北方蛋雞舍冬季顆粒物數值模擬與優化設計

袁月明 張 碩 賈樂心 李錦生 劉碧瑩 周麗娜

(吉林農業大學工程技術學院， 長春 130118)

0 引言

畜禽生產養殖過程中會產生大量的顆粒物，舍內的微生物憑借膠體分散系的相對穩定性，以顆粒物為介質進行傳播，嚴重影響家畜和現場工作人員的健康[1-2]。當雞舍內的總懸浮顆粒物濃度達到國家標準限量值的30倍時，則會直接導致雛雞因顆粒物性氣管阻塞而致死[3]。長期暴露于PM2.5濃度較高雞舍的生產管理一線人員，易患呼吸道疾病、哮喘以及慢性阻塞性肺病[4]。

目前國內針對畜禽內顆粒物研究主要集中在試驗監測和評價上，CFD在畜禽舍中的應用主要集中在通風和溫度場研究中[5-8]。當前國內CFD技術在顆粒物方面的研究也逐漸展開。潘喬娜[9]對夏季保育豬舍的顆粒物濃度進行CFD模擬仿真，模擬結果可在豬舍管理布局和顆粒物控制減排措施等方面提供建議。汪開英等[10]對冬季保育豬舍的顆粒物濃度場進行三維穩態模擬，對舍內環境質量狀況進行評估并為改善舍內環境提供有益參考。TAKAI等[11]通過對豬舍與雞舍內顆粒物濃度進行實測對比發現，雞舍內各粒徑顆粒物濃度均大于豬舍顆粒物濃度。目前國內利用CFD技術對雞舍內顆粒物濃度及分布規律研究較少，開展利用CFD技術研究雞舍內顆粒物濃度的分布規律對雞舍的環境質量改善具有重要意義。

本文針對吉林省某密閉式籠養蛋雞舍，通過監測舍內空間位置的溫度、相對濕度、風速及顆粒物質量濃度變化，利用CFD技術進行三維建模，對雞舍內的顆粒物質量濃度進行數值模擬分析，探究顆粒物的分布規律，通過調整側墻通風口導流板角度降低顆粒物質量濃度及擴散，以期為密閉式籠養蛋雞舍內的顆粒物控制提供理論參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗雞舍基本情況

試驗雞舍為吉林省某蛋雞養殖基地，如圖1所示。雞舍為東西走向的鋼混結構雞舍，舍長55 m，跨度16 m，檐高4.2 m，脊高6 m。采用負壓縱向通風，西墻設有5臺BNM-1460型風機(濰坊搏諾溫控設備有限公司)，南北墻上設有0.5 m×0.3 m的通風口。試驗雞群為17周齡的“海蘭褐”蛋雞，采用四列五走道每列4層的階梯式層養，養雞規模為12 080只。飼喂時間為每日07：00、11：00和16：00。傳送帶自動清糞，雞只產生的糞便直接由傳送帶傳至室外，并由清糞車運送至儲糞池。

試驗于2020年12月11—15日進行。每天監測時間為06：00—20：00，每2 h監測1次雞舍內的溫度、相對濕度(RH)、風速，每隔10 min采集一次PM1、PM2.5、PM10、TSP質量濃度。試驗期間只開啟1號風機。

1.2 現場測量

測量點分布在舍內7個位置，如圖1a、1b所示，其中4個測量點分別位于雞舍南、北過道的前側和后側，高度為1.5 m。雞舍中間過道的0.5、1、1.5 m的垂直高度上布置3個測量點，溫濕度儀位置選取與顆粒物監測儀相同的位置，以便于實時監測顆粒物測量點的溫濕度。

本試驗采用高精度溫濕度記錄儀(SSN-22型,深圳宇問加壹傳感系統有限公司)對測點溫濕度數據進行連續采集。選用優利德(UNI-T)UT363迷你型數字風速計(量程：0～30 m/s；分辨率：0.1 m/s)對測點風速進行測量。利用Dust Truck DRX Desktop(8533型，美國TSI公司)對顆粒物濃度進行監測，顆粒物質量濃度精度:±0.001 mg/m3，該儀器具有同時檢測PM1、PM2.5、PM10和TSP質量濃度的特點[12]。

2 數值模擬分析

2.1 幾何模型

2.1.1雞舍模型

密閉式半階梯籠養蛋雞舍利用三維軟件Gambit進行1∶1比例建模，為了提高Fluent的運行效率，對模型進行了合理簡化，如圖2所示。將舍內4條養殖線簡化成4條形狀規則的長方體。將每個雞籠中所有的雞簡化為與雞籠同長的長方體，省略喂料和清糞設備。整個雞舍的氣體均設為空氣，并設置舍內空氣為不可壓縮的理想氣體[13]。

