CN111460631A - 一种鸡舍通风的模拟方法及应用该方法的电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种鸡舍通风的模拟方法及应用该方法的电子设备，模拟方法为：获取待模拟鸡舍的几何和物理信息；确定控制方程；建立三维物理模型并划分计算网格；确定空间离散方法；确定计算参考条件和方法；定义材料特性；确定湍流模型和近壁流处理方法；定义面边界及区域条件；设定求解控制参数；初始化求解参数；设定残差限值及监控参数；求解控制方程，判断收敛性，如收敛进入下一步，反之返回第二步；显示并输出计算结果。本发明的方法，考虑因素全面，仿真程度高，硬件要求低，计算速度快，有助于详细了解鸡舍内部的速度、压力、温度、污染物浓度分布信息，提高鸡舍通风设计水平和能源利用效率。
Description
技术领域
本发明属于家禽养殖技术领域，涉及一种鸡舍通风的模拟方法及应用该方法的电子设备。
背景技术
鸡舍空气环境包括温度、相对湿度、风速度、污染物成分和浓度等参数，前面3个参数代表了热舒适性，后面的参数代表了洁净度。它与禽类的福利、疾病、生产能力、防疫、喂养及运行管理成本、工作人员及周围居民的健康乃至全球大气环境等密切相关。
近来，随着禽业发展，鸡舍的集约化程度越来越高，养殖规模越来越大，科研人员发现鸡舍的热舒适性越来越糟糕。另外，更多的研究显示：各种鸡舍存在严重的空气污染。
通风技术是控制鸡舍空气环境的主要手段。如此糟糕的鸡舍环境必然是鸡舍通风系统设计不合理。过去，鸡舍通风设计，一般默认为鸡舍内没有笼架、蛋鸡等阻碍和热源，且各窗口均匀进风，舍内空气和温度均匀分布。对于中小型鸡舍，这种设计理论也许是正确的。但是，近几十年，鸡舍尺度越来越大，养殖密度越来越高，人们对动物福利认识越来越重要，按照传统设计理论设计的鸡舍通风系统面临更大的挑战。
近年来，计算流体动力学(CFD)技术的发展为研究鸡舍通风提供方便。它能灵活方便地改变工况，给出已建和拟建鸡舍的通风特性。通过对鸡舍通风进行精准模拟能够对鸡舍的科学设计提供指导。一些科研人员尝试建立了一些鸡舍通风的数学物理模型。鸡舍通风模拟包括平养鸡舍和笼养鸡舍，其通风类型有横向通风、纵向通风、自然通风。包括文献一(李文良，施正香，王朝元.密闭式平养鸡舍纵向通风的数值模拟[J]，中国农业大学学报，2007，12(6)：80－84.)、文献二(江晓明，张衍林，张兴广，等.密闭式半阶梯笼养蛋种鸡舍过渡性通风研究[J]，华中农业大学学报，2017，36(6)：113－120.)、文献三(程琼仪，穆钰，李保明.进风位置对纵向通风叠层鸡舍气流和温度影响CFD模拟[J]，农业工程学报，2019，35(15)：192－199.)、文献四(Blanes-Vidal V.,Guijarro E.,Balasch S.,etal..Application of computational fluid dynamics to the prediction of airflowin a mechanically ventilated commercial poultry building[J],BiosystemsEngineering,2008,100(1):105–116.)、文献五(
Erdem,CemekBilal.Evaluating the influence of turbulence models used in computationalfluid dynamics for the prediction of airflows inside poultry houses[J],Biosystems Engineering,2019,183:1–12.)、文献六(Tong Xinjie,Hong Se-Woon,ZhaoLingying.CFD modeling of airflow,thermal environment,and ammoniaconcentration distribution in a commercial manure-belt layer house with mixedventilation systems[J],Computers and Electronics in Agriculture,2019,162:281–299.)、文献七(Du Longhuan,Yang Chaowu,Dominy Robert,et al.Computational FluidDynamics aided investigation and optimization of a tunnel-ventilated poultryhouse in China[J],Computers and Electronics in Agriculture,2019,159:1–15.)