基于CFD 的育肥豬舍壓力場和速度場研究

栗艷博， 賈立松， 魏傳祺， 鄒 嵐， 彭 博， 陳 博

（1. 北京京鵬環宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094； 2. 北京市農業機械研究所有限公司，北京 100096）

0 引言

2021 年，我國生豬產量、產能和價格均回歸合理區間。豬肉產量比2020 年增長28.8%，達到正常年份水平。能繁母豬存欄4 329 萬頭，產能回到合理水平。從生豬養殖收益看，除了6?10 月虧損，其余7 個月均盈利較多，按出欄量加權平均計算，全年每出欄一頭生豬仍有564 元的利潤，高于正常年份200 元左右的盈利水平[1-2]。在養豬業集約化、規模化、機械化、智能化和福利化發展過程中，動物營養、疾病防控、育種和環境控制等技術仍有較大的進步空間，其中環境控制技術是影響豬只健康、生長效率及豬肉品質的重要因素。環境控制包括光環境、聲環境、熱環境、空氣環境和水環境5 方面，本文關注的是熱環境和空氣環境。一個通風良好的畜禽舍，可以為畜禽生產活動提供強有力的保障。然而設計通風系統時，不確定因素多，所受干擾大。若采用先建造畜禽舍再實地測量分析其通風效率的方法費時費事更費錢。計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬從技術上克服上述限制并能在短期內得到合理的設計方案[3]。目前國內外的學者多是把CFD 模擬技術應用在對流場、溫度場及污染物濃度場分析，鮮有運用CFD 模擬對畜禽舍的壓力場進行研究[4]。本研究對象為山西某豬場育肥舍夏季縱向通風情況，目的是運用CFD 模擬軟件，通過計算獲得豬舍各個部位負壓值，風機的工作負壓值和豬舍各位置的風速，從而實現優化舍內的通風系統設計，對育肥舍的通風系統優化設計提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象與理論通風計算

1.1.1 研究對象

選取位于山西省永濟市一個規模豬場的育肥舍為模擬研究對象。目前，大多數豬舍設計為大棟小單元模式，選取育肥舍的一個單元進行研究，育肥舍單元建筑結構的長寬尺寸為41 320 mm×14 880 mm，地面到吊頂的垂直高度為2 500 mm。外墻：采用240 mm 厚MU15 混凝土普通磚，Mb7.5 砂漿砌筑；外貼50 mm 厚擠塑聚苯板，容重≥274.4 N/m3。內墻：采用240 mm 厚MU15 混凝土普通磚，Mb7.5 砂漿砌筑至標高1.2 m，1.2 m 以上采用復合壓型鋼板墻面，檁條暗藏型。內外墻構造柱及拉筋、圈梁、門窗洞過梁，除建筑圖有說明者外，均按結構圖紙和相關規范施工。內墻除注明者外均應砌至吊頂板底，并根據結構要求擠實。

夏季通風采用負壓縱向通風模式，如圖1 所示，從左至右依次為濕簾墻、隧道窗墻、風機墻。風機作為動力從豬舍抽氣排到舍外，舍內形成負壓，在大氣壓作用下，新風依次通過濕簾、隧道窗進入舍內。

圖1 育肥單元Fig. 1 Fattening unit

風機墻設備布置：風機從上至下依次布置50 風機、36 風 機、50 風 機、50 風 機、36 風 機 和50 風 機。濕 簾墻設備布置：一塊長寬尺寸為13 200 mm×1 800 mm 的150 mm 厚濕簾設備。隧道窗墻設備布置：隧道窗從上至下依次布置2 020 mm×1 185 mm、2 020 mm×1 185 mm、1 220 mm×1 185 mm、1 220 mm×1 185 mm、2 020 mm×1 185 mm、2 020 mm×1 185 mm。風機布置共6 臺，濕簾一塊，隧道窗6 個，布置間距如圖1 所示。50 風機底標高860 mm，36 風機底標高1 230 mm，濕簾底標高300 mm，隧道窗底標高1 075 mm。

1.1.2 理論通風計算

該項目在山西，地處華北地區，夏季采用縱向通風，按照經驗定舍內平均風速為1.2 m/s。濕簾風速設定1.8 m/s，則舍內理論風量為

本項目濕簾選用150 mm 厚濕簾，根據濕簾性能曲線（圖2）可以查到，在濕簾風速為1.8 m/s 時，濕簾風阻為45 Pa，綜合舍內風阻，風機工作工況為55 Pa。50 風機55 Pa 時風量為30 000 m3/h，36 風機55 Pa 時風量為13 300 m3/h。則舍內實際風量為

