflow velocity at the lower part of the barn where the animal occupied. The presence of the cow models in the barn and the inlet wind speed had no significantly influence on the flow direction of the airflow in the whole barn, However, due to the presence of cows, when the air flow went around the cow's back, the high-speed area of the air flow shifted upward, and the average speed of the air flow increased with the increase of the inlet speed. This study provides references for the optimal design of the airflow pattern inside the LPCV cattle barn.

flow fields; models; PIV; similarity theory; dairy building

2018-07-10

2018-11-23

國家重點研發計劃資助（2018YFD0500700）；國家奶牛產業技術體系資助項目（CARS-36）；黑龍江八一農墾大學農業機械化工程重點實驗室開放課題資助項目

鄧書輝，副教授，博士，主要從事健康養殖過程環境與控制研究。Email：dsh@vip.sina.com

施正香，教授，博士生導師，主要從事畜禽養殖工藝與環境研究。Email：shizhx@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.023

S817.3

A

1002-6819(2019)-01-0188-07

鄧書輝，施正香，李保明，丁 濤，李 浩.擋風板對低屋面橫向通風牛舍內空氣流場影響的PIV測試[J]. 農業工程學報，2019，35(1)：188－194. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.023 http://www.tcsae.org

Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, Ding Tao, Li Hao. Influence of baffle on air flow field in low profile cross ventilated cattle barn analysis based on PIV test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 188－194. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.023 http://www.tcsae.org