林果園雞舍橫向通風系統優化設計及仿真驗證

張學軍，張寶安，史增錄

（1.新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊市 830052；2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052）

1 引言

果園專用雞舍是新疆南疆地區經濟林中推廣使用的一種結構簡單，體積較小的半封閉式雞舍。冬春季節南疆地區氣候寒冷，冬季日均氣溫低于-10℃［1］，養殖戶在養雞過程中往往為防寒保暖將雞舍門窗長時間密閉飼養，忽視通風排氣［2］，這種情況會導致禽舍內累積大量有害氣體?？諝赓|量是肉雞、蛋雞養殖過程中重要的環境因素［3］，舍內氣體大都由雞新陳代謝產生，成分較多而且性質復雜，嚴重時會使雞誘發群體性疾病，雞生長過程中對其危害最大氣體是NH3、H2S［4］。禽舍中NH3過高會誘發雞肺充血、水腫，產蛋下降，易感疾病，NH3濃度應控制在20ppm之內［5］；長時間接觸H2S 可引起雞只發生氣管炎、腹水癥等疾病。雞舍內H2S濃度一般控制在10ppm 之內［6］。有害氣體超標時應立即采取積極有效的措施，以減低或杜絕對雞的危害。研究發現雞養殖過程中通風不暢是百病之源［7］，冬季雞舍處理好通風和保溫之間的矛盾，需合理地設計通風口，進而降低禽舍內有害氣體濃度［8］。

計算流體力學（CFD，Computational Fluid Dynamics）是針對預測流體流動一種計算工具［9］?？朔趯嶋H試驗過程中人力物力耗費及試驗環境變化等物理因素，后處理結果可視化，直觀地反映禽舍內氣體分布情況［10］。CFD 仿真分析在畜禽養殖領域應用廣泛。文獻［11］對側墻進風的研究表明合理的進風窗利于減少禽舍通風死角。文獻［12］通過CFD 模擬密閉式籠養雞舍氣體分布，發現側窗導流板與壁面傾角會影響禽舍氣流速度和溫度均勻性。上述研究為從事數值仿真提供了理論支撐。楊家飛討論表明，為使冬季雞舍內通風效率和保溫效果達到平衡的最佳通風方式為橫向通風，即最小通風［13］。由此研究雞舍內有害氣體流場分布狀況，優化最小換氣通風口，對冬季家禽養殖具有重要的意義。

2 材料與方法

2.1 林果園雞舍結構

研究對象為新疆阿克蘇溫宿縣林果園推廣使用的示范性專用雞舍。我國西北地區禽舍夏季通常采用縱向通風模式（最大通風模式），冬季采用橫向通風模式，可使風速緩和，實現最小通風換氣［2］。這里對雞舍橫向通風的進行了優化。

雞舍及周邊概況：雞舍安置于上述地區農戶果園中使用，試驗果園占地約2畝，經濟作物為蘋果樹。雞舍尺寸：長×寬×高（m）=（3.5×1.8×2.8）m，整體框架式拼裝，方便裝卸，雞舍外圍護結構為帶保暖夾層的彩鋼板，內部單層網篩結構，雞舍入口為上下斜面，設計有縱向通風窗。底篩下方為可轉動帆布，排泄物通過雞舍下篩網掉至帆布，外置把手搖動時帶動帆布旋轉，排泄物集中到一側排下，集中收集供果園樹木施肥［14］。林果園專用雞舍秋季使用現場，如圖1所示。

圖1 林果園專用雞舍Fig.1 Forest Orchard Dedicated Chicken Coop

2.2 創建幾何模型

2.2.1 數值建模

研究過程中封閉夏季縱向通風窗，以冬季雞舍封閉狀態為模擬對象。氣體流場模擬需要的物理模型和邊界條件均為現場測量實際情況為準。對雞舍進行建模時，模擬氣體在密閉空間的分布，將實際縱向窗口在建模時予以封閉，雞舍內實際的結構相對復雜，不能精準模擬，在不影響流體模擬效果的前提下，對雞舍的部分結構進行簡化，單層網篩雞舍內部結構簡單，直接簡化為二維平面來觀察禽舍豎直方向氣體擴散等分布狀態。用2D平面簡化3D空間，利于建模和后期網格劃分等計算流程。模型簡化過程中雞舍外圍護結構建模時設置為恒溫表面。

