猪舍热回收换气系统供暖的数值模拟.pdf

第 27 卷第 12 期农 业 工 程 学 报Vol 27No 12 2011年12月Transactions of the CSAEDec 2011227 冬季猪舍热回收换气系统供暖的数值模拟 王小超 1 2 陈昭辉1 2 王美芝1 2 刘继军1 2 1 中国农业大学动物科技学院 北京 100193 2 动物营养学国家重点实验室 北京 100193 摘要 为了研究冬季热回收换气系统的送风角度对猪舍供暖效果的影响 该文采用计算流体力学对空载猪舍的温度场 和气流场进行数值模拟 并采取试验对模型进行验证 试验结果表明 模拟值与测定值拟合度较高 该模型较合理 在 满足仔猪通风量情况下 基于建立的数学模型对热回收换气系统 3 种不同送风角度 30 45 和 60 的温度场和气流场 进行模拟 结果表明 与 30 和 60 送风角度比较 送风角度为 45 时的舍内温度分布均匀 舍内气体交换较充分 满足 猪的生长要求 该文为热回收换气系统在实际养猪生产中的应用提供依据 关键词 农业建筑 计算流体力学 供暖 猪舍 热回收换气系统 送风角度 doi 10 3969 j issn 1002 6819 2011 12 043 中图分类号 TU264 3文献标志码 A文章编号 1002 6819 2011 12 0227 07 王小超 陈昭辉 王美芝 等 冬季猪舍热回收换气系统供暖的数值模拟 J 农业工程学报 2011 27 12 227 233 Wang Xiaochao Chen Zhaohui Wang Meizhi et al Numerical simulation of heat supply for heat recovery ventilation system of piggery in winter J Transactions of the CSAE 2011 27 12 227 233 in Chinese with English abstract 0引言 畜禽养殖环境中 温度和气流是影响动物热舒适度 和养殖经济效益的重要因素 1 当环境温度为 15 6 时 体重为 8 5 10 kg 的仔猪需要多消耗饲料约 27 料重 比增加 22 5 通风不足时饲养成本增加 10 20 2 3 做好冬季猪舍采暖与通风对营造良好畜舍小气候环境具 有重大意义 4 5 热回收换气系统采取通风换气和供暖相 结合的综合调控方式 克服了分别控制所带来的不同系 统兼容性差 成本高的问题 在中国猪舍冬季环境控制 方面有很大的优势 在养殖业中得到广泛应用 6 然而 在实际应用热回收换气系统时其供暖效果的合理性常常 缺乏理论指导 多为凭经验确定 常用实际测量的研究 方法存在着布点数量有限 测量仪器干扰舍内环境状况 不能准确反映和预测畜禽舍温度和气流状况等缺陷 7 计 算流体力学 computational fluid dynamics CFD 是通过 计算机进行数值计算和图像显示 分析包含流体流动和 热传导等相关物理过程的系统 8 能很好地避免经验设计 和实际测量存在的弊端 已被广泛应用于畜禽舍气流场 与温度场的研究 9 10 Hoff 等于 1992 年首次将 CFD 技术用于真正的畜舍 模拟研究 CFD 模拟和实际测量数值相比具有很好的拟 合度 得出 CFD 在畜舍研究中具有重要价值 11 B B Harral和C R Boon用PHOENICS parabolic hyperbolic or 收稿日期 2011 08 02修订日期 2011 10 24 基金项目 生猪产业技术体系北京市创新团队项目 作者简介 王小超 1988 男 湖北武汉人 主要从事畜牧环境工程的 研究 北京中国农业大学动物科技学院 100193 Email wxc19880701 通信作者 刘继军 1963 男 吉林榆树人 副教授 主要从事畜牧 环境工程的研究 北京中国农业大学动物科技学院 100193 Email liujijun elliptic numerical integration code series 软件模拟了机械 通风条件下无畜禽的舍内的气流分布状况 模拟结果与 声波风速仪测得的结果具有良好的吻合度 4 说明进行空 载畜禽舍 CFD 模拟是可行的 B Bjerg K Svidt 等运用 CFD 模拟和实际测量的方法研究猪舍内圈栏的划分和猪 对气流的影响 通过模拟对比无圈栏空舍 无圈栏养猪 舍和有圈栏养猪舍 得出圈栏的划分以及猪都会减少气 流速度 12 Tomas Norton 和 Jim Grant 等利用 CFD 模拟 冬季自然通风情况下牛舍屋脊通气缝不同进风角度对舍 内气流分布的影响 得出当进风角度垂直于通气缝时 舍内气流分布最均匀 