在内的诸多文献对鸡舍通风模拟的各种鸡舍类型通风类型进行了模拟，虽然其能够对鸡舍的通风情况进行模拟，但其仍存在以下问题：(1)只考虑单一或若干因素，或对某些因素过度简化，而不能全面反映实际运行时各因素的整体效应；(2)有的没有考虑进风窗口挡板，这不符合实际结构，有的均匀设定进口风速和风向，这不符合机械负压排风的实际情况，而考虑挡板的模型只关注挡板对舍内空气流动影响，没有充分考虑空气在进风口与挡板之间的流动发展及其对窗口进风性能的影响；(3)有的把空气密度设为常数，不能体现温度变化对流动的影响。有的把空气密度设为温度的函数，这就不得不进行非稳态计算，增加了模拟计算成本。有的虽然进行了非稳态计算却没有反应机械排风与热浮力流的相互作用机理；(4)有的把维护结构(地面、墙壁、屋顶)设为光滑壁面，有的设为无滑移边界条件，没有体现粗糙度甚至内凸的型钢对舍内空气流动的影响；(5)有的维护结构内表面设为绝热，不能体现壁面温度对舍内空气温度的影响，有的内表面温度虽然通过实测得来而在模型中应用时却只用平均值进行近似设定，这种的测量不能增加模型参数设定的精度，却会增加现场工作量和防疫风险，有的得失热量通过围护结构的导热系数、厚度和外表面温度模拟计算得出，这增加了模拟计算成本；(6)有的忽略鸡舍内部阻碍，或者内部阻碍设为实体，这明显不符合实际，有的只把动物考虑成各方向通透性和阻力特性相同的多孔介质，而没有考虑清粪带对空气垂直流动的阻碍，有的只考虑动物的阻碍，而没考虑集蛋器、清粪器，有的把笼架区域分为三层，中间动物占据区域设为多孔介质，上下空间设为流体，并且把清粪带设为壁面。鸡笼区域设为多孔介质本是近似处理，这种详细刻画笼架区的阻碍不一定提高模拟的精度，却增加了建模的复杂程度和计算成本；(7)有的没考虑室内热源，有的仅考虑动物的显热，有的考虑了动物释放的全热却没有考虑照明电机等设备的散热，有把舍内热源设成面源，这都不符合实际情况；(8)夏季湿帘运行时，有的没考虑湿帘降温效果，这不符合实际，有的进口空气温度和相对湿度通过实测得来，这增加了现场工作量和防疫风险，有的把湿帘板当成多孔介质，并设置成均匀的吸热汇和散湿源，这种均匀设置参数也是近似处理，却增加了建模复杂程度和计算成本。
因此，开发一种考虑因素全面、仿真程度高、硬件要求低、计算时间短且操作简便的鸡舍通风模拟方法极具现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有数学物理模型及模拟方法与现场实际情况存在较大偏差、数据处理量大、计算机硬件要求高、计算时间长且操作复杂的缺陷，提供一种考虑因素全面、仿真程度高、硬件要求低、计算时间短且操作简便的鸡舍通风模拟方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种鸡舍通风的模拟方法，其步骤如下：
(1)获取待模拟鸡舍的相关信息，所述相关信息包括外部气候条件、围护结构的参数、内部阻挡和热源的参数及通风系统的参数；
(2)依据物理守恒定律建立控制方程；
(3)根据步骤(1)获取的待模拟鸡舍的相关信息建立三维物理模型后，采用非结构网络把计算域划分为多个微元；
(4)确定空间离散方法，采用有限体积法对计算域进行空间离散并建立离散方程；
(5)确定计算参考条件和计算方法；
(6)定义物理模型中流体和固体的材料特性，其中流体的密度与温度的关系采用Boussinesq模型反映；
(7)确定湍流模型和近壁流处理方法；
(8)定义面边界及区域条件，其中将笼架与其容纳的动物、清粪器、清粪带和集蛋器在几何上视为一整体，将其定义为多孔介质；相比于针对笼架、动物、集蛋及清粪系统分别建模的方法，本发明的处理方法极大地简化了处理过程，同时不会影响模拟精度；
(9)设定求解控制参数；
(10)初始化求解参数，根据步骤(8)定义的边界条件计算求解变量的初始值；
(11)设定残差限值及监控参数；
(12)求解控制方程，并根据步骤(11)设定监控参数的计算值判断计算结果是否收敛，如收敛进入下一步，反之返回步骤(2)；
(13)显示并输出步骤(12)所得出的与速度、压力、温度、浓度相关的信息。