雞舍內溫濕度和有害氣體的影響因素諸多，成分復雜難以具體測量得到這些因素，以雞舍內常見有害氣體NH3、H2S 分布進行仿真模擬，以ANSYS work 平臺上的CFD 計算流體力學為理論基礎，借助Geometry 建立二維物理模型，在笛卡爾坐標系中構建雞舍正視二維1：1 模型，長3500mm，高1800mm。舍內雞的對禽舍氣流擴散有一定影響，該模擬以目前該地區飼養的黑土雞為試驗對象，雞頭、尾、腿等對舍內氣場分布影響較小。假設雞所處區域整體以長方體塊的形式存在，成年黑土雞體高300mm左右，假設初始狀態有害氣體釋放區域都在下層，建模時內部線切割面（Split Facets at Interior Curves）將整個區域分成兩部分，標定初始混合氣體區域為（0～300）mm范圍，建模時標記為Fluid-part-d，上層（300～1800）mm 區域為空氣區域，記為Fluidpart-up，如圖2所示。

圖2 雞舍二維模型及初始區域Fig.2 2D Model of Chicken Coop and Initial Area

2.2.2 網格劃分

采用2D planar 模型，網格尺寸全局化處理，使用ANSYS Mesh進行網格劃分的過程中，對各邊界命名，邊界層網格設置。舍內有害氣體來源雞只的日常新陳代謝，氣體整體由下往上進入，區域分界線命名為inter。雞舍內空間是模擬仿真的關鍵部分，網格類型選擇全四邊形all quad，其在平面區域特別是拐彎處劃分質量過渡較優。長寬方向等比例劃分網格，網格尺寸自適應，單位mm。采用標準壁面函數（Standard Wall Functions）對近壁面區域網格劃分進行優化，減少整體網格數量，加快求解速度［12］。生成網格后，對網格質量及數量進行檢測與統計，統計節點為48158個；網格面為23562個，仿真總面積為6.3m2，劃分的網格拐角區域和邊界區域網格完整，無變形殘缺網格，由此網格來捕捉雞舍內豎直方向氣體分布情況。

2.3 設置物理問題

雞舍進風口位置的開設尚未有具體與之相關的標準或現有研究大都是探索階段［3］，考慮氣體濃度和擴散速率及后期氣體瞬態殘差收斂等綜合因素，仿真初始擴散速度設置為0.1m/s，其次由于氣體壓力差比較小，氣體所產生的體積變化不大，結合雞舍氣體性質和存在環境，近似認為不可壓縮粘性流體。在ANSYS Fluent CFD 平臺選擇基于壓力的求解器（Pressure-Based），通過動量守恒方程（N-S方程）求解速度場，繼而通過重新推導質量守恒方程（連續方程）得到壓力速度耦合方法。不可壓縮粘性流體的N-S簡化方程和連續方程為：

式中：ρ—微小單元體密度；u、v、w—氣體流速分量；t—時間；x、y、z—笛卡爾坐標系方向；V—控制體；A—控制面，式（2）中前部分為控制體增加的質量，后部分為控制面的凈通量。

由于密閉雞舍氣流無獨立進出口，故模擬氣體擴散屬于瞬態問題，設置過程中激活transient，添加重力加速度-9.81m/s2。舍內氣體總體積不變視為理想流體。氣體混合無規則流動，無彎曲流場和快速對流，采用湍流模型（Viscous-Laminar）。雞舍為立方體空間，由此不會產生計算域失真情況，選擇對于雞舍邊界層流動回流等仿真性能效果突出的基于RNAS的湍流k-ε模型。在計算湍流區域氣體流動狀態時，理想雞舍空間視為不可壓縮氣體故不需能量方程支持。