13 李文良 施正香等利用 Fluent 和 Realizable k 湍流模型研究夏季密闭式鸡舍不同送风 角度对鸡体高度的风速的影响 得出进风开启角度 0 时 鸡体水平高度处风速随 增大而增大 14 国内外利 用 CFD 进行畜禽舍的研究主要是对适宜温度条件下不同 通风方式的模拟 很少涉及综合控制通风量 舍内风速 和温度的情况 本文采用 CFD 技术模拟仔猪舍热回收换 气系统供暖效果 为热回收换气系统在实际养猪生产中 的应用提供依据 1CFD 模型 1 1室内空气流动控制方程 15 连续方程 0 i i U x 1 动量方程 ref ijj ii jijji i U UU UUp txxxxx g TT 2 能量方程 农业工程学报2011 年 228 H p i jji hUhh S txxcx 3 雷诺传质表达式 t j tj C c x 4 式中 Ui为 xi方向的速度 m s t 为时刻 s xi和 xj为 对应于 i j 1 2 3 xi和 xj分别代表 3 个垂直坐标轴坐 标 为空气密度 kg m3 Uj为 xj方向速度 m s p 为 空气压力 Pa 为空气层流动力黏度 kg m s 为空 气热膨胀系数 1 k Tref为参考温度 K T 为空气温度 K gi为 i 方向之重力加速度 m s2 h 为空气定压比焓 J kg SH为热源 W 为空气导热率 W m K cp为 空气比定压热容 J kg K C 为组分浓度 kg kg t为 湍流黏性系数 Pa s t为湍流传质 Schmidt 数 为 1 00 jc 为高阶的二阶脉相关量 1 2标准k 两方程湍流模型的控制方程组 15 方程为 2 1 2 t j jjj jj i t iij U txxx UU UC C kxxxk 5 k 方程为 t j jjkj jj i t iij kkk U txxx UU U xxx 6 通过引入 可以将湍流黏性系数 t 与 k 联系起来 3 2 1 21 22 tD k CklC CkCk 7 式中 为湍流动能耗散率 J kg s k 为湍流动能 m2 s2 为湍流动能耗散率的当量普朗特 prandtl 数 取值为 1 30 k为湍流动能的 prandtl 数 取值为 1 00 C1 C2 为经验常数 通常其值分别为 1 44 和 1 92 经验系数 C 为经验系数 C 与经验系数 CD的乘积 为 1 00 1 2边界条件的确定 1 2 1室外空气温度和壁面材料确定 本次试验采用实测方法确定室外空气温度 壁面假 设为光滑无滑移 猪舍维护结构为 PVC 吊顶 水泥砂 浆地面 三面砖墙 出风口所在的墙面为彩钢板墙面 各材料的参数见表 1 表 1模拟壁面材料参数 Table 1Material parameters of simulated wall 导热系数 w m 1 k 1 热容 J kg 1 k 1 密度 kg m 3 温度 K 地面1 909001 800290 70 砖墙0 819202 000291 47 彩钢板0 081 3001 050292 83 吊顶0 169001 380291 79 1 2 2进 出风口参数的确定 进风口处为百叶窗结构 可以调整进风口角度 模 型进风口的气流速度 根据以下公式计算 in V Q S 8 式中 V 为进风口气流速度 m s Q 为进风口总进风量 m3 Sin为进风口总面积 m2 1 2 3模型的简化处理 利用 GAMBIT 软件进行建模和网格的划分 采用标 准 k 湍流模型 利用 Fluent 对温度和速度进行耦合迭代 计算 为了增强本次试验的可操作性 试验做了如下的简 化处理 12 16 1 由于影响空载猪舍内部气流分布的主要是 猪栏之间的隔板 所以忽略猪栏与饲喂走道之间的铁栅栏 和小型饲槽对气流的影响 2 假设百叶窗进风口气流方 向为 XY 平面向下 15 没有其他方向的分量 且气流速度 保持不变 3 忽略猪舍猪栏隔板的蓄热作用 并认为隔 板为绝热状态 4 忽略通过窗户进入舍内的太阳辐射 2CFD 模型的验证 为了验证模型的合理性 在河北省涿州市饲料工业 中心涿州实验猪场仔培舍中的一个单元进行为期 30d 2011 年 2 月 20 日至 2011 年 3 月 20 日 的实测 与模 拟值进行对比验证 2 1畜舍单元概况及实际测量所用仪器 猪舍单元如图 1 所示 单元的外几何尺寸长为 7 2 m 宽为 3 8 m 舍内地面距 PVC 吊顶 2 4 m 猪栏为双列布 置 每列 9 个猪栏 中间为饲喂走道 相邻猪栏之间以 PVC 隔板隔开 走道与猪栏之间为铁栅栏 采用纵向通 风供暖的方式 进风口在一侧墙上 长 1 6 m 高 0 11 m 下沿距地面的高度为1 9 m 送风角度为XY平面向下15 