叠层笼养蛋鸡舍夏季通风气流CFD模拟与优化

发布时间：2020-09-21 15:22

　　鸡群生活区域的环境条件严重影响蛋鸡的健康与生产性能。在高密度叠层笼养鸡舍中,普遍存在笼内气流不畅、分布不均和通风效率低等问题。本文采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法研究建立笼内鸡群气流阻力计算模型和鸡舍夏季通风流场模拟模型,并就叠层笼的不同高度对笼内空间气流速度影响,鸡舍顶部空间设置导流板,不同进风位置及进风口内侧导风板对舍内气流影响规律等进行研究,主要结论如下:1.针对笼内鸡群对气流阻力的影响,采用虚拟风洞方法分析了鸡只几何模型简化方式、鸡只体积和鸡群分布对鸡群气流阻力的影响关系,创建了忽略鸡喙、鸡冠和鸡腿的鸡群简化模型及其通风阻力计算模型,包括虚拟风洞几何模型、CFD模拟数值方法和边界条件的确立。通过实际风洞试验验证,模拟值与实测风速值相对误差小于6%。此研究中建立的鸡群通风阻力系数计算方法为叠层笼养鸡舍气流模拟奠定了基础。2.针对叠层笼层高对笼内气流影响,建立了叠层笼养鸡舍的通风模拟模型,包括鸡舍几何模型、舍内气流CFD模拟数值方法和边界条件的确立。鉴于笼高会影响鸡群活动区域顶部与上层笼底之间自由空间的高度,从而影响笼内气流速度。在不同自由空间高度(0.15m、0.3 m、0.45 m、0.6m和1m)情况下,对鸡群活动区域上方自由空间的气流速度进行CFD模拟。结果表明,自由空间气流速度与笼高正相关。当鸡舍横截面平均风速为1.5 m s-1时,自由空间内风速与其高度回归关系为:Y=0.1681n(x)+1.22,Y为自由空间内风速,ms-1;x为自由空间高度,m。鸡舍环境模拟和边界条件模型通过现场实测数据验证,模拟值与实测值相对误差小于10%,为叠层笼鸡舍环境CFD模拟及舍内设备优化提供了理论依据。3.为了提高夏季鸡舍纵向通风效率和笼间风冷效应,通过CFD模拟了鸡舍顶部空间设置不同高度(不同高度导流板底部与顶层笼距离分别为0.4m、0.55 m、0.7 m、0.85 m和1.0 m)和不同间距(6m、9m、12m、15m和18m)导流板对鸡舍气流速度及分布的影响。结果表明:舍内平均气流速度变化与导流板高度和间距线性相关,当鸡舍横截面平均风速为2.3 m s-1时,走道气流速度与导流板高度和间距的双重回归关系为Y=0.50h-0.02d+2.662(Pa0.01,pb0.01),Y为走道气流速度,ms-1;h为导流板高度,m;d为导流板间距,m。气流分布均匀性与导流板高度正相关,与间距负相关;气流沿鸡笼长度方向的变化趋势在不同高度导流板情况下一致,不同间距导流板情况下有显著差异。4.通过CFD模拟分析了叠层笼养鸡舍夏季进风口位置和进风口内侧导风板对笼内气流影响。结果表明:进风口内侧无导风板时,进风位置与鸡笼间距离增加会减少近进风口处鸡群活动区域的通风弱区和通风死角。在设计夏季进风口位置时,应尽可能利用山墙空间。导风板会增加近进风口处鸡群活动区域的涡流区域和通风弱区,致使气流分布均匀性降低。
【学位单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S831.4
【部分图文】：

流程图,建模,流程图,守恒定律

逦１１逦￣￣逡逑图１－１邋ＣＦＤ建模及求解流程图逦图１－２湍流数值模拟方法及湍流模型逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｆｌｏｗ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＣＦＤ邋Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ邋ｎｕｍｅｒｉｃａｌ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｍｅｔｈｏｄ邋ａｎｄ逡逑ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ邋ｍｏｄｅｌｓ逡逑计算域为针对需要研宄的对象确定的模拟区域。在构建计算区域模型时，对于几何模型比较逡逑复杂的研宄对象，由于计算机内存和计算能力限制，需要对模型进行适当的简化，减少模型构造逡逑难度，网格数量以及模拟计算所需的时间。逡逑ＣＦＤ是建立在流体力学基础上的学科，其基本控制方程和流体力学一致。由于所有流动传热逡逑过程都受物理守恒定律约束，其基本守恒定律为质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。逡逑如果流动包含不同物质混掺，则还需要遵守组分守恒定律。对于湍流流体，还需要加上额外的湍逡逑流运输方程。关于这些守恒定律的数学描述就是控制方程。逡逑图１－２为湍流数值模拟方法及湍流模型，数值模拟方法主要有３种：直接数值模拟（ｄｉｒｅｃｔ逡逑ｎｕｍｅｒｉｃａｌ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