本发明的鸡舍通风的模拟方法，考虑因素全面，其仿真程度高；采用Boussinesq模型反映流体的密度与温度的关系，以其作为基础进行稳态计算，能够极大地降低对计算设备硬件的要求，极大地提高处理速度，节约计算时间；同时对笼架集蛋器清粪带清粪器进行整体处理为多孔介质，能够极大地降低建模的复杂程度，从而在保证高仿真程度的基础上，降低了现有技术对硬件的要求，提高了处理速度，有助于详细了解鸡舍内部的速度、温度、污染物浓度分布信息，提高鸡舍通风设计水平和能源利用效率。另外，本发明的模拟方法还可以适用于猪舍、牛舍、羊舍、兔舍、犬舍等各种畜牧养殖场所和农业生产场所，在畜牧和农业生产环境的设计与研究方面具有广泛的应用前景。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种鸡舍通风的模拟方法，所述步骤(1)中，外部气候条件包括室外干球温度、风速和大气压力，所述围护结构的参数包括围护结构的形状、尺度、材料和粗糙度；所述内部阻挡包括蛋鸡、笼架、垫料、清粪带、集粪器和集蛋器；所述热源包括动物释放的显热和潜热以及照明和电机释放的显热；所述通风系统的参数包括通风窗、湿帘窗口及附件(比如含挡板)的形状、尺度、数量和位置以及风机的数量、尺寸、位置、风量和风压，这些信息可通过现场实测调查或利用CAD、CATIA、Pro/E等绘图软件读取鸡舍的建设文件而获得；
本发明建立的数学物理模型全面反映了影响鸡舍空气环境的室外气象条件、通风窗口实际结构(比如含挡板)、风机实际布置与运行工况、湿帘板降温、围护结构粗糙度和内部型钢、内部阻挡(蛋鸡、笼架、清粪带、集粪器和集蛋器)、内部热源(动物释放的显热和潜热、照明和电机释放的显热)、维护结构与空气的对流热交换、机械负压排风效应、近壁约束流、中心区域湍流、温差引起的热羽流等关键因素；
所述步骤(2)中的控制方程对应的物理量包括质量、动量、能量以及对瞬态方程进行时均处理衍生出来的湍动能和湍流耗散率等标量；
即控制方程包括连续性(质量)方程、动量方程和能量方程，连续性(质量)方程、动量方程和能量方程的通用表达式如下：
式中：Φ为通用变量；ρ为密度；t为时间；u为速度矢量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项，其中，动量方程又称Navier-Stokes(N-S)方程；
所述步骤(3)中需对通风窗、风机、笼架、清粪器和集蛋器等速度变化梯度较大区域的网格进行细化，该区域边界上网格点之间的最小距离小于0.100m，该步骤可在Gridgen、Gambit等物理建模软件中完成，不同的类型边界和内部区域区别命名，以便步骤(8)中分别定义物理特性。本发明真实刻画窗口与挡板，计算域包括窗口与挡板围成的区域，窗口设为压力入口，挡板设为绝热壁面，真实反映各窗口的通风性能。
如上所述的一种鸡舍通风的模拟方法，所述步骤(4)的具体操作是把步骤(3)所建物理模型导入ANSYS Fluent软件中进行的；
步骤(4)中有限体积法对于梯度采用Green-Gauss Cell Based方法，压力采用Second Order格式，动量、湍动能、湍动耗散率和能量均采用First Order Upwind格式；本发明的保护范围并不仅限于此，步骤(4)亦可采用更高级的离散格式，但是会提高硬件要求，并增加增加计算成本，该步骤所述空间离散方法也可以采用有限差分法、有限元法；亦可以在PHOENCIS、STAR-CD等其它CFD(Computational Fluid Dynamics)计算软件中实现；
步骤(5)～(12)是在ANSYS Fluent软件中完成。
如上所述的一种鸡舍通风的模拟方法，所述步骤(5)中计算参考条件包括参考压力、参考温度和重力加速度；本发明设定的参考压力为101325Pa，参考温度273K，重力加速度9.8m/s，速度采用绝度速度；
所述计算方法为半隐式方法，即采用SIMPLE方法求解离散后的压力-速度耦合方程及其它控制方程，亦可以采用其它耦合式或分离式求解方法；
所述步骤(6)将流体被定义为不可压理想空气，空气密度ρ与温度的关系采用Boussinesq近似，即：
ρ＝ρ0(1-βΔT)；
式中，ρ0为流体在步骤(5)设定的参考计算条件下的常数密度，ΔT是计算温度与参考温度的差值，β为在步骤(5)设定的参考计算条件下的热膨胀系数；
Boussinesq模型比把密度设为温度的函数能更快速地收敛，这种模型把所有求解方程中的密度看成常数，除了动量方程中的浮力项；
(ρ-ρ0)g≈-ρ0β(T-T0)g；
式中，T是流体的计算温度，T0是流体的参考温度，方程是通过利用Boussinesq近似消除浮力项得出的；
把流体设为不可压理想气体，采用Boussinesq近似表征密度与温度的关系，既能体现考虑机械排风与温差引起的热浮力流之间的相互作用机理，进行稳态计算，又降低了对计算机硬件的要求，缩短了计算时间；
步骤(6)还设定步骤(5)所设定的参考计算条件下空气的其他物性参数，包括热容、热导率和粘度，具体在步骤(5)所设定的参考计算条件下，空气常数密度为1.293kg/m3，热容1006.43J/kg·K，热导率0.0242W/m·K，粘度1.7894e-5kg/m·s，热膨胀系数0.00366K-1；
