基于CFD的猪舍内气流场和温度场模拟研究

摘要

畜禽舍内空气流动状态对舍内空气温度、湿度、有毒有害气体浓度的分布有重大影响，从而影响畜禽的健康和生产力。本研究旨在通过运用商用CFD软件ANSYS CFX 11.0来模拟不同通风条件下不同类型的猪舍内气流场和温度场并进行分析。一方面可以为畜禽舍的流场模拟提供一种有效的方法；另一方面可以为猪场设计者合理设计猪舍通风系统提供理论依据和指导。
　　 本研究以猪舍为对象，以计算流体力学（CFD）为理论基础，以Navier-Stokes方程作为控制方程组，采用标准k-ε湍流模型，运用ANSYS CFX 11.0软件对猪舍内的气流场和温度场进行三维稳态模拟，研究结果如下：
　　 1．以保育猪舍为研究对象，运用CFX软件对猪舍内的气流场和温度场进行模拟。模拟结果为：气流在进、出风口附近速度较大，其余区域风速较低；在猪活动区域空气温度相对较高，其余区域气温较低。
　　 2．以育肥猪舍为研究对象，运用CFX软件对纵向和横向通风两种条件下猪舍内气流场和温度场进行三维稳态模拟。模拟结果为：纵向通风时，从两个进风口进入的气流在猪舍中间混合形成一股主体气流，沿着猪舍的纵向运动并从端墙的出风口排出，气流在进、出风口速度较大，中间风速较低，越靠近空气出口温度越高；横向通风时，从四个进风口进入的气流形成四股主体气流，并没有发生混合，气流在猪栏的作用下发生扩散，越靠近出风口气流扩散现象越严重，在这个区域内形成较高速的气流场，温度较低。结果说明，纵向通风方式舍内气流速度和温度分布较横向通风而言比较均匀，死角较少。
　　 3．以育肥猪舍为研究对象，运用CFX软件对风机安装在一边端墙上和风机安装在猪舍四角两种情形的猪舍内纵向通风气流场和温度场进行三维稳态模拟。模拟结果为：两种纵向通风形式气流分布都比较均匀。风机在一边端墙上的纵向通风时，在靠近出口处的大部分区域，空气温度基本为30℃-31℃；风机在猪舍四角的纵向通风时，整个猪舍的大部分区域空气温度低于30℃。结果说明，对纵向长度较大的猪舍进行纵向通风布置时，宜采用湿帘在中间，风机在四角的气流组织形式。
　　 4．以种公猪舍为研究对象，在纵向通风条件下，运用CFX软件分别对猪栏高1.2 m和0.8 m这两种情况下猪舍内气流场进行三维稳态模拟。结果显示，0.8 m猪栏时可在舍内得到非常均匀的气流场；当猪栏高度为1.2 m时，舍内的气流场比较均匀，但由于猪栏较高，猪栏对气流仍然起到的一定的限制作用，在部分猪栏内仍有气流速度过高或过低的现象。
　　 5．为了比较纵向和横向通风方式对种公猪舍的降温效果，以种公猪舍为模拟对象，运用CFX软件分别对纵向和横向两种通风方式下的舍内气流场和温度场进行了模拟，并对模拟结果进行了比较分析。模拟结果为：横向通风时，公猪栏内部分区域的气温能够保持在25℃左右，大部分区域气温低于28℃；纵向通风时，虽然部分猪栏内能够形成25℃左右的适宜气温，但靠近出口处的5个猪栏温度基本为30℃，局部温度甚至达到了31℃。结果表明，横向通风方式不仅能够在舍内形成均匀的气流场，还能够明显降低公猪栏内的空气温度。
　　 6．对保育猪舍的气流场和温度场模拟结果进行实测验证。验证结果为，模拟得到的舍内气流温度和速度变化规律与实测值相同；各检测点的空气温度误差最大值不超过1.3℃，平均绝对误差为0.24℃，平均相对误差为0.7％；各检测点的气流速度误差最大值不超过0.2m/s，平均绝对误差为0.04m/s，平均相对误差为20％。结果表明，使用CFD模拟方法能够真实表达猪舍内气流状态，对猪舍内温度场和气流场的模拟是一种有效的方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究的目的和意义

1.2国内外研究进展

1.3主要研究内容、目标及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2研究目标

1.3.3技术路线

1.4课题来源及拟解决的关键问题

1.4.1课题来源

1.4.2拟解决的关键问题

2计算流体力学理论基础

2.1计算流体力学概述

2.1.1什么是计算流体力学

2.1.2计算流体力学的特点

2.1.3计算流体动力学的应用领域

2.2计算流体力学的控制方程组

2.2.1质量守恒方程

2.2.2动量守恒方程

2.2.3能量守恒方程

2.3控制方程的离散化

2.3.1离散化的目的

2.3.2离散时所使用的网格

2.3.3常用的离散化方法

2.4湍流模型

2.4.1湍流数值计算方法的分类

2.4.2雷诺时均方程法

2.5 CFD的求解过程

2.6 CFX软件简介

2.7本章小结

3猪舍内气流场和温度场模拟

3.1保育猪舍内气流场和温度场模拟

3.1.1保育猪舍的物理模型

3.1.2模型的网格划分

3.1.3在CFX-Pre中设置边界条件

3.1.4用CFX-Solver进行求解

3.1.5用CFX-Post显示计算结果

3.2育肥猪舍纵向和横向通风方式下的气流场和温度场模拟

3.2.1物理模型的建立

3.2.2模型的网格划分

3.2.3在CFX-Pre中设置边界条件

3.2.4用CFX—Solver进行求解

3.2.5用CFX-Post显示计算结果

3.2.6模拟结果分析

3.3育肥猪舍两种纵向通风方式下的气流场和温度场模拟

3.3.1物理模型的建立

3.3.2模型的网格划分

3.3.3在CFX-Pre中设置边界条件

3.3.4用CFX-Solver进行求解

3.3.5用CFX-Post显示计算结果

3.3.6模拟结果分析

3.4不同猪栏高度种公猪舍内气流场模拟

3.4.1物理模型的建立

3.4.2模型的网格划分

3.4.3在CFX-Pre中设置边界条件

3.4.4用CFX—Solver进行求解

3.4.5用CFX-Post显示计算结果

3.5种公猪舍纵向和横向通风方式下的气流场和温度场模拟

3.5.1物理模型的建立

3.5.2模型的网格划分

3.5.3在CFX-Pre中设置边界条件

3.5.4用CFX-Solver进行求解

3.5.5用CFX-Post显示计算结果

3.5.6模拟结果分析

3.6本章小结

4模拟结果的验证

4.1材料和方法

4.1.1实验猪舍

4.1.2测量仪器

4.1.3测量时间及方法

4.1.4模拟边界条件的设置

4.2结果与分析

4.2.1测量结果

4.2.2模拟结果

4.2.3模拟值与实测值对比

4.3结论与讨论

4.3.1对比结果的结论与讨论

4.3.2模拟经验总结

4.4本章小结

5结论与进一步研究设想

5.1主要结论

5.2创新之处

5.3进一步研究设想

参考文献

致谢

附录1 攻读硕士学位期间发表学术论文目录