风洞,风速,球体,测点

２．２．１．１风洞几何模型及球体布置方式逡逑风洞试验在丹麦奥胡斯大学（Ａａｒｈｕｓ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，邋Ｄｅｎｍａｒｋ）空气物理实验室的风洞中进行。风逡逑洞长６．９１ｍ，横截面为０．５ｍ邋ｘ邋0．５ｍ邋（图２－ｌａ）。由聚苯乙烯板制成，在端部入风口处安装有０．２５ｍ逡逑长，表面光滑的收缩口。这种收缩设计可以使进入风洞内的气流速度分布更为均匀［％］。在风洞中逡逑间的工作区域，安装有０．６邋ｎｉ长的透明玻璃窗，以便使用ＬＤＡ进行气流速度测量。在风洞的末逡逑端，安装风机（型号为ＣＫ３１５ＣＥＣ，Ｏｓｔｂｅｒｇ，Ｓｗｅｄｅｎ）用来从风洞中排出空气形成负压。逡逑５个直径１５０邋ｍｍ的圆球体被放置在风洞中，用来代表ＣＺ的鸡群，球体体积与１．５邋ｋｇ的母逡逑鸡相似【１２６］。图２－ｌｂ为球体布置平面图，球体底部距风洞底部７０ｍｍ，与体重１．５邋ｋｇ的母鸡腿部逡逑高度大致相同。中间球体球心位于风洞入口下风向２．１２邋ｍ处。逡逑收缩口逡逑逦＾邋ｌ８Ｍ邋丨邋ｉ邋２Ｓ４Ｓ邋｜邋＿邋１６５（３逦｜逡逑Ｉ邋［邋｜逦｜邋ｌ！邋，，ｒ“逦测压孔逦－ｊ｜■风机逡逑ｌ邋NNB丨球区域４轮廓／邋ｌ５n球状模型逡逑Ｉ＿＿－ｙ逡逑（ａ）逡逑风洞外表面逦逡逑ｉＴＹ逡逑（ｂ）逡逑图２－１．邋（ａ讽洞前视图及风速测点示意图：（ｂ）风洞内球体分布平面图及风速测点，图中所有单位为ｍｍ。逡逑Ｆｉｇ．２－１．邋（ａ）邋Ｆｒｏｎｔ邋ｅｌｅｖａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｉｎｄ邋ｔｕｎｎｅｌ邋ａｎｄ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｌｉｎｅｓ

示意图,鸡体,椭球模型,简化模型

图２－４．鸡群分布：（ａ）分布１，邋４只鸡靠近食槽，（ｂ）分布２，邋３只鸡靠近食槽，（ｃ）分布３，邋２只鸡靠近食槽。逡逑Ｆｉｇ．邋２－４．邋Ｈｅｎ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ：邋（ａ）邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋１：邋ｆｏｕｒ邋ｈｅｎｓ邋ｎｅａｒ邋ｔｒｏｕｇｈ，邋（ｂ）邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋２：邋ｔｈｒｅｅ邋ｈｅｎｓ邋ｎｅａｒ邋ｔｒｏｕｇｈ，逡逑ａｎｄ邋（ｃ）邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋３：邋ｔｗｏ邋ｈｅｎｓ邋ｎｅａｒ邋ｔｒｏｕｇｈ．逡逑２．３．２计算区域及网格逡逑图２－５分别为在计算ＣＺ三个互相垂直方向气流阻力时，虚拟风洞示意图和ＣＺ示意图，图逡逑中的ｘ、ｙ、ｚ分别与鸡舍的宽、长、高平行。示意图中的鸡群在笼内的分布为上文中的分布１，逡逑鸡只模型为鸡体几何轻微简化模型，体重为２邋ｋｇ。ＣＺ的长、宽、高分别以Ｌｃ，Ｗｃ和Ｈｅ表示。逡逑对于ＣＺ在ｘ方向的气流阻力计算，虚拟风洞的进风长度和出风长度分别为５Ｈｃ和１５Ｈｃ，截面逡逑的宽度和高度分别为Ｌｃ和Ｈｅ邋（如图２－５ａ所示）；在计算ＣＺ在ｙ方向的气流阻力时，虚拟风洞逡逑的进风长度和出风长度分别为５Ｈｃ和１５Ｈｃ，截面的宽度和高度分别为Ｗｃ和Ｈｅ邋（如图２－５ｂ所逡逑示）；对于ｚ方向的ＣＺ气流阻力计算，虚拟风洞的进风长度和出风长度分别为５Ｌｃ和１５Ｌｃ，截逡逑面的宽度和高度分别为Ｗｃ和Ｌｃ（如图２－５ｃ所示ｈＣＺ的尺寸为６０９．６ｍｍ（Ｌｃ）ｘ６４３．６ｍｍ（Ｗｃ）逡逑ｘ４５７．２ｍｍ邋（Ｈｅ），与鸡笼（Ｃｈｏｒｅ－Ｔｉｍｅ，邋２０１７）尺寸相同（如图２－５ｄ所示）。鸡只底部离鸡笼底逡逑６邋ｃｍ。网格尺寸和生成与验证模型中网格大小一致，ＣＺ区域为非结构网格，剩余区域为结

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