步骤(6)还设定固体材料及物性参数，比如：导热系数。若不考虑导热，固体材料可定义为任何固体，且无需设定材料任何特性，若考虑导热，则需要在步骤(5)所设定的参考计算条件下定义实际材料的密度和导热系数。
如上所述的一种鸡舍通风的模拟方法，所述步骤(7)中湍流模型为标准κ-ε模型，其具体公式如下：
式中，κ是湍动能，u′i是i方向上的脉动速度。
式中μ是流体动力粘度，ρ是密度，xκ是x轴坐标；
式中μt是湍动粘度，Cμ是经验常数，取0.09；
由于k-ε模型主要有效范围在湍流核心区(远离壁面区域)，因此需要对近壁流进行其他处理；
所述近壁流处理方法是指选择Launder和Spalding(Launder&Spalding,1974)提出的标准壁面函数计算跨越壁面和完全湍流区域之间的粘滞影响区域，也可以采用其它更复杂的湍流模型和更高级的近壁面处理方法，但是会增加计算机硬件要求和计算时间成本。
如上所述的一种鸡舍通风的模拟方法，所述步骤(8)中定义面边界条件的具体操作如下：将风机定义为Velocity-inlet，根据步骤(1)所得信息设定排风速度、湍流强度和水力半径；通风窗定义为Pressure-inlet，该处相对参考压力为0Pa；围护结构定义为Wall，将其均设为反映步骤(1)所得实际粗糙度的非滑移表面，真实刻画维护结构的粗糙度和窗口附近的挡板和型钢；根据室外干球温度和墙体的热阻计算出围护结构的内表面温度来体现维护结构对舍内温度的影响，能够降低现场实测工作量和防疫风险；通风窗挡板定义为Wall，将其设为粗糙度为零的非滑移表面；不同的区域体之间的界面定义为流体可自由穿透的Interface；
所述步骤(8)中定义区域条件的具体操作为：将笼架与其容纳的动物、清粪器、清粪带和集蛋器在几何上视为一整体，将其定义为各向异性的多孔介质；根据笼架体积及所容纳动物的数量、单只动物平均体积即可得到其孔隙率、粘性阻力及惯性阻力；根据笼架体积、所容纳动物的数量、单只动物的显热和潜热、笼架附近的照明散热和电机散热计算得到多孔介质的热源强度；根据动物数量、单只动物的散湿量及其污染物释放量，计算得出多孔介质的湿源和污染源强度。把动物、笼架、清粪带、清粪器、集蛋器统一成设成多孔介质并将其视为一整体设定热源强度和污染源强度，其既接近实际，又大大降低建模和计算成本。
如上所述的一种鸡舍通风的模拟方法，所述步骤(9)的求解控制参数是指压力、密度、体受力、动量、湍动能、湍动耗散率、湍流粘度和能量等参数的亚松弛因子，具体为:压力、密度、体受力、动量、湍动能、湍动耗散率、湍流粘度和能量的亚松弛因子分别为0.3、1、1、0.7、0.8、0.8、1和1；该数值可调整，若计算稳定可使控制参数趋于1，若计算不稳定，可减小控制参数趋于0；
所述步骤(10)的初始值包括全压、速度、湍动能、湍动耗散率、温度和浓度等变量的初始值，步骤(10)用到的边界条件可以是某些对流场起决定作用的边界，也可以是所有边界。
如上所述的一种鸡舍通风的模拟方法，步骤(11)中，设定所述残差限值的变量包括全压、速度、湍动能、湍动耗散率、温度和浓度，各种计算参数的残差限值要远小于1，比如：1e-08，以便迭代计算步骤足够多而能到达结果收敛，其中，任一变量的残差达到限值，则计算停止，若需增加求解精度则减小残差限值，若降低求解精度则增大残差限值；
所述监控参数包括任一截面的体积流率和进出口总的体积流率；
步骤(12)中的计算结果收敛的条件为是监控截面的体积流率趋于稳定且进出口流量趋于平衡。
步骤(13)中显示并输出的信息包括速度、压力、温度和浓度等变量以及这些变量衍生出来的各种数学物理参数，该步骤可在Techplot、ORIGIN、SPASS等各种图形和数理统计软件中实现。
如上所述的一种鸡舍通风的模拟方法，所述步骤(12)的具体求解步骤如下：
(i)利用步骤(10)的初始值假设一个速度分布，计算首次迭代时动量离散方程中的系数和常数项；
(ii)利用初始值计算一个压力场，即给定一个压力猜测值；
(iii)根据当前速度场和压力场，计算动量离散方程中的系数和常数项；
(iv)求解动量离散方程；
(v)根据速度求解压力修正方程；
(vi)修正压力和速度；
(vii)求解其它变量的离散输运方程；
(viii)检查是否收敛，如果不收敛回到第(iii)步重新计算，如果收敛则结束。
本发明还提供一种应用如上所述的模拟方法的电子设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器及一个或多个程序；
所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述电子设备执行如上所述的一种鸡舍通风的模拟方法。
