进风位置对纵向通风叠层鸡舍气流和温度影响CFD模拟

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

程琼仪1，穆 钰2，李保明3,4※

（1. 农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所，北京 100125；2. 农业农村部规划设计研究院设施农业研究所，北京 100125；3. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；4. 农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083）

为提高鸡舍夏季通风效率，改善舍内环境条件，该文通过计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）模拟分别探究了进风口内侧加设导流板及不加设导流板时，进风位置对叠层笼养鸡舍舍内及笼内气流、温度及分布的影响。鸡舍模型通过现场试验进行验证。结果表明：在进风口内侧不加设导流板时，近进风口区域(距首个笼17.5 m之内鸡笼区域)笼内平均风速随着进风位置与鸡笼间距离增加而增大，最大增幅为0.54 m/s。而当进风口内侧加设导流板时，不同进风位置时对笼内平均风速相对差异小于10%。同时，随着进风位置与鸡笼间距离增加，近进风口处笼内气流分布均匀性增加，笼内温度呈降低趋势且其分布趋于均匀。但进风位置对笼内环境影响范围有限，文中研究显示，进风位置对气流速度的影响范围为距首个笼27 m之内笼内区域，对气流分布均匀性的影响范围为距首个笼45 m之内笼内区域，对温度分布的影响范围为距首个笼18 m之内笼内区域。研究表明，在叠层鸡舍夏季通风系统进风位置设计中，应尽量设计在山墙，及保证进风口与鸡笼区域无重合，使得进风气流充分发展后进入鸡笼，有助于减少笼内通风弱区及涡流区域。

气流场；温度；计算流体力学；鸡舍；进风位置

0 引 言

适宜环境条件对蛋鸡生产至关重要，产蛋鸡热中性温度为18～24 ℃[1]。而在中国某些高温高湿地区，夏季鸡舍内部环境温度可达到35 ℃，因此需进行降温及机械通风。最常见的环境控制方式为湿帘降温结合负压风机进行纵向通风[2]，通过加强鸡只对流散热，形成风冷效应来排出余热，建议风速为2.5 m/s[3]。而为了确保湿帘的降温效率，根据湿帘厚度不同，建议过帘风速为1.1～1.7 m/s[4]。因此鸡舍前端山墙面积并不能满足进风口面积需求，在实际生产中，有部分或全部进风口设置在侧墙上。但在叠层笼养鸡舍中，进风口的具体开设位置尚未有相关标准或研究。

大量研究表明，进风位置对室内环境有显著影响[5]。Montero等发现，进风位置会影响换气速率及气流分布，当进风口同时位于侧墙和屋顶时，通风速率最大[6]。Gebremedhin等[7]发现与气流从单面侧墙或天花板进入舍内的情况相比，气流从双面侧墙进入时，舍内气流分布更为均匀。Seo等比较了进风位置对肉鸡舍通风效果的影响，发现采用烟囱进风的鸡舍，舍内气流分布和通风效率优于其他鸡舍[8]。高学平等研究表明，当进风位置处于散热器中心高度或偏下位置时，室内气流分布最为均匀[9]。Lin等发现，当从房间中央进风时，室内温度分布更为均匀[10]。Bartzanas等同样发现，当进风速度为3 m/s，温度为28 ℃时，由于进风位置不同，舍内换气速率在10～58次/h波动，平均温度在28.2～29.8 ℃波动[11]。进风位置通过影响气流分布进而影响舍内污染物浓度。王阳等试验表明，侧墙进风口高度对鸡舍内温湿度，污染物浓度及分布有显著影响[12]。Kang等发现，进风位置对房间下层气流模式有显著影响，与垂直进风相比，水平进风时室内污染物浓度较低[13]。赵福云等发现当采用置换通风及天花板右侧进风时，垂直温差最小，通风效率最高[14]。并且相比于出风口，进风口对室内环境影响更为明显[15]。但对于叠层笼养鸡舍而言，夏季进风位置对舍内及笼内环境影响尚未有相关研究。

计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）广泛应用于畜禽舍内部环境研究。Seo等借助CFD找出冷风渗透为冬季猪只死亡率高的原因[16]。王鹏鹏等通过CFD模拟了横向和纵向通风时猪舍空气场分布规律[17]。王小超等利用CFD找出了猪舍冬季通风最适进风角度[18]。邓书辉等借助CFD探究了挡风板和颈枷下矮墙对低屋面横向通风牛舍流场和温湿度场影响[19-20]。Mustafa等模拟了风管对平养肉鸡舍环境的影响[21]。本研究同样采用CFD模拟，对不同进风位置时鸡舍内部环境条件进行探究。