出风口在对侧墙上 为直径 20 cm 的圆 出风口上沿距 地面的高度是 0 5 m 其中心距两侧纵墙的距离分别是 1 4 和 2 4 m 试验布点如图 1 所示 取 3 个高度分别为 0 6 1 2 和 1 8 m 进行布点测量 每个高度有 8 个测点 共 24 个测点 所用仪器以及测量指标见表 2 三维风速仪和温 湿度仪均为自动记录 记录时间间隔为 1 s 每点测量时 间为 30 s 选择气候比较稳定的每天的 12 00 到 14 00 进 行测量 此外 畜舍的进风口温度以及风速进行定点测 量 吊顶 壁面 地面温度分别选取 9 个等分点进行测 量 并做好记录 注 图中尺寸为 m 图 1试验畜舍的几何透视图及测点位置 Fig 1Perspective drawing of experimental animal building and measuring points position 第 12 期王小超等 冬季猪舍热回收换气系统供暖的数值模拟 229 2 2模型的建立和计算结果 2 2 1边界和初始条件 本次试验进风口设置为速度入口 velocity inlet 大小为 4 46 m s 角度为 XY 平面向下 15 初始温度为 298 95 K 25 8 猪舍出风口设为 outflow 其余壁面 和隔板设置为 wall 条件 表 2试验仪器 Table 2Experiment apparatus 仪器 测量 项目 测量 数量 范围精度 Model81000 三维超 声波风速仪 舍内 风速 240 40 m s 1 rms 0 05m s 3 rms 30 40m s CYT 10 温湿度仪 舍内 温度 24 40 80 0 1 0 5 TES 1310 数位 温度计 壁面 温度 44 50 199 9 0 2 rdg 1 2 2 2模拟结果 1 气流速度场的模拟结果 图 2a 所示的模拟结果表明 在 Y 1 2 m 平面上 靠 近吊顶的位置存在漩涡现象 由于出风口热风射流速度 较大 从而与吊顶之间形成了漩涡 从图 2b 所示 Z 0 6 m 平面的气流场可以看出饲喂走道与猪栏之间存在气体交 换 且猪栏中均存在漩涡现象 有利于栏内有毒有害气 体的排出 2 温度场的模拟结果 从图 3a 可以看出 靠近出风口猪栏处的温度高于靠 近进风口猪栏处的温度 靠近进风口猪栏处的温度均在 294 295 K 之间 靠近出风口猪栏处的温度为 295 296 K 从图 3b 可以看出猪舍在 Z 0 6 m 平面的温度分布具 有一定的对称性 靠近出风口的位置温度达到最高为 296 2 K 靠近进风口位置的猪栏温度最低 为 294 2 K 从进风口到出风口走道处存在着明显的温度梯度 而且 猪栏内部的温度低于其附近走道的温度 a Y 1 2 m 截面b Z 0 6 m 平面 注 进风口风速为 4 46m s 图 2模拟猪舍内气流分布图 Fig 2Distribution map of simulated airflow in piggery 注 图中数字为温度等值线值 图 3模拟猪舍内温度分布图 Fig 3Distribution map of simulated air temperature in piggery 2 3模拟值的验证 为了说明所用模型的合理性需对模型进行验证 从 而可以基于此模型对相应的猪舍通风与供暖问题进行深 入的研究 2 3 1速度场的验证 本试验用相对误差作为各测点模拟值精确度的衡量 指标 根据傅泽田 17 的研究 在 45 个测点中 有 30 个测 点的相对误差小于 30 占总测点的 66 7 从而认为这 个模拟值和实测值吻合度较高 根据此方法结合图 4 本 次试验 1 共 24 个测点 19 个测点的相对误差小于 30 占总测点数的 79 2 其中 E1 F1 A2 E2 的实测值与 模拟值差异较大 这 4 点均在进风口附近 这与 Harral 4 及 Blanes Vidal 18 的研究结果相似 其原因为 k 模型容 易高估在高剪切力区域的 k 值 从而改变气流形式 因此 出现差异较大的现象 另外 根据图 5 所示的风向图可 农业工程学报2011 年 230 图 4各测点速度实测值和模拟值的对比 Fig 4Comparison of measured air speed with simulated values at each point 以看出 模拟和实测的风速在方向上也比较一致 说明 模拟和实测风速吻合度较高 2 3 2温度场的验证 温度场也采用相对误差进行吻合度分析 根据图 6 中的数据可知 实测和模拟最大绝对误差为 1 4 平均 绝对误差为 0 48 平均相对误差为 2 因此 温度场 也具有很好的吻合度 综合 2 3 