有益效果：
(1)本发明的鸡舍通风的模拟方法，能够全面反映影响鸡舍通风的各关键因素、机械动力与热浮力的相互作用，便于分析各关键因素对气流组织、温度分布和窗口通风性能的影响，真实地反映鸡舍空气环境的形成与发展机理；
(2)本发明的鸡舍通风的模拟方法，能够适用于平养鸡舍、笼养鸡舍及其相应的横向通风、纵向通风、自然通风和混合通风各种工况，还可以适用于猪舍、牛舍、羊舍、兔舍、犬舍等各种畜牧养殖场所和农业生产场所，能够帮助本领域技术人员提高鸡舍通风效率和能源利用效率，节能减排，极具应用前景；
(3)本发明的鸡舍通风的模拟方法，能够降低计算机硬件要求，降低建模和实测工作量以及防疫风险，方便快捷地得出工程上可信的模拟结果；
(4)应用本发明的鸡舍通风的模拟方法的电子设备，结构合理，数据处理迅速，应用前景好。
附图说明
图1为本发明的鸡舍通风的模拟方法的步序图；
图2为应用本发明进行通风模拟的鸡舍结构示意图；
图3～5为鸡舍各点实测温度与模拟温度的对比图；
图6为本发明的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。
实施例1
一种鸡舍通风的模拟方法，其步骤如图1所示，具体如下：
(1)获取待模拟鸡舍的相关信息；待模拟鸡舍位于中国江苏省中部盐城大丰区的某一养鸡场，大丰区东临黄海，地处北纬32°56’～33°36’，东经120°13’～120°56’，属于亚热带季风气候，监测和模拟的气象条件是初冬季节，室外空气干球温度为277.0K(4.0℃)；
待模拟鸡舍的具体结构和尺寸如图2所示，鸡舍长128.000m，宽11.000m，墙高6.300m，弧形屋顶高6.500m，西部端墙均匀布置有18个纵向通风用的风机，半径大约0.700m，南北侧墙各有2台风机供横向通风时使用，其中，北侧墙西部为19号风机，半径0.700m；而北侧墙东部是1号小风机，它的半径是0.500m；南侧墙近似中间位置和西部分别是2号和3号小风机，它们型号与1号小风机相同，超长鸡舍共有96个通风窗口，其中，南北侧墙各有45个，东部端墙有6个，窗口长1.200m，高0.310m，可内开60°，窗口下沿距地面5.500m，南北侧墙的东部各有一部分横向突出的耳房，耳房隔断了侧墙通风窗的连续排列，耳房横向突出1.600m，长21.100m，每个耳房装有2个可内开60°的湿帘板，单块板长18.300m，高1.500m，两块板垂直间隔0.800m，低层湿帘板的下沿距地面0.700m，另外，靠近东部端墙，南北两侧分别有过渡室和控制室，模拟计算区域不包括这两部分，鸡舍内共有4列笼架，笼架长108.500m，宽1.300m，高4.700m，底面距地面0.250m；笼架西端有清粪器，长1.600m；东端有集蛋器，长2.700m；鸡舍内共有笼位11392个，除去喂料电机占用64个笼位，实有鸡笼11328个，单个鸡笼宽0.610m，高0.457m，长(深)0.644m；每个鸡笼内养蛋鸡10只，初冬季节，运行工况为3台(1、2、3号)小风机同时工作，每台风机的排风量为20573m3/h，总通风量61719m3/h，南北侧墙和东部端墙上的通风窗全部最大程度地打开(内开60°)，湿帘板关闭；这种情况下，鸡舍在满足最小通风量要求的条件下运行，理论上属于横向通风；
鸡舍内共设11个温度监测探头，探头采用Ⅰ级精度的T型(铜-康铜)热电偶，读数最小分度0.1℃，允许偏差0.5℃，监测程序每隔15分钟记录一次数据，具体位置见图2，其中，ⅰ、ⅲ、ⅴ、ⅵ、ⅷ、ⅸ、xi在距地面高度为1.100m的水平面上，ii、ⅳ、ⅶ、ⅹ在4.000m高的水平面上；
(2)依据物理守恒定律建立控制方程；
控制方程包括连续性(质量)方程、动量方程和能量方程，它们的通用表达式如下：
式中：Φ为通用变量；ρ为密度；t为时间；u为速度矢量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项，其中，动量方程又称Navier-Stokes(N-S)方程；
(3)使用ANSYS Fluent软件根据步骤(1)获取的待模拟鸡舍的相关信息建立三维物理模型后，采用非结构网络把计算域划分为多(206106)个微元，不同类型的面定义为不同的通风窗口、排风机和笼架附近的网格进行适当细化，边界上网格点之间的最小距离为0.100m；