在CFD应用于笼养鸡舍环境模拟时，由于其养殖密度大、建模复杂，需要进行模型简化。现有研究在构建模型时，会将整个鸡笼区域（caged-hen occupied zone, CZ）简化为固体。在此基础上，江晓明等模拟了春秋过渡季节不同通风方式对密闭式半阶梯笼养蛋种鸡舍环境的影响[22]，Hui等研究了阶梯笼养鸡舍内湿帘安装位置对走道气流影响[23]。但将CZ简化为固体，会忽略笼内与走道气流交换，在一定程度上影响结果准确性。同时此简化仅能研究鸡舍走道情况，无法估测笼内环境。虽然走道气流对蛋鸡生产有一定程度影响，但与其直接相关的为笼内环境。针对此问题，Cheng等提出将CZ简化为多孔介质[24]，并且其可行性已得到验证[25]。因此，本研究在将CZ简化为多孔介质的基础上，以CFD方法探究在进风口内侧加设及不加设导流板时，不同进风位置对：1）笼内气流速度的影响；2）笼内气流变化趋势及分布均匀性的影响；3）笼内温度及变化趋势的影响。鸡舍模型通过现场试验进行验证。以期为叠层笼养鸡舍进风口设计提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 鸡舍气流及温度现场测试

现场测试于种鸡舍内进行，种鸡舍位于安徽省黄山市（29°74′81″N，118°17′11″E）。鸡舍长105 m，宽15 m，山墙及屋脊高度分别为6 和7 m。墙面为240 mm厚砖墙，屋面为100 mm厚彩钢聚苯乙烯夹芯板。鸡笼为5列4层叠层笼，单个笼具尺寸为1.2 m×1.2 m×0.8 m，单列鸡笼长度为90 m，首个鸡笼距离前侧山墙7.5 m。舍内饲养鸡只数量为28 717，母鸡平均体质量为2.0 kg，公鸡为2.8 kg，公母比例为1：9。鸡舍夏季采用湿帘降温，负压风机纵向通风，通风系统如图1所示。鸡舍通过在后端山墙安装18台风机（型号EF01000XXX，额定风量36 000 m3/h，功率1.1 kW·h，青岛大牧人机械股份有限公司）提供负压环境。为避免湿帘开启后温度骤降对种鸡造成冷应激，增加进风气流的均匀性，鸡舍设置湿帘间，主要包括湿帘进风口、矩形进风小窗及导流板。矩形进风小窗（尺寸2 m×1 m）及导流板（尺寸2 m×1 m）设置在湿帘进风口内侧1.5 m处，为保证湿帘降温效率及充分预热低温进风气流，本测试中湿帘进风速度为1.2 m/s，导流板开启角度为45°。进风气流由湿帘降温后通过矩形进风小窗，在导流板作用下方向发生改变，先经鸡舍顶部预热，而后进入CZ。现场测试采取“田”字型布点，选取鸡舍中18个点进行温度和气流速度测定，分别采用温度记录仪（型号Testo 175 H1，量程−20～55 ℃，精度±0.4 ℃，德图仪器国际贸易有限公司）及热线式风速仪（型号KA32/41，量程0.1～30 m/s，精度（3%×读数值±0.1）m/s，日本加野麦克斯仪器有限公司）进行测量，具体测点布局及测试方法与文献[25]一致。

图1 鸡舍夏季通风系统示意图

1.2 CFD模拟

1.2.1 模型验证

在笛卡尔坐标系中建立鸡舍全尺寸模型，模型按照与实测种鸡舍1∶1进行建模，以鸡舍宽度为方向，取值范围为−1.5～16.5 m，长度为方向，取值范围为−1.5～105 m，高度为方向，取值范围为0～7 m。网格、数值模拟方法及边界条件与文献[25]一致，入口设置为速度入口，速度取实测值1.2 m/s，测量方法如文献[25]所示，出口设置为压力出口[26]。CZ被简化为多孔介质，在方向黏性阻力系数分别为7 461.11，22.2，8 400 m2，惯性阻力系数分别为0.675，1.54，1.25 m，CZ热产生速率为284.1 W/m3。鸡舍壁面设置为无滑移壁面边界。进风温度及鸡舍各壁面温度取值与文献[25]完全一致。将模拟结果与现场测试值进行对比，模拟与实测风速相对差异为9.5%，温度相对差异为0.1%，各点具体差异如文献[25]所示。因此认为此模型用来模拟鸡舍环境可信。

