林果园鸡舍横向通风系统优化设计及仿真验证

张学军，张宝安，史增录

（1.新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐市 830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

1 引言

果园专用鸡舍是新疆南疆地区经济林中推广使用的一种结构简单，体积较小的半封闭式鸡舍。冬春季节南疆地区气候寒冷，冬季日均气温低于-10℃［1］，养殖户在养鸡过程中往往为防寒保暖将鸡舍门窗长时间密闭饲养，忽视通风排气［2］，这种情况会导致禽舍内累积大量有害气体。空气质量是肉鸡、蛋鸡养殖过程中重要的环境因素［3］，舍内气体大都由鸡新陈代谢产生，成分较多而且性质复杂，严重时会使鸡诱发群体性疾病，鸡生长过程中对其危害最大气体是NH3、H2S［4］。禽舍中NH3过高会诱发鸡肺充血、水肿，产蛋下降，易感疾病，NH3浓度应控制在20ppm之内［5］；长时间接触H2S 可引起鸡只发生气管炎、腹水症等疾病。鸡舍内H2S浓度一般控制在10ppm 之内［6］。有害气体超标时应立即采取积极有效的措施，以减低或杜绝对鸡的危害。研究发现鸡养殖过程中通风不畅是百病之源［7］，冬季鸡舍处理好通风和保温之间的矛盾，需合理地设计通风口，进而降低禽舍内有害气体浓度［8］。

计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）是针对预测流体流动一种计算工具［9］。克服在实际试验过程中人力物力耗费及试验环境变化等物理因素，后处理结果可视化，直观地反映禽舍内气体分布情况［10］。CFD 仿真分析在畜禽养殖领域应用广泛。文献［11］对侧墙进风的研究表明合理的进风窗利于减少禽舍通风死角。文献［12］通过CFD 模拟密闭式笼养鸡舍气体分布，发现侧窗导流板与壁面倾角会影响禽舍气流速度和温度均匀性。上述研究为从事数值仿真提供了理论支撑。杨家飞讨论表明，为使冬季鸡舍内通风效率和保温效果达到平衡的最佳通风方式为横向通风，即最小通风［13］。由此研究鸡舍内有害气体流场分布状况，优化最小换气通风口，对冬季家禽养殖具有重要的意义。

2 材料与方法

2.1 林果园鸡舍结构

研究对象为新疆阿克苏温宿县林果园推广使用的示范性专用鸡舍。我国西北地区禽舍夏季通常采用纵向通风模式（最大通风模式），冬季采用横向通风模式，可使风速缓和，实现最小通风换气［2］。这里对鸡舍横向通风的进行了优化。

鸡舍及周边概况：鸡舍安置于上述地区农户果园中使用，试验果园占地约2亩，经济作物为苹果树。鸡舍尺寸：长×宽×高（m）=（3.5×1.8×2.8）m，整体框架式拼装，方便装卸，鸡舍外围护结构为带保暖夹层的彩钢板，内部单层网筛结构，鸡舍入口为上下斜面，设计有纵向通风窗。底筛下方为可转动帆布，排泄物通过鸡舍下筛网掉至帆布，外置把手摇动时带动帆布旋转，排泄物集中到一侧排下，集中收集供果园树木施肥［14］。林果园专用鸡舍秋季使用现场，如图1所示。

图1 林果园专用鸡舍Fig.1 Forest Orchard Dedicated Chicken Coop

2.2 创建几何模型

2.2.1 数值建模

研究过程中封闭夏季纵向通风窗，以冬季鸡舍封闭状态为模拟对象。气体流场模拟需要的物理模型和边界条件均为现场测量实际情况为准。对鸡舍进行建模时，模拟气体在密闭空间的分布，将实际纵向窗口在建模时予以封闭，鸡舍内实际的结构相对复杂，不能精准模拟，在不影响流体模拟效果的前提下，对鸡舍的部分结构进行简化，单层网筛鸡舍内部结构简单，直接简化为二维平面来观察禽舍竖直方向气体扩散等分布状态。用2D平面简化3D空间，利于建模和后期网格划分等计算流程。模型简化过程中鸡舍外围护结构建模时设置为恒温表面。