2.1.2通風口模型

側墻的通風口設置為矩形，通風口在雞舍兩側呈對稱狀態，其中每側分別安裝15個矩形通風窗和導流板，模擬時只考慮有效的進風面積。通風口現場圖和通風口橫向切面簡化模型如圖3所示。其中α為導流板與壁面的夾角，α的取值范圍為0°～90°，試驗期間導流板與壁面的夾角為45°。

2.1.3網格劃分

如圖4所示，采用非結構化四面體網格，用網格收斂性指標(GCI)量化網格收斂的不確定性[14]。經過網格無關性檢測，確定最大網格尺寸為126 mm，網格劃分過程中，對雞舍的通風口、風機區域進行單獨劃分，局部網格最大尺寸為23 mm。所劃分的網格單位數13 966 489，節點數為2 867 662，整體的網格數量3 294 716。

2.2 邊界條件

為簡化模型，提高仿真效率，對模型進行如下假設[15-16]：①舍內氣體為牛頓流體。②舍內氣體在流動過程中不可壓縮且符合Boussinesq 假設。③水蒸氣在固體壁面不凝結。④舍內氣密性良好。

蛋雞舍內顆粒物主要來源包括皮屑、飼料、糞便及廢棄物[17]，其中大部分來自于雞體自身以及雞只周圍區域。此次模擬將雞和雞籠簡化長方體的位置作為顆粒物釋放源區域，設置為無滑移壁面，顆粒物初始質量濃度設置為PM1：0.5 mg/m3、PM2. 5:0.7 mg/m3、PM10: 4.2 mg/m3、TSP: 5.8 mg/m3。其他邊界條件具體設置見表1。

表1 邊界條件設置Tab.1 Boundary condition setting

2.3 基本守恒方程

質量守恒方程為

(1)

其中

式中ρf——流體密度，kg/m3

t——時間，sv——速度，m/s

Sm——質量源項，kg/(m3·s)

動量守恒方程為

(2)

式中p——壓力，PaF——外力，N/m3

g——重力加速度，m/s2

能量守恒方程為

(3)

式中Ef——流體總能量，J

keff——導熱系數，W/(m·K)

T——溫度，℃hi——比焓，J/kg

ji——擴散通量，kg/(m2·s)

為研究舍內濕度場的分布規律，引入基于組分質量分數的輸運方程[14]。其方程為

(4)

式中Yi——組分i的質量分數，本文為水蒸氣的質量分數

Si——水蒸氣質量源項，kg/(m3·s)

2.4 湍流模型選擇

SEO等[18-19]和LEE等[20]發現重整化群RNGk-ε湍流模型能有效表達畜禽舍內流場分布。本文采用Fluent軟件進行數值求解，選擇精度較高的重整化群RNGk-ε湍流模型開展了數值模擬，近壁區的模擬采用標準壁面函數，控制方程采用基于有限體積的離散方法，壓力-速度耦合選用SIMPLEC算法，動量和湍流動能選用二階迎風離散格式，對顆粒物設置離散相模型(Discrete phase model，DPM)。

3 結果與分析

3.1 雞舍實測數據結果

3.1.1溫度、相對濕度和風速變化

試驗期間舍內各監測點不同時間溫度變化規律如圖5所示。3號點溫度比較穩定且較高，因為3號點周圍的雞只溫度較高，且保溫性較好，受氣流、光照影響小。位于南側4、5號點均起伏較大，主要與風機和自身位置有關。由于1、2號點位于雞舍的北側，幾乎不受光照影響，且1號點位于門的一側，所以溫度一直偏低，且波動較小。溫度變化范圍為19.08～24.98℃，平均溫度為22.1℃。

由圖6可知，試驗期間舍內相對濕度變化范圍為52%～77%，平均相對濕度為67%，說明舍內的相對濕度適宜蛋雞生長。從數值上看，3號點相對濕度最低，1號點相對濕度最高，舍內遠風機端(1號點、4號點)的相對濕度高于近風機端(2號點、5號點)。12：00時刻相對其他時間相對濕度降低，其中5號點變化最為明顯，這是由于12：00時刻舍內溫度升高，風機開啟較為頻繁且5號點距離風機最近，因此該點相對濕度最低。