为了分析流场和温度场，在鸡舍的典型位置截取一些剖面，它们的具体位置如图2所示，纵剖面11个，即，X＝-4.950，-3.750，-2.500，-1.250，0.000，1.250，2.500，3.750，4.950m，它们从北至南分别是各走道和笼架中心的剖面。横剖面7个，即，Y＝2.400，6.800，35.150，63.500，80.600，108.250，123.900m；从西至东依次为：通过19号风机中心的剖面、通过3号风机中心的剖面、笼架西端与耳房之间1/4处的剖面、通过2号风机中心的剖面、笼架西端与耳房之间3/4处的剖面、通过耳房中心的剖面、通过1号风机中心的剖面。水平剖面6个，即，Z＝0.125，0.475，2.600，4.725，5.175，5.655m；从下至上依次为笼架底面与地面之间中心高度的平面、第一层鸡笼中心高度的平面、笼架中心高度的平面，笼架最高层鸡笼中心高度的平面、笼架上半个鸡笼高度的平面、通风窗口中心高度的平面；
(4)确定空间离散方法，采用有限体积法对计算域进行空间离散并建立离散方程，其具体操作是在ANSYS Fluent软件中进行的，步骤(5)～(12)也是在ANSYS Fluent软件中完成，其中梯度采用Green-Gauss Cell Based方法，压力采用Second Order格式，动量、湍动能、湍动耗散率和能量均采用First Order Upwind格式；
(5)确定计算参考条件和计算方法；设定参考压力为101325Pa，参考温度273K，重力加速度9.8m/s，速度采用绝度速度，采用半隐式方法求解离散后的压力-速度耦合方程及其它控制方程，即SIMPLE方法；
(6)定义物理模型中流体和固体的材料特性；将流体输送介质定义为不可压理想空气，空气常数密度为1.293kg/m3，其密度与温度的关系采用Boussinesq近似，热容为1006.43J/kg·K，热导率为0.0242W/m·K，粘度为1.7894e-5kg/m·s，热膨胀系数为0.00366K-1；固体材料被定义为铝，因不考虑导热不定义铝的物理特性；
(7)确定湍流模型和近壁流处理方法；选择标准κ-ε模型计算湍流核心区(远离壁面区域)；选择Launder和Spalding(Launder&Spalding,1974)提出的标准壁面函数计算跨越壁面和完全湍流区域之间的粘滞影响区域；
(8)定义面边界及区域条件；
其中定义面边界条件的具体操作如下：将风机定义为Velocity-inlet，排风风速设为7.280m/s，湍流强度为3.150％，水力直径0.900m；通风窗定义为Pressure-inlet，窗口处的相对压力为0Pa；围护结构定义为Wall，它们均设为不光滑表面，粗糙高度为0.00015m，粗糙常数为0.500，根据室外干球温度和墙体的热阻计算出围护结构的内表面温度为285.0K；通风窗挡板定义为Wall，将其设为粗糙度为零的非滑移表面；不同的区域体之间的界面定义为流体可自由穿透的Interface；
定义区域条件的具体操作为：将笼架与其容纳的动物、清粪器、清粪带和集蛋器在几何上视为一整体，将其定义为各向异性的多孔介质，根据笼架体积及所容纳蛋鸡的数量、蛋鸡平均体积即可得到笼架区多孔介质水平方向(X和Y方向)上的孔隙率为0.770，粘性阻力为173340m-2，惯性阻力为42.000m-1，而垂直方向(Z方向)上，因为有集粪带在每一层笼架下面，它是不透气的，所以孔隙率虽设为0.770，但粘性阻力和惯性阻力设为无穷大，以示Z方向不通透，集粪区多孔介质参数与笼架区近似相等，集蛋区各方通透性大致相等，即各方向的多孔介质参数均设为相同，即：孔隙率为0.770，粘性阻力为173340m-2，惯性阻力为42.000m-1，已有研究发现每只4磅禽类产生显热的散热率约为5.86W，基于这一近似值，考虑笼架的总体积2651.74m3、容纳蛋鸡的总数量113280只，可以计算得出禽类散热造成的笼架区域的平均热源强度是250W/m3。另外，鸡舍内笼架区附近还有照明散热和电机发热，把这些因素的散热也平均到笼架区，进而计算得到笼架区热源强度为309.00W/m3；
(9)设定求解控制参数，其中压力、密度、体受力、动量、湍动能、湍动耗散率、湍流粘度和能量的亚松弛因子分别为0.3、1、1、0.7、0.8、0.8、1和1；
(10)初始化求解参数，根据步骤(8)定义的边界条件计算全压、速度、湍动能、湍动耗散率和温度的初始值，根据全部区域计算的全压、x速度、y速度、z速度、湍动能、湍流耗散率和温度的初始值分别是0Pa、0m/s、0m/s、0m/s、0.003931511m2/s2、0.002879974m2/s3、284.9586K；
(11)设定残差限值及监控参数；设定连续性方程、x速度方程、y速度方程、z速度方程、能量方程、湍动能、湍动耗散率的残差限值均为1e-08；监控y＝108.25截面上的体积流率、进出口(窗口和风机)所在面上体积流率的和；