鸡舍内温湿度和有害气体的影响因素诸多，成分复杂难以具体测量得到这些因素，以鸡舍内常见有害气体NH3、H2S 分布进行仿真模拟，以ANSYS work 平台上的CFD 计算流体力学为理论基础，借助Geometry 建立二维物理模型，在笛卡尔坐标系中构建鸡舍正视二维1：1 模型，长3500mm，高1800mm。舍内鸡的对禽舍气流扩散有一定影响，该模拟以目前该地区饲养的黑土鸡为试验对象，鸡头、尾、腿等对舍内气场分布影响较小。假设鸡所处区域整体以长方体块的形式存在，成年黑土鸡体高300mm左右，假设初始状态有害气体释放区域都在下层，建模时内部线切割面（Split Facets at Interior Curves）将整个区域分成两部分，标定初始混合气体区域为（0～300）mm范围，建模时标记为Fluid-part-d，上层（300～1800）mm 区域为空气区域，记为Fluidpart-up，如图2所示。

图2 鸡舍二维模型及初始区域Fig.2 2D Model of Chicken Coop and Initial Area

2.2.2 网格划分

采用2D planar 模型，网格尺寸全局化处理，使用ANSYS Mesh进行网格划分的过程中，对各边界命名，边界层网格设置。舍内有害气体来源鸡只的日常新陈代谢，气体整体由下往上进入，区域分界线命名为inter。鸡舍内空间是模拟仿真的关键部分，网格类型选择全四边形all quad，其在平面区域特别是拐弯处划分质量过渡较优。长宽方向等比例划分网格，网格尺寸自适应，单位mm。采用标准壁面函数（Standard Wall Functions）对近壁面区域网格划分进行优化，减少整体网格数量，加快求解速度［12］。生成网格后，对网格质量及数量进行检测与统计，统计节点为48158个；网格面为23562个，仿真总面积为6.3m2，划分的网格拐角区域和边界区域网格完整，无变形残缺网格，由此网格来捕捉鸡舍内竖直方向气体分布情况。

2.3 设置物理问题

鸡舍进风口位置的开设尚未有具体与之相关的标准或现有研究大都是探索阶段［3］，考虑气体浓度和扩散速率及后期气体瞬态残差收敛等综合因素，仿真初始扩散速度设置为0.1m/s，其次由于气体压力差比较小，气体所产生的体积变化不大，结合鸡舍气体性质和存在环境，近似认为不可压缩粘性流体。在ANSYS Fluent CFD 平台选择基于压力的求解器（Pressure-Based），通过动量守恒方程（N-S方程）求解速度场，继而通过重新推导质量守恒方程（连续方程）得到压力速度耦合方法。不可压缩粘性流体的N-S简化方程和连续方程为：

式中：ρ—微小单元体密度；u、v、w—气体流速分量；t—时间；x、y、z—笛卡尔坐标系方向；V—控制体；A—控制面，式（2）中前部分为控制体增加的质量，后部分为控制面的净通量。

由于密闭鸡舍气流无独立进出口，故模拟气体扩散属于瞬态问题，设置过程中激活transient，添加重力加速度-9.81m/s2。舍内气体总体积不变视为理想流体。气体混合无规则流动，无弯曲流场和快速对流，采用湍流模型（Viscous-Laminar）。鸡舍为立方体空间，由此不会产生计算域失真情况，选择对于鸡舍边界层流动回流等仿真性能效果突出的基于RNAS的湍流k-ε模型。在计算湍流区域气体流动状态时，理想鸡舍空间视为不可压缩气体故不需能量方程支持。