因試驗時間為冬季，雞舍為密閉式雞舍，舍內整體風速較小。風機附近區域5號測點風速為2.2 m/s，其他4個測點風速均小于0.5 m/s，且無體感風速。

3.1.2顆粒物質量濃度

為了了解蛋雞舍內顆粒物濃度日變化的趨勢，選取12月13日舍內顆粒物質量濃度數據進行分析，如圖7所示。試驗雞舍在07：00、11：00、16：00進行喂料，PM10和TSP濃度在這些時間段均有所升高，這主要因為喂料時雞群易出現躁動、搶食等行為，導致PM濃度升高；在其他時間段，雞群處于安靜狀態，各粒徑PM濃度明顯下降。PM10與TSP波動較大，這是因為大粒徑顆粒受重力沉降作用，落到地面或雞群體表，無法長時間懸浮在空氣中[21]。雞群頻繁的活動會將已經沉降下來的粗顆粒重新揚到空氣中，造成PM10和TSP濃度升高。對于細顆粒(d<2.5 μm)而言，雞群活動性增強，造成空氣流動紊亂，并不會對其濃度造成太大的影響。因為粒徑太小，而無法迅速在空氣中沉降下來，可以長時間在空氣中懸浮。所以PM1和PM2.5濃度變化并不明顯。這與 LIN 等[22]得出的蛋雞舍內顆粒物濃度與蛋雞的活動性有關的結論相一致。由表2可知，蛋雞舍內顆粒物濃度與熱濕環境參數相關，溫度與PM1、PM2.5濃度呈正相關性，濕度與顆粒物濃度呈負相關性，對PM2.5、PM10濃度影響更大。

表2 PM1、PM2.5、PM10和TSP濃度與溫度和相對濕度Pearson系數Tab.2 Pearson’s correlation coefficient for PM1, PM2.5, PM10 and TSP concentrations versus temperature and relative humidity

試驗期間舍內顆粒物PM1/PM2.5、PM1/PM10、PM2.5/PM10、PM2.5/TSP、PM10/TSP的質量濃度比值如圖8所示。垂直方向上，高度越高，細顆粒物濃度越小，PM1/PM10、PM2.5/PM10在雞舍上部顯著低于下部(P<0.05)，說明試驗雞舍的下部細顆粒物含量較高，PM10/TSP在雞舍上部顯著高于下部(P<0.05)，說明垂直高度越高，PM10濃度越大，而且PM10/TSP比值較大，說明試驗雞舍PM10質量濃度相比其他粒徑濃度較高。本試驗PM2.5/PM10比值為0.28～0.366，MODINI等[23]監測所得的 PM2.5/PM10比值為 0.23，說明試驗雞舍中下部的細顆粒物含量較大，研究表明，粒徑越小的顆粒物對人和動物的危害越大[24]，試驗雞舍PM10質量濃度為5.736～7.37 mg/m3，TSP質量濃度為9.049～10.8 mg/m3，均高于國家標準要求的PM10質量濃度日均值4 mg/m3和TSP質量濃度日均值8 mg/m3的標準值[25]，由于此時蛋雞處于產蛋不穩定期，且雞群較為活躍，導致雞舍內各粒徑顆粒物濃度均較高。

3.2 模擬與實測數據對比

為分析評估CFD模擬的精確度，使用歸一化均方誤差(Normalized mean squared error，NMSE)指標[26]進行驗證。當NMSE小于0.25可認為 CFD 的模擬精確度是合理的[27]。

圖9為模擬值與實測值的對比結果。對比分析發現，溫度、相對濕度的模擬與實測相對誤差為1.23%～8.88%和5.11%～14.00%，結果表明，溫度模擬值相對于實測值整體偏大，而相對濕度模擬值相對于實測值整體偏小，可能是因為模擬過程中未考慮與室外相通的清糞口，從而造成溫度的模擬結果偏大。同時由于溫度模擬值比實測值偏高，導致相同質量的水蒸氣在表示為相對濕度時會偏小,由于未考慮糞便中的水分蒸發也導致相對濕度模擬結果偏小。計算結果的相對誤差在合理的范圍內，模擬結果較可靠，可準確揭示雞舍內的溫濕度場分布情況。