根據文獻［4］研究發現家禽日常新陳代謝產生有害氣體NH3、H2S濃度比接近6：4。初始狀態標定混合氣體釋放區域在Fluidpart-d區域，該區域中NH3占比0.6，H2S占比0.4，對于fluid-partd部分添加的變量濃度比值value，邊界條件選擇整個計算域為流體域，不設置出口。冬季雞舍內保暖溫度高于室外，仿真溫度選擇18℃，轉化為絕對溫度為291.5。選擇species transport多組分流體氣相模型，mixture material 3種，NH3、H2S密度不同，在相同體積和速度下攜帶質量、動量和動能均不同，初始狀態氣體物理參數，如表1所示。

表1 初始化氣體分布狀態及物理參數Tab.1 Initialized Gas Distribution Status Physical and Parameters

可得初始狀態多組氣體分布云圖，如圖3所示。Fluid Part–up區域添加材料是air，Fluid-part-d區域添加NH3和H2S。

圖3 初始化氣體整體分布Fig.3 The Overall Distribution of the Initialized Gas

定義求解器過程中包括數值格式、收斂域的設置等操作，在迭代計算過程中，有害氣體動量求解選擇求解精度相對較高的二階迎風格式（Second Order Upwind）。選擇適用雞舍氣體流場的邊界附近壓力梯度變化較小，且流場中壓力突變較小或者沒有的標準壓力差值格式（Standard Pressure）進行迭代計算。經過對殘差收斂性調整，迭代時間調整為0.01s，迭代步數為500，最大迭代步長為20，得到殘差結果小于10-3，整體基本達到穩定收斂的狀態。

3 結果與改進優化

3.1 氣體擴散濃度分布

流體區域流體初始化，為體現仿真過程中氣體擴散效果，在Fluid-part-d不添加air，全為NH3、H2S混合氣體。求解方法采用計算穩定性較強的SIMPLE，為提高求解精度，離散格式選擇基于最小二乘單元的求解方法。之后進行計算，結果生成的分布云圖結果，如圖5所示?？梢杂^察到NH3和H2S在空間內均有向上擴散的趨勢，在part-up區域上部中間區域濃度較高，part-d區域是其初始分布狀態，雖含量高，但隨著擴散的進行有向上分布的趨勢。與此相反，air 從part-up 區向part-d 區擴散。air 含量分布（0.84～0.92）mg/m3，在密閉空間內分布變化不明顯。

從混合氣體分布圖，如圖4所示?？傻贸隹臻g的上方濃度較高，其原因可能是混合氣體密度小于空氣密度，造成上部分濃度較高，最高值達1.15g/m3。

圖4 混合氣體濃度分布云圖Fig.4 Concentration Distribution Cloud Map of Mixed Gas

從擴散速度，如圖5所示。得出雞舍上部和兩側擴散速度較強，縱向近壁面區域達0.076m/s，考慮通風情況，兩側滿足縱向通風設計條件，上方可開設橫向通風窗。

圖5 氣體擴散速度分布云圖Fig.5 Gas Diffusion Velocity Distribution Cloud Map

3.2 氣體試驗測量

研究過程中為驗證CFD 通風仿真與真實測量試驗的差異性，試驗設計保持舍內30只母雞的飼養狀態，于室溫達到18℃時對禽舍縱橫上中下方向各3點共27位置的NH3和H2S濃度進行了測量，具體測量位置，如表2所示。氣體濃度分布狀態，如圖6所示。

表2 氣體濃度監測點具體分布位置Tab.2 Specific Distribution Locations of Gas Concentration Monitoring Points

圖6 18℃NH3與H2S氣體濃度分布Fig.6 NH3 and H2S Gas Concentration Distribution at 18℃

18℃時，自上而下層氣體NH3濃度均值分別是9.9ppm、8.7ppm、7.1ppm；從圖6 分析NH3整體濃度分布在不同高度上差異明顯，在1.7m 層濃度最高，最高為12.3ppm。不同高度層H2S濃度變化差異較小，NH3和H2S整體分布是：同一層縱向中間區域NH3、H2S濃度比相鄰兩側濃度要低，縱向兩側墻區域NH3、H2S濃度最高，同一層近壁區域濃度要比中間區域高，可能是由于舍內近壁區氣體湍流導致。其次試驗測量舍內NH3濃度高于H2S濃度。較仿真進一步分析氣體的分布狀況，CFD仿真分析試驗和現場測量基本吻合。