根据文献［4］研究发现家禽日常新陈代谢产生有害气体NH3、H2S浓度比接近6：4。初始状态标定混合气体释放区域在Fluidpart-d区域，该区域中NH3占比0.6，H2S占比0.4，对于fluid-partd部分添加的变量浓度比值value，边界条件选择整个计算域为流体域，不设置出口。冬季鸡舍内保暖温度高于室外，仿真温度选择18℃，转化为绝对温度为291.5。选择species transport多组分流体气相模型，mixture material 3种，NH3、H2S密度不同，在相同体积和速度下携带质量、动量和动能均不同，初始状态气体物理参数，如表1所示。

表1 初始化气体分布状态及物理参数Tab.1 Initialized Gas Distribution Status Physical and Parameters

可得初始状态多组气体分布云图，如图3所示。Fluid Part–up区域添加材料是air，Fluid-part-d区域添加NH3和H2S。

图3 初始化气体整体分布Fig.3 The Overall Distribution of the Initialized Gas

定义求解器过程中包括数值格式、收敛域的设置等操作，在迭代计算过程中，有害气体动量求解选择求解精度相对较高的二阶迎风格式（Second Order Upwind）。选择适用鸡舍气体流场的边界附近压力梯度变化较小，且流场中压力突变较小或者没有的标准压力差值格式（Standard Pressure）进行迭代计算。经过对残差收敛性调整，迭代时间调整为0.01s，迭代步数为500，最大迭代步长为20，得到残差结果小于10-3，整体基本达到稳定收敛的状态。

3 结果与改进优化

3.1 气体扩散浓度分布

流体区域流体初始化，为体现仿真过程中气体扩散效果，在Fluid-part-d不添加air，全为NH3、H2S混合气体。求解方法采用计算稳定性较强的SIMPLE，为提高求解精度，离散格式选择基于最小二乘单元的求解方法。之后进行计算，结果生成的分布云图结果，如图5所示。可以观察到NH3和H2S在空间内均有向上扩散的趋势，在part-up区域上部中间区域浓度较高，part-d区域是其初始分布状态，虽含量高，但随着扩散的进行有向上分布的趋势。与此相反，air 从part-up 区向part-d 区扩散。air 含量分布（0.84～0.92）mg/m3，在密闭空间内分布变化不明显。

从混合气体分布图，如图4所示。可得出空间的上方浓度较高，其原因可能是混合气体密度小于空气密度，造成上部分浓度较高，最高值达1.15g/m3。

图4 混合气体浓度分布云图Fig.4 Concentration Distribution Cloud Map of Mixed Gas

从扩散速度，如图5所示。得出鸡舍上部和两侧扩散速度较强，纵向近壁面区域达0.076m/s，考虑通风情况，两侧满足纵向通风设计条件，上方可开设横向通风窗。

图5 气体扩散速度分布云图Fig.5 Gas Diffusion Velocity Distribution Cloud Map

3.2 气体试验测量

研究过程中为验证CFD 通风仿真与真实测量试验的差异性，试验设计保持舍内30只母鸡的饲养状态，于室温达到18℃时对禽舍纵横上中下方向各3点共27位置的NH3和H2S浓度进行了测量，具体测量位置，如表2所示。气体浓度分布状态，如图6所示。

表2 气体浓度监测点具体分布位置Tab.2 Specific Distribution Locations of Gas Concentration Monitoring Points

图6 18℃NH3与H2S气体浓度分布Fig.6 NH3 and H2S Gas Concentration Distribution at 18℃

18℃时，自上而下层气体NH3浓度均值分别是9.9ppm、8.7ppm、7.1ppm；从图6 分析NH3整体浓度分布在不同高度上差异明显，在1.7m 层浓度最高，最高为12.3ppm。不同高度层H2S浓度变化差异较小，NH3和H2S整体分布是：同一层纵向中间区域NH3、H2S浓度比相邻两侧浓度要低，纵向两侧墙区域NH3、H2S浓度最高，同一层近壁区域浓度要比中间区域高，可能是由于舍内近壁区气体湍流导致。其次试验测量舍内NH3浓度高于H2S浓度。较仿真进一步分析气体的分布状况，CFD仿真分析试验和现场测量基本吻合。