PM1、PM2.5、PM10和TSP濃度的模擬值與實測值相對誤差范圍為2.80%～35.30%、7.20%～23.30%、3.20%～30.20%和6.25%～47.32%，其中TSP濃度的誤差最大，這是由于模擬過程只考慮了飼料產生的顆粒物，忽略了糞便、羽毛等產生的顆粒物，從而導致誤差較大。然而模擬與實測數據對比的 NMSE 均小于0.25，因此認為模擬值與實測值無顯著差異，模擬結果在可接受的范圍，說明該 CFD蛋雞舍顆粒物模擬模型合理可用。其他相對誤差和NMSE見表3。

3.3 模擬結果評估

3.3.1溫度場

圖10為截取的蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的7個平面內的溫度分布圖。各截面在垂直位置上隨著高度的增加，溫度逐漸升高，且以過道中線為對稱軸，各縱截面的溫度分布呈明顯的對稱性，說明舍內溫度在過道兩側的分布較為一致，驗證了該舍采用的負壓通風系統中將進風口對稱布置的科學性。整體溫度變化范圍為19.1～41.8℃，過道區域溫度變化范圍為19.1～32.3℃，平均溫度為26.2℃。

3.3.2相對濕度場

圖11為截取的蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的7個平面內的相對濕度分布圖。平均相對濕度為58%，變化范圍為 43%～72%，各截面在垂直位置上隨著高度的增加，相對濕度逐漸降低，與溫度變化規律相反，這是由于水汽的沉積所導致的。在同一高度上，北側相對濕度均高于南側。越靠近中間過道，相對濕度有逐漸升高的趨勢。

3.3.3空氣速度場

圖12為截取的蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的7個平面內的速度分布圖。從模擬結果來看，蛋雞舍內風速場的風速為0～2.7 m/s，整個雞舍大部分位置氣流速度都在0.5 m/s以下。在垂直高度1.5 m處可以發現，南側、北側分布基本相同，最大速度也只有0.6 m/s。但沿X軸遠離風機端的氣流速度過小，說明當前雞舍通風方式不合理，僅開啟的風機不能使該雞舍遠離風機位置滿足雞體的正常生長發育條件以及無法對整棟雞舍進行通風換氣[28]，需要考慮適當增大舍內氣流流動速度，以利于雞舍內空氣交換。

表3 溫度、相對濕度和顆粒物質量濃度相對誤差和NMSETab.3 Relative error and normalized mean squared error value of temperature, relative humidity and particle concentration

3.3.4顆粒物

圖13為截取的蛋雞舍垂直高度為Z=1.5 m的截面PM1、PM2.5、PM10、TSP顆粒物質量濃度分布圖。從模擬結果來看，PM1質量濃度變化范圍為0～1.2 mg/m3，PM2.5質量濃度變化范圍為0～1.4 mg/m3，PM10質量濃度變化范圍為0～7.0 mg/m3，TSP質量濃度變化范圍為0～10.0 mg/m3，模擬所得顆粒物濃度值與試驗測量的數據值基本一致。由于北方冬季對保暖的要求，蛋雞舍內大部分區域風速較小，因此顆粒物濃度區分不大，且分布較均勻。顆粒物主要受風速帶動氣流流動的影響，由于采用負壓通風的原理，空氣由壓力入口向風機出口流動，顆粒物由前向后不斷地聚集，且氣流受到雞籠和西墻的阻擋，造成靠近風機一側顆粒物濃度較高。由于舍內氣流速度較小且分布不均勻，導致顆粒物運動不規律，從雞體及雞籠位置產生的顆粒物無法擴散出去，易在部分位置形成積累，導致過道區域個別位置濃度極高。在遠離風機位置的PM10與TSP濃度較高，這是因為雞舍越長，顆粒物沿X方向越易形成連續的風旋閉環，使得舍內空氣質量更差[29]。

3.4 雞舍通風口優化分析

為解決雞舍舍內存在氣流分布不均勻的問題，需兼顧對雞舍進行通風的同時還需避免雞群受冷應激的矛盾，使得雞舍環境滿足雞體正常的生長發育條件。李文良等[30]利用CFD技術對密閉式平養雞舍縱向通風進行研究，發現導流板與壁面的傾角明顯影響了舍內氣流分布的均勻性。江曉明等[13]研究發現，在白天溫度較高(25℃左右)的情況下，導流板開啟角α=67.5°時較為合理。本文在白天舍內溫度超過20℃的情況下，將原有的導流板與壁面的角度α從45°增加至67.5°，并利用CFD技術對舍內的溫度、風速以及PM1、PM2.5、PM10、TSP的濃度進行對比分析。