圖2 濕簾性能曲線Fig. 2 Wet curtain performance curve

實際過簾風速

1.2 物理模型

采用SolidWorks 作為三維繪圖工具，基于施工圖數據建立三維模型。如圖3 所示，物理模型將局部做了簡化處理：一是通常情況下，夏季通風時門是處于關閉狀態的，可將門簡化為墻體；二是欄體是育肥大欄，其風阻較小，忽略不計，豬只活動區域風阻較大，也做簡化處理；三是將此區域設置為多孔介質模型，輸入相應的黏性阻力系數和慣性阻力系數，從而減少計算量。

圖3 簡化后豬舍內部結構Fig. 3 Internal structure of pig house

在實際養殖過程中育肥豬大約80%的時間都處于躺臥狀態[5]。豬的躺臥模型：選擇55 kg 育肥豬作為研究對象，研究表明在豬的所有躺臥姿勢中，側躺且四肢伸展姿勢占比高于60%，因此本研究中豬的躺臥模型均基于此種姿勢。豬質量與體尺之間的冪函數關系如下

1.3 CFD 簡介

CFD 技術應用質量、能量及動量守恒等基本方程對流場模型進行求解，分析空氣流動狀況。模擬時將豬舍內空氣簡化為定常流動的不可壓縮流體，鑒于任何流體流動必須遵循基本物理守恒定律，即質量守恒、動量守恒和能量守恒定律，模擬時又將豬舍內空氣視為水蒸氣與干空氣組成的理想混合氣體，還需要遵循組分守恒定律，因此本模擬應滿足以下控制方程。使用SolidWorks 軟件進行三維建模，并使用ANSYS FLUENT 軟件進行模擬。模擬包括前處理、運算和后處理，都在ANSYS FLUENT 軟件下操作。

質量守恒方程又稱連續性方程

動量守恒方程

能量方程

組分守恒方程

式中 ρ?流體密度，kg/m3

u?速度在X方向的分量，m/s

v?速度在Y方向的分量，m/s

w?速度在Z方向的分量，m/s

P?流體微元體上的壓力，Pa

T?流體開氏溫度，K

λ?流體導熱系數，W/(m·K)

cp ?流體比熱容，J/(kg·K)

ST?流體內熱源項，W

cs?組分S的濃度，kg/kg

DS?組分的擴散系數，m2/s

2 網格和邊界條件

2.1 網格和網格劃分

采用重整化群（RNG）κ-ε 模型作為湍流模型，以求解育肥舍內流體黏性流動狀況。在SolidWorks 軟件中將育肥舍單元的模型建立后如圖4 所示，再接著建立流體域模型，為了減小外界條件對模型的影響，風機側流體域向外擴展6 000 mm，然后將模型導入ANSYS軟件，對幾個模型進行切割和命名處理，將濕簾區域切割出來，將地面以上300 mm 作為豬只區域切割出來，分別命名shilian、zhuzhi，命名inlet、outlet01、outlet02、outlet03、outlet04、sheneidimian、fj5001、fj5002、fj5003、fj5004、fj3601 和fj3602 分別代表入口、出口01、出口02、出口03、出口04、舍內地面、50 風機01 號、50風機02 號、50 風機03 號、50 風機04 號、36 風機01號和36 風機02 號。

圖4 流體域模型Fig. 4 Fluid domain model

在邊界面設置完成后，需要對育肥單元物理模型進行網格劃分，采用系統默認的單元進行網格劃分，網格劃分Mesh 設置時，physics preference 設置為CFD。solver preference 設置為fluent。由于整體物理模型尺寸較大，考慮到計算機的計算難度，避免單元總數太多，單元尺寸在合適范圍內，盡可能大些，將物理模型全局體網格基本單元尺寸設置為300 mm（單元最長邊的距離），將物理模型全局體網格最大單元尺寸設置為350 mm（單元最長邊的距離）。由于濕簾厚度150 mm，故將濕簾區域添加尺寸調整基本單元尺寸100 mm，將豬只活動區域添加尺寸調整基本單元尺寸200 mm。全部設置完成后，計算生成網格，育肥單元物理模型網格如圖5 所示。整個物理模型總單元節點數151 875 個，總單元數634 707 個。