3.3 CFD仿真结果验证

为验证上这里气体分布云图中混合气体浓度集中于鸡舍顶层区域以及气体扩散云图，其初步结论：横向鸡舍顶部靠侧墙位置利于设置通风口的验证，如图5所示。针对封闭式空间，在鸡舍1/4侧墙顶层设置（300×300）mm 普通禽舍排风扇原尺寸的通风出口。以CFD验真仿真，过程中以鸡舍底部边界为入口inter，设置初速度0.01m/s，增加的通风出口边界为出口outlet，进出口气体浓度分布云图，如图7所示。鸡舍内混合气体浓度呈现均匀化低浓度分布，浓度均值为1.18mg/m3，而且总体分布状态无气体分布死角区域，达到通风后舍内气体浓度均匀化减低的目的，经过优化后设计的通风口作为出口时舍内气体扩散死角消失。

图7 带出口的混合气体浓度分布Fig.7 Concentration Distribution of Mixed Gas with Outlet

3.4 通风控制系统

资料显示，在鸡舍外温度较低时，采用合适的措施横向通风可以使温差控制在2℃之内，有害气体浓度也会保持较低的水平［11］，针对禽舍通风系统的控制，研究就过程中采取传感器检测气体浓度，控制排风扇启停间歇通风的方式。由此可建议在鸡舍内气流浓度分布较大的上方靠近侧墙体区域开设横向贯穿的通风口。由于研究对象是小型鸡舍，在鸡舍上方区域开设一组进出口。

设计果园禽舍冬季横向通风系统，由机电控制柜、气体传感器、排风扇、太阳能电池板等组成，自动供电通风，构成单回路控制系统，如图8所示。

图8 鸡舍通风单回路控制系统Fig.8 Single Loop Control System for Chicken House Ventilation

该系统基本工作原理是采用基于Siemens PLC 的控制器编程设置阈值控制横向排风扇运行，鸡舍两侧均安装排风扇，加快鸡舍内换气，冬季长时间通风容易使鸡感染流感等疾病，排风扇换气由新进风入口和排气口组成，交换舍内外气体，确保室内空气流通。排风扇不工作时，风扇导流板封闭气流口。在舍内排风扇区域安装NH3、H2S检测传感器，检测浓度阈值设置，超过气体阈值，排风扇启动，抽排风，待气体浓度低于阈值停止工作，实现间歇换风。太阳能电池板（型号：XZTX-40，工作电压17.68V-25V）为系统运行提供电能。系统运行电压为24V，控制系统实物，如图9所示。满足通风换气要求。使用的两种气体检测传感器，相关参数，如表3所示。鸡舍允许最大NH3浓度约20ppm［5］，H2S浓度10ppm［6］。

表3 气体检测传感器相关参数Tab.3 Relevant Parameters of Gas Detection Sensors

图9 鸡舍通风系统Fig.9 Ventilation System in Chicken Coop

4 结论

（1）通过对密闭鸡舍气体扩散的CFD仿真模拟，得出鸡舍内近两侧近壁面区域及上层靠近纵向侧墙区域气体浓度较高达到1.15mg/m3，扩散速度较快，最高可达到0.076m/s。

（2）通过试验得NH3整体浓度分布在不同高度差异明显，1.7m 层浓度最高为12.3ppm。不同高度层H2S 浓度变化差异较小，同一层纵向中间区域混合气体浓度比相邻两侧浓度低，纵向两侧墙区域混合气体浓度相对较高。

（3）通过对横向通风口设置的验证性仿真，可使舍内气体密集死角区域消失，舍内整体气体低浓度均匀分布。

（4）设计鸡舍通风的单回路控制系统，通风窗安置于禽舍上层靠侧墙区域工作，可有效降低鸡舍内有害气体，保持鸡舍适宜的环境。研究为鸡舍横向通风设计提供了理论指导。