3.4.1溫度優化分析

圖14為截取的優化后蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的7個平面內的溫度分布圖。從模擬結果來看，溫度變化范圍為17.8～40.2℃，過道區域溫度變化范圍為17.8～28.4℃，平均溫度為23.5℃。和試驗雞舍的原有溫度模擬值相比有所下降但下降幅度小，這是因為空氣從雞舍側墻上方的通風口進入雞舍，進入雞舍的氣流會沿頂棚到達雞舍的高處，在下降的過程中會被逐漸加熱，當到達雞群所處高度時溫差逐漸變小。海蘭褐蛋雞飼養手冊指出，產蛋期舍內的最適溫度為21℃，研究發現，蛋雞舍溫度的舒適區間為18～25℃，模擬結果整體滿足溫度要求。

3.4.2風速優化分析

圖15為截取的優化后蛋雞舍截面圖分別為X=12、28、45 m和Y=0.5、7.5、14.5 m以及Z=1.5 m的 7 個平面內的氣流分布圖。從模擬結果來看，氣流速度變化范圍為 0 ～ 3.2 m/s，過道區域氣流速度變化范圍為 0～2.8 m/s，和試驗雞舍的原有氣流模擬值相比分布更加均勻，這是因為當α=45°時，對稱氣流進入舍內后在天花板最高處匯流，使舍內中間氣流速度相對較高，遠離風機的一端空氣幾乎不流動，均勻性差[31]。由于導流板角度的變化，加大氣流在過道區域流速，雞只區域的風速仍然保持在0～1.2 m/s，有利于雞群的生長條件，遠離風機端的氣流分布也更加合理。

3.4.3顆粒物優化分析

圖16為截取的優化后蛋雞舍垂直高度為Z=1.5 m截面PM1、PM2.5、PM10、TSP顆粒物質量濃度分布圖。從模擬結果來看，PM1質量濃度變化范圍為0～0.9 mg/m3，PM2.5質量濃度變化范圍為0～1.1 mg/m3，PM10濃度變化范圍為0～5.6 mg/m3，TSP質量濃度變化范圍為0～8.7 mg/m3。與原模擬值相比，PM1質量濃度下降17.4%、PM2.5質量濃度下降15.9%、PM10質量濃度下降18.1%、TSP質量濃度下降21.6%。通過改變通風口導流板的角度，增大氣流流動速度和增強氣流均勻性，很大程度改善了過道區域個別位置濃度極高的問題，使雞體及雞籠位置產生的顆粒物得到很好的擴散。增大舍內氣流流速，加快帶動顆粒物向風機方向流動，更多的顆粒物通過風機排到舍外，舍內的顆粒物含量明顯降低，有利于雞體的生長發育和更好地改善雞舍舍內空氣環境質量。

4 結論

(1)蛋雞舍內顆粒物濃度與熱濕環境參數相關，溫度與PM1、PM2.5濃度呈正相關性(P<0.01)，相對濕度與顆粒物濃度呈負相關性，對PM2.5、PM10影響更大(P<0.01)。產蛋不穩定期間顆粒物含量較大，雞群活動會引起顆粒物濃度的上升，且對TSP影響較大；試驗雞舍內PM10和TSP的質量濃度均大于國家標準。

(2)CFD模擬值與實測的顆粒物濃度比較接近，相對誤差及 NMSE 在可接受的范圍，因此采用該CFD 模型來模擬蛋雞舍內濕熱環境以及顆粒物濃度是可行的。溫度模擬值與實測值最大差值不超過4℃，相對誤差為1.23%～8.88%，平均相對誤差為5.05%。相對濕度相對誤差為5.11%～14.00%，平均相對誤差為9.6%。因冬季對保暖的要求，雞舍內大部分區域風速較小，都在0.5 m/s以下，使得顆粒物分布較均勻。顆粒物濃度模擬值相對于實測值整體偏小。舍內部分位置的顆粒物含量較大，需對試驗雞舍進行優化以改善舍內環境質量。

(3)在白天溫度超過20℃的情況下，將導流板與壁面的角度α從45°增加至67.5°。與試驗雞舍模擬值相比，優化后的溫度較之前略有下降，溫度范圍仍為蛋雞舍溫度的舒適區間。氣流分布更為均勻，增大舍內氣流流速，加快帶動顆粒物向風機方向流動。PM1濃度下降17.4%、PM2.5濃度下降15.9%、PM10濃度下降18.1%、TSP濃度下降21.6%。說明適當增加導流板與壁面的角度可以有效改善試驗雞舍內的空氣質量，更好地滿足雞只生長需要。