(12)求解控制方程，并根据步骤(11)设定监控参数的计算值判断计算结果是否收敛，如收敛进入下一步，反之返回步骤(2)；
完成2600步迭代计算，没有残差达到设定的限值，但是，y＝108.25截面上的体积流率稳定在0.2134303m3/s不再发生明显的变化，且进出口(窗口和风机)的体积流率之和为0.002059628m3/s，与总排风量的比值为0.00015，远小于1，所以，计算结果收敛停止计算；
(13)显示并输出步骤(12)所得出的与速度、压力、温度、浓度相关的信息。
为验证本发明的鸡舍通风的模拟方法的可靠性，选取2015年11月25日3:45～6:15之间的温度监测数据与模拟结果进行对比，实测与模拟得出的监测点温度如图3、4和5所示，由图3～5可知：模拟数据变化趋势与实测数据的一致性很好，中间通道的纵向温度变化曲线呈M字形，南北两侧的温度曲线均表现为倒V字形，实测得出11个测点的平均温度为293.39K(20.39℃)，模拟得出监测点的平均温度为293.45K(20.45℃)，两者极其接近，由此可见，本发明的鸡舍通风的模拟方法能够逼真的模拟鸡舍的真实通风情况。
实施例2
一种电子设备，其结构如图6所示，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器及一个或多个程序；
一个或多个程序被存储在存储器中，当一个或多个程序被处理器执行时，使得电子设备执行与实施例1相同的一种鸡舍通风的模拟方法。
经验证，本发明的鸡舍通风的模拟方法，能够全面反映影响鸡舍通风的各关键因素，分析各关键对气流组织、温度分布和窗口通风性能的影响，能够逼真模拟鸡舍通风状况；数据处理量小，能够降低建模和实测工作量、防疫风险，方便快捷地得出工程上可信的模拟结果；能够帮助本领域技术人员提高鸡舍通风效率和能源利用效率，节能减排，极具应用前景；应用本发明的鸡舍通风的模拟方法的电子设备，结构合理，数据处理迅速，应用前景好。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。
Claims (10)
1.一种鸡舍通风的模拟方法，其特征在于，其步骤如下：
(1)获取待模拟鸡舍的相关信息，所述相关信息包括外部气候条件、围护结构的参数、内部阻挡和热源的参数及通风系统的参数；
(2)依据物理守恒定律建立控制方程；
(3)根据步骤(1)获取的待模拟鸡舍的相关信息建立三维物理模型后，采用非结构网络把计算域划分为多个微元；
(4)确定空间离散方法，采用有限体积法对计算域进行空间离散并建立离散方程；
(5)确定计算参考条件和计算方法；
(6)定义物理模型中流体和固体的材料特性，其中流体的密度与温度的关系采用Boussinesq模型反映；
(7)确定湍流模型和近壁流处理方法；
(8)定义面边界及区域条件，其中将笼架与其容纳的动物、清粪器、清粪带和集蛋器在几何上视为一整体，将其定义为多孔介质；
(9)设定求解控制参数；
(10)初始化求解参数，根据步骤(8)定义的边界条件计算求解变量的初始值；
(11)设定残差限值及监控参数；
(12)求解控制方程，并根据步骤(11)设定监控参数的计算值判断计算结果是否收敛，如收敛进入下一步，反之返回步骤(2)；
(13)显示并输出步骤(12)所得出的与速度、压力、温度、浓度相关的信息。
2.根据权利要求1所述的一种鸡舍通风的模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中，外部气候条件包括室外干球温度、风速和大气压力，所述围护结构的参数包括围护结构的形状、尺度、材料和粗糙度；所述内部阻挡包括蛋鸡、笼架、垫料、清粪带、集粪器和集蛋器；所述热源包括动物释放的显热和潜热以及照明和电机释放的显热；所述通风系统的参数包括通风窗、湿帘窗口及附件的形状、尺度、数量和位置以及风机的数量、尺寸、位置、风量和风压；
所述步骤(2)中的控制方程对应的物理量包括质量、动量、能量以及对瞬态方程进行时均处理衍生出来的标量；
所述步骤(3)中需对通风窗、风机、笼架、清粪器和集蛋器的网格进行细化，该区域边界上网格点之间的最小距离小于0.100m。
3.根据权利要求1所述的一种鸡舍通风的模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体操作是把步骤(3)所建物理模型导入ANSYS Fluent软件中进行的；
步骤(4)中梯度采用Green-Gauss CellBased方法，压力采用Second Order格式，动量、湍动能、湍动耗散率和能量均采用First Order Upwind格式；
步骤(5)～(12)是在ANSYS Fluent软件中完成。