1 和 2 3 2 可知 温度场和速度场的模拟值 与实际测量值均具有良好的一致性 说明本次试验所采 用的标准 k 湍流模型合理 可以基于此模型用来预测热 回收换气系统的应用效果 图 5Y 1 2 m 截面和 Z 0 6 m 平面模拟与实测风向的对比 Fig 5Comparison of measured wind direction with simulated values at Y 1 2 m section and Z 0 6 m plane 图 6各测点温度测量值与模拟值的对比 Fig 6Comparison of measured air temperature with simulated values at each point 3热回收换气系统应用模拟 3 1仔猪单元所需风量和有关参数 在实际生产中 试验所选的单元共饲养了 108 头猪 每个猪栏饲养 6 头 体重为 7 kg 保育阶段的大长二元杂 交猪 具体尺寸分别是体长 0 6 m 胸宽 0 15 m 体高 0 3 m 采用热回收换气系统供暖 保育阶段猪冬季所需 通风量为 0 35 m3 h kg 19 总的通风量为 264 6 m3 h 为 了达到冬季最小通风量 设置畜舍送风速度为 0 5 m s 通 风风量为 316 8 m3 h 分别模拟送风角度为 30 45 60 3 种情况下猪舍供暖效果 选择其中比较合理的饲养 环境对猪舍进行供暖 3 2生产状况下仔猪单元边界条件 将猪体假设为长方体 其产热量为 21 84 W 头 19 体温度为 39 3 312 45 K 体重为 7 kg 比热容为 3 500 J kg K 20 导热系数计算公式 0 60 26 1 ww 9 式中 为猪肉导热系数 W m w 为水分质量分数 kg kg 0 60 为水的导热系数 W m 0 26 为干物质 的导热系数 W m 20 畜舍进风口设置速度为速度 入口 velocity inlet 速度大小为 0 5 m s 进风口温度 设置为 25 8 壁面设置为 wall 出风口设置为 outflow 3 3送风角度分别为 30 45 和 60 情况下的模拟结果 与分析 3 3 1不同送风角度模拟结果 送风角度是指进风口进风方向与水平面 XY 平面 的夹角 送风角度为 30 45 和 60 时 温度场和气流场 如图 7 8 所示 如图 7a 所示 送风角度为 30 时 猪栏内部温度均 在 298 K 24 85 附近 走道处的温度为 294 296 K 20 85 22 85 猪栏处的温度稍高是由于猪体产热 所致 整个畜舍温度情况符合 7 kg 猪的最适温度 20 24 20 由于进风口处气流入射角度较小 热气流直接流 向出风口处 使得靠近出风口处的猪栏周围温度较高 如图 7b 所示 送风角度为 45 时猪栏内的温度分布 在 298 K 24 85 附近 局部温度为 296 K 22 85 畜舍的整体温度在 296 K 22 85 附近 属于适宜温 度 有利于冬季猪的生长 进风口入射的气流主要集中 在靠近猪舍的中部区域 热量逐步扩散 使得整个猪舍 温度分布比较均匀 如图 7c 所示 送风角度为 60 时猪舍整体温度较 低 舍内整体温度在 292 294 K 18 85 20 85 出现了温度偏低的情况 不能满足冬季保育猪舍的温度 要求 由于送风角度较大 温度较高的新鲜气流进入舍内 直接射到饲喂走道地面 部分热量直接损失了 用于畜舍 第 12 期王小超等 冬季猪舍热回收换气系统供暖的数值模拟 231 注 图中数字为温度等值线值 图 7不同送风角度情况下 Z 0 5 m 平面猪舍内温度分布图 Fig 7Distribution of simulated air temperature for different air inlet angel at Z 0 5 m plane in piggery a 送风角度为 30 时b 送风角度为 45 时 c 送风角度为 60 时 注 进风口风速为 0 5m s 图 8不同送风角度情况下 Y 0 5 m 截面猪舍内气流分布图 Fig 8Distribution of simulated airflow for different air inlet angel at Y 1 05 m section in piggery 供暖热量减少 引起舍内温度偏低 直接影响生产效益 因此 送风角度不宜为 60 各猪栏内猪体高度处 Z 0 5 m 风速模拟点坐标及 风速值如表 3 所示 以此判断各猪栏内部风速大小以及 气体交换是否合理 冬季保育阶段仔猪周围最适风速不 得超过 0 2 m s 21 每种送风角度下猪体周围风速均在最 适风速范围之内 以坐标为 3 6 1 05 