基于CFD的牛舍热环境模拟、优化及制冷系统的研究

摘要

中国奶牛养殖业的发展很是依赖外界的环境因素，即奶牛生长和繁殖的好坏很大程度上取决于外界环境。为了给奶牛创造更加舒适的生长繁殖环境，让奶牛发挥出其优良性状，让其对饲料的利用率提升高，使奶牛养殖的生产效率升高，使生产成本降低，本研究对密闭式牛舍环境质量进行模拟评估。目前，世界上产奶量和质量最优的是荷斯坦奶牛，荷斯坦奶牛的特征由于自身的被毛而拥有良好的保温效果，拥有不发达的汗腺组织亦使蒸发释放的热量少，以及其乳液生成等生理过程会使奶牛本身的代谢热生成较多，所以此品种奶牛的特点是耐寒怕热，夏季的高温高湿气候对其影响较显著，尤其是在中国东南方地区的夏季气候。 牛舍内的环境质量（包括风速、相对温湿度、空气龄等）是影响舍内动物健康的重要因素，包括有害气体、二氧化碳浓度过高、粉尘等也在影响着。从农业发展规模化养殖以来，牛舍内环境状况在一定程度上决定着它们的生长生产是否健康、乳产品的质量是否合格。而计算流体力学对牛舍环境进行数值模拟和评估能够分析出其中的环境质量，甚至可以模拟改变牛舍的设备结构并分析模拟结果，从而改良牛舍内不适宜的建筑结构，降低恶劣影响，也可以模拟舍内环境的状态，为以后内环境的改良提供可靠数据依据和指导。 本文在夏季选取了福建省南平市的某个密闭奶牛舍作为本次实验对象，对牛舍用计算流体力学（Computatiional Fluid Dynamic，CFD）方法对密闭式牛舍的环境质量进行模拟评估，该研究可以为牛舍的热环境模拟提供一种有效方法，通过用CFD模拟中的Fluent软件对牛舍内的各种环境（包括气流分布，温湿度分布，空气龄分布等）进行数值模拟，本次实验模拟结果表明，由于该牛舍的水帘安装在南侧墙体的上方，舍内的气流及温湿度场受上下压强差的影响，上下分布不均匀，气流速度高的地方温度指数相对较低，在气流出口牛体所在的区域温度较高；相对湿度与温度的趋势相反，靠近水帘处空气由于水帘的原因湿度较高，在出口湿度有所降低，但是温度较高。该评估表明，水帘降温系统这种方法夏天使用效果欠佳，不能满足要求。因此针对此通风方式的不足，本研究提出了改进模式：将等面积的水帘安装在原水帘的下方，使降温后的空气直接吹入牛体。通过改进模型的模拟和原模型的模拟的比较，得出改进方案下气流速度明显变得均匀，牛舍内牛体所在区域温度明显下降。

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