4.根据权利要求1所述的一种鸡舍通风的模拟方法，其特征在于，所述步骤(5)中计算参考条件包括参考压力、参考温度和重力加速度；
所述计算方法为SIMPLE方法；
所述步骤(6)将流体被定义为不可压理想空气，空气密度ρ与温度的关系采用Boussinesq近似，即：
ρ＝ρ0(1-β△T)；
式中，ρ0为流体在步骤(5)设定的参考计算条件下的常数密度，ΔT是计算温度与参考温度的差值，β为在步骤(5)设定的参考计算条件下的热膨胀系数；
步骤(6)还设定步骤(5)所设定的参考计算条件下空气的其他物性参数，包括热容、热导率和粘度；
步骤(6)还设定固体材料及物性参数。
5.根据权利要求1所述的一种鸡舍通风的模拟方法，其特征在于，所述步骤(7)中湍流模型为标准κ-ε模型，其具体公式如下：
式中，κ是湍动能，ui'是i方向上的脉动速度。
式中μ是流体动力粘度，ρ是密度，xκ是x轴坐标；
式中μt是湍动粘度，Cμ是经验常数，取0.09；
所述近壁流处理方法是指选择标准壁面函数计算跨越壁面和完全湍流区域之间的粘滞影响区域。
6.根据权利要求1所述的一种鸡舍通风的模拟方法，其特征在于，所述步骤(8)中定义面边界条件的具体操作如下：将风机定义为Velocity-inlet，根据步骤(1)所得信息设定排风速度、湍流强度和水力半径；通风窗定义为Pressure-inlet，相对步骤(5)的参考压力为零；围护结构定义为Wall，将其均设为反映步骤(1)所得实际粗糙度的非滑移表面；根据室外干球温度和墙体的热阻计算出围护结构的内表面温度；通风窗挡板定义为Wall，将其设为粗糙度为零的非滑移表面；不同的区域体之间的界面定义为流体可自由穿透的Interface；
所述步骤(8)中定义区域条件的具体操作为：将笼架与其容纳的动物、清粪器、清粪带和集蛋器在几何上视为一整体，将其定义为各向异性的多孔介质；根据笼架体积及所容纳动物的数量、单只动物平均体积即可得到其孔隙率、粘性阻力及惯性阻力；根据笼架体积、所容纳动物的数量、单只动物的显热和潜热、笼架附近的照明散热和电机散热计算得到多孔介质的热源强度；根据动物数量、单只动物的散湿量及其污染物释放量，计算得出多孔介质的湿源和污染源强度。
7.根据权利要求1所述的一种鸡舍通风的模拟方法，其特征在于，所述步骤(9)的求解控制参数是指压力、密度、体受力、动量、湍动能、湍动耗散率、湍流粘度和能量的亚松弛因子；
所述步骤(10)的初始值包括全压、速度、湍动能、湍动耗散率、温度和浓度。
8.根据权利要求7所述的一种鸡舍通风的模拟方法，其特征在于，步骤(11)中，设定所述残差限值的变量包括全压、速度、湍动能、湍动耗散率、温度和浓度；
所述监控参数包括任一截面的体积流率和进出口总的体积流率；
步骤(12)中的计算结果收敛的条件为监控截面的体积流率趋于稳定且进出口流量趋于平衡；
步骤(13)中显示并输出的信息包括速度、压力、温度和浓度。
9.根据权利要求1所述的一种鸡舍通风的模拟方法，其特征在于，所述步骤(12)的具体求解步骤如下：
(i)利用步骤(10)的初始值假设一个速度分布，计算首次迭代时动量离散方程中的系数和常数项；
(ii)利用初始值计算一个压力场，即给定一个压力猜测值；
(iii)根据当前速度场和压力场，计算动量离散方程中的系数和常数项；
(iv)求解动量离散方程；
(v)根据速度求解压力修正方程；
(vi)修正压力和速度；
(vii)求解其它变量的离散输运方程；
(viii)检查是否收敛，如果不收敛回到第(iii)步重新计算，如果收敛则结束。
10.应用如权利要求1～9任一项所述的模拟方法的电子设备，其特征在于，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器及一个或多个程序；
所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述电子设备执行如权利要求1～9任一项所述的一种鸡舍通风的模拟方法。
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| CN113179972A (zh) * | 2021-05-04 | 2021-07-30 | 上海海洋大学 | 一种禽舍纵向通风设计方法 |
| CN113864225A (zh) * | 2021-12-03 | 2021-12-31 | 四川省畜牧科学研究院 | 基于多项独立控制参数的复杂风场模型构建方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111460631B (zh) | 2023-02-24 |
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