0 5 的测点为 例 通过对比 3 种送风角度情况下该点的风速值可知 45 时风速为 0 098 m s 明显高于 30 的 0 025 m s 和 60 的 0 012 m s 且不超过 0 2 m s 通过对比其他点的数值 也基本符合这项规律 说明送风角度为 45 时猪栏内气体 交换较充分 有利于舍内污浊空气的排出 表 3Z 0 5 m 平面风速模拟值 Table 3Simulated air speed at Z 0 5 m plane m s 送风角度送风角度 坐标 30 45 60 坐标 30 45 60 0 4 1 05 0 5 0 0260 0150 015 0 4 2 75 0 5 0 0250 0350 017 1 2 1 05 0 5 0 0180 0290 018 1 2 2 75 0 5 0 0210 0330 021 2 0 1 05 0 5 0 0060 0250 039 2 0 2 75 0 5 0 0070 0380 025 2 8 1 05 0 5 0 0120 0400 011 2 8 2 75 0 5 0 0130 0500 015 3 6 1 05 0 5 0 0250 0980 012 3 6 2 75 0 5 0 0230 0850 008 4 4 1 05 0 5 0 0120 0460 016 4 4 2 75 0 5 0 0100 0340 013 5 2 1 05 0 5 0 0060 0320 012 5 2 2 75 0 5 0 0060 0100 009 6 0 1 05 0 5 0 0190 0300 015 6 0 2 75 0 5 0 0310 0800 030 6 8 1 05 0 5 0 0060 0350 016 6 8 2 75 0 5 0 0090 0240 012 农业工程学报2011 年 232 综上所述 随着进风口开启角度的变化 30 60 畜舍内部整体温度也随之变化 根据本文的研究 当开 启角度在 30 时舍内温度场在合理范围之内 但气体交换 存在不足 送风角度为 45 时舍内温度分布均匀且气体热 交换充分 是比较适宜的送风角度 送风角度为 60 时 舍内温度偏低 不利于猪群的生长 说明送风角度对气 体的交换和温度的分布均存在较大影响 本次试验条件 下当开启角度为 45 时具有良好的供暖和通风效果 4结论与建议 1 本次试验采用的是标准 k 湍流模型 该模型模 拟的温度和风速值与实测值相比 风速值平均相对误差 小于 30 的测点占 79 2 风速方向也较一致 温度值的 平均绝对误差为 0 48 平均相对误差为 2 结果表明 此模型合理 可以用于实际生产的模拟 2 利用建立的仔猪单元模型模拟实际养猪生产情况 下热回收换气系统供暖效果 当通风量为 316 8 m3 h 时 送风角度为 45 的舍内温度比送风角度为 30 和 60 的舍 内温度分布均匀 在 22 85 上下波动 靠近猪体的风速 不超过 0 2 m s 满足生长需求 进入舍内的新鲜空气与 污浊空气混合充分 参考文献 1 Wagenberg A V Bjerg B Bot G P A Measurements and simulation of climatic conditions in the animal occupied zone inadoorventilatedroom forpiglets J Agricultural Engineering International the CIGR Journal of Scientific Research and Development 2004 20 3 1 19 2 Frank J W Carroll J A Allee G L et al The effects of thermal environment and spray dried plasma on the acute phase response of pigs challenged with lipopolysaccharide J Animal Science 2003 81 5 1166 1176 3 安佑技术中心 冬日猪舍换气的理论与实际探讨 J 猪业 科学 2006 23 11 62 63 4 Harral B B Boon C R Comparison of predicted and measured air flow patterns in a mechanically ventilated Livestock building without animals J 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