3.3 CFD仿真結果驗證

為驗證上這里氣體分布云圖中混合氣體濃度集中于雞舍頂層區域以及氣體擴散云圖，其初步結論：橫向雞舍頂部靠側墻位置利于設置通風口的驗證，如圖5所示。針對封閉式空間，在雞舍1/4側墻頂層設置（300×300）mm 普通禽舍排風扇原尺寸的通風出口。以CFD驗真仿真，過程中以雞舍底部邊界為入口inter，設置初速度0.01m/s，增加的通風出口邊界為出口outlet，進出口氣體濃度分布云圖，如圖7所示。雞舍內混合氣體濃度呈現均勻化低濃度分布，濃度均值為1.18mg/m3，而且總體分布狀態無氣體分布死角區域，達到通風后舍內氣體濃度均勻化減低的目的，經過優化后設計的通風口作為出口時舍內氣體擴散死角消失。

圖7 帶出口的混合氣體濃度分布Fig.7 Concentration Distribution of Mixed Gas with Outlet

3.4 通風控制系統

資料顯示，在雞舍外溫度較低時，采用合適的措施橫向通風可以使溫差控制在2℃之內，有害氣體濃度也會保持較低的水平［11］，針對禽舍通風系統的控制，研究就過程中采取傳感器檢測氣體濃度，控制排風扇啟停間歇通風的方式。由此可建議在雞舍內氣流濃度分布較大的上方靠近側墻體區域開設橫向貫穿的通風口。由于研究對象是小型雞舍，在雞舍上方區域開設一組進出口。

設計果園禽舍冬季橫向通風系統，由機電控制柜、氣體傳感器、排風扇、太陽能電池板等組成，自動供電通風，構成單回路控制系統，如圖8所示。

圖8 雞舍通風單回路控制系統Fig.8 Single Loop Control System for Chicken House Ventilation

該系統基本工作原理是采用基于Siemens PLC 的控制器編程設置閾值控制橫向排風扇運行，雞舍兩側均安裝排風扇，加快雞舍內換氣，冬季長時間通風容易使雞感染流感等疾病，排風扇換氣由新進風入口和排氣口組成，交換舍內外氣體，確保室內空氣流通。排風扇不工作時，風扇導流板封閉氣流口。在舍內排風扇區域安裝NH3、H2S檢測傳感器，檢測濃度閾值設置，超過氣體閾值，排風扇啟動，抽排風，待氣體濃度低于閾值停止工作，實現間歇換風。太陽能電池板（型號：XZTX-40，工作電壓17.68V-25V）為系統運行提供電能。系統運行電壓為24V，控制系統實物，如圖9所示。滿足通風換氣要求。使用的兩種氣體檢測傳感器，相關參數，如表3所示。雞舍允許最大NH3濃度約20ppm［5］，H2S濃度10ppm［6］。

表3 氣體檢測傳感器相關參數Tab.3 Relevant Parameters of Gas Detection Sensors

圖9 雞舍通風系統Fig.9 Ventilation System in Chicken Coop

4 結論

（1）通過對密閉雞舍氣體擴散的CFD仿真模擬，得出雞舍內近兩側近壁面區域及上層靠近縱向側墻區域氣體濃度較高達到1.15mg/m3，擴散速度較快，最高可達到0.076m/s。

（2）通過試驗得NH3整體濃度分布在不同高度差異明顯，1.7m 層濃度最高為12.3ppm。不同高度層H2S 濃度變化差異較小，同一層縱向中間區域混合氣體濃度比相鄰兩側濃度低，縱向兩側墻區域混合氣體濃度相對較高。

（3）通過對橫向通風口設置的驗證性仿真，可使舍內氣體密集死角區域消失，舍內整體氣體低濃度均勻分布。

（4）設計雞舍通風的單回路控制系統，通風窗安置于禽舍上層靠側墻區域工作，可有效降低雞舍內有害氣體，保持雞舍適宜的環境。研究為雞舍橫向通風設計提供了理論指導。