圖5 育肥單元物理模型整體網格Fig. 5 Overall grid of fattening unit physical model

2.2 邊界條件設置

（1）模擬狀態確定。在模擬中，擬定狀態為穩態，夏季風機全速運行，卷簾全開，隧道窗全開狀態。

（2）流體域設置。濕簾區域為多孔介質區域，設定黏性阻力系數和慣性阻力系數。豬只區域為多孔介質區域，設定參數如表1 所示。

（3）流體域入口、出口條件設置。入口為壓力入口，壓力值為0 Pa；出口為壓力出口，壓力值為0 Pa。

（4）其他參數如表1 所示[5]。

表1 相關邊界條件值Tab. 1 Relevant boundary condition values

3 計算求解

物理模型網格劃分和邊界條件均設置完成后，運用ANSYS 軟件中的Fluent 求解器進行模擬計算求解，得到收斂的結果，其殘差收斂曲線如圖6 所示。

圖6 殘差收斂曲線Fig. 6 Residual convergence curve

4 模擬結果顯示和數據分析

由圖7 舍內空氣跡線分布圖可知，中間門位置風速較小，所以大部分豬舍門正對通道，一是為了轉豬方便，二是減少通風死區對豬只的影響。

圖7 三維豬舍內空氣跡線分布Fig. 7 Air traces in a three-dimensional piggery

創建等值面ZY面，X軸方向4 670 mm 為面X01，此面的速度云圖如圖8a 所示，在面X01 上新建兩條線，lin1 為Z=500 mm，lin2 為Z=1 800 mm，分別代表豬只活動區域和人員活動區域。利用lin1、lin2 建立速度曲線，曲線X軸為豬舍長度方向，曲線Y軸為氣流速度。lin1 速度曲線如圖8b 所示，lin2 速度曲線如圖8c 所示。

圖8 等值面ZY 面速度云圖和速度曲線Fig. 8 Velocity cloud map and velocity curve of isosurface ZY

在高度1 800 mm 位置（圖8c），氣流從濕簾到隧道窗有明顯加速趨勢。因為從濕簾到隧道窗，減小了通風口面積，從而加大了氣流速度。 隨后在舍內呈減小趨勢，最后維持在1.3 m/s，在靠近風機時急劇上升到最大風速4.46 m/s，而后呈下降趨勢，在風機外6 m位置風速為2.25 m/s。在高度500 mm 位置（圖8b），氣流從濕簾到隧道窗先加速后減速。因為氣流被隧道窗墻阻擋，所以有一個減速過程。接著在舍內出現一個渦流，此處氣流較亂，速度基本在0.5 m/s 上下，受隧道窗氣流下沉影響，風速呈上升趨勢。舍長增加，動力減弱，整體又呈下降趨勢，基本維持在0.8 m/s 左右。過風機后在墻體另一側風速增加，在風機外6 m 位置風速為2.3 m/s。創建等值面ZY 面，X軸方向4 670 mm 為面X01，此面的壓力云圖如圖9a 所示，在面X01 上新建兩條線，lin1 為Z=500 mm，lin2 為Z=1 800 mm，分別代表豬只活動區域和人員活動區域。利用lin1、lin2 建立壓力曲線，曲線X軸為豬舍長度方向，曲線Y軸為壓力。lin1壓力曲線如圖9b 所示，lin2 壓力曲線如圖9c 所示。

圖9 等值面ZY 面壓力云圖和壓力曲線Fig. 9 Pressure nephogram and pressure curve of isosurface ZY

在高度1 800 mm 位置（圖9c），壓力在濕簾處阻力下降到?48 Pa。在隧道窗處又下降了7 Pa，整體在舍內非常平緩，最后維持在?53 Pa。風機前后壓差達到53 Pa 以上，在風機外壓力值最大上升到2.55 Pa，而風機外側與外界連通，只是受到阻力，正壓值并不大。

在高度500 mm 位置（圖9b），壓力在濕簾處阻力下降到?48 Pa 左右。在隧道窗處又下降了7 Pa 左右，在舍內非常平緩，最后維持在?53 Pa 左右。風機前后壓差達到53 Pa 以上，在風機外壓力值最大上升到0 Pa，而風機外側與外界連通，只是受到阻力，正壓值基本無增加。

由圖8a、圖8b 和圖8c 可以得出，豬舍內不同高度風速是不一樣的，而傳統豬舍通風設計時是用豬舍截面積乘以平均風速，按照此方法進行豬舍通風設計確實有一定的偏差。從本次模擬中豬只位置風速基本在0.8 m/s 左右，與理論計算1.1 m/s 稍有差異。

由圖9a、圖9b 和圖9c 可以得出，豬舍內不同高度的壓力值基本是一樣，主要壓降點在濕簾、隧道窗位置，舍內壓力平穩一致。傳統通風設計時也是從這幾個點考慮壓降值，累加得到風機工作負壓值。因本次設計的濕簾阻值在風速1.8 m/s 時為48 Pa，而舍內負壓值達到53 Pa，與理論設計55 Pa 結果基本符合。

5 結束語

對山西某豬場育肥舍一個單元的夏季縱向通風速度場、壓力場進行模擬，通過軟件模擬對傳統通風設計計算進行了驗證，從驗證結果看出傳統通風設計存在一定缺陷，軟件更能精確計算出豬舍內的風速和壓力。不過傳統通風設計與軟件計算相比，速度場偏差較大，而壓力場偏差較小。需要說明的是本次模擬在對育肥豬本身、建筑結構、欄體、食槽和漏糞地板的建模及參數設定都進行了簡化，且本次模擬結果基于該育肥舍的風機參數、濕簾參數、豬只參數而得出。本研究可以說明縱向通風模式的特點，對該類型畜禽舍的設計建設具有理論指導的作用。