1.2.2 不同进风位置对鸡舍环境影响模拟

实际生产中，为降低湿帘开启后舍内温度骤降对鸡的冷应激，湿帘内侧导流板被广泛使用。但其会降低近进风区域气流分布均匀性[25]。因此在合理调控湿帘启闭，解决温度骤降问题的基础上，可考虑去掉导流板。本试验探究了在进风口内侧加设导流板及无导流板时，不同进风位置对鸡舍内部环境影响。

1）进风口内侧加设导流板及无导流板时，鸡舍不同进风位置几何模型

图2为进风口内侧加设导流板（图2a）及无导流板（图2b）时，结合实际生产情况，选取的4类进风位置情况下鸡舍外围护结构示意图。据Cheng 等的研究表明，在鸡舍天花板下加设导风板可增加CZ气流速度，提高低温进风气流的利用效率[25]。因此本研究在鸡舍全尺寸模型基础上，从首个鸡笼对应的天花板位置开始，在天花板下方每间隔12 m加设高度为1 m的屋顶导风板,共加设8块屋顶导风板。

不同进风位置时进风口具体参数见表1及图2。a1进风位置与现场测试种鸡舍一致，进风口位于湿帘间，在进风口内侧加设进风小窗及导流板。a2在a1基础上，将侧墙位置的部分进风口移至山墙。a3在a2基础上，侧墙进风口位置发生改变。a4是在a3基础上，增加进风口与首个鸡笼间距，使鸡笼与进风口无重合。即将侧墙及山墙进风口整体向鸡舍外侧（−方向）移动14.3 m。b1、b2、b3和b4分别是在a1、a2、a3和a4基础上，去掉了湿帘间及进风口内侧导流板，即进风口设置在侧墙及山墙上。以上不同进风位置情况下进风总面积相同，且所有案例中位于侧墙的进风口关于鸡舍长轴呈轴对称。

表1 不同进风位置情况下鸡舍围外护结构参数表

图2 进风口内侧加设导流板和无导流板时不同进风位置情况下鸡舍外围护结构示意图

2）网格，计算方法和边界条件

依照试验鸡舍尺寸进行1∶1建模。对于图2 a1－a3，在笛卡尔坐标系中模型尺寸范围为：在方向从−1.5～16.5 m，在方向从−1.5～105 m，方向从0～7 m；对于图2 b1－b3，模型尺寸范围为：在方向从0～15 m，在方向从0～105 m，方向从0～7 m；对于图2a4，尺寸范围为：在方向从−1.5～16.5 m，在方从−15.8～105 m，方向从0～7 m；对于图2b4，模型尺寸范围为：在方向从0～15 m，在方从−14.3～105 m，方向从0～7 m。模型以非结构化网格离散，网格尺寸与模型验证所用尺寸一致。

此模拟的边界条件与模型验证边界条件一致。湍流模型选取标准-模型，压力和速度以SIMPLE算法耦合。以二阶迎风格式离散动量、湍动能和湍流耗散率方程。对走道正中间某点速度值及平行于山墙某平面的气流速度面加权平均值进行监测，直至速度监测曲线平稳，可认为模拟收敛。

2 结果与分析

2.1 不同进风位置对笼内CZ气流影响

2.1.1 加设导流板时进风位置对CZ气流影响

图3a为进风口内侧加设导流板，不同进风位置时，平行于地面且高度为3.4 m平面的气流分布云图，图3 a1－a4，分别是进风位置a1－a4时的速度云图。从图中可知，不同进风位置主要影响近进风口处CZ内气流分布，而鸡舍后侧CZ的气流云图无显著差异。所以在气流速度分析上，以距前端山墙25 m且与其平行平面=25 m将CZ分为2部分：Z1（Zone 1）和Z2（Zone 2）。从进风位置a1－a4，各情况下Z1平均速度分别为2.27，2.27，2.47和2.30 m/s；Z2平均速度分别为2.26，2.24，2.24和2.23 m/s。由结果可知，不同情况下CZ内气流平均速度相对差异小于10%，进风位置对笼内风速无显著影响。其主要原因为进风口内侧导流板改变了气流方向，进风气流先被引流至屋顶，两侧气流交汇后进入鸡笼区域。相比于无导流板的鸡舍，山墙风机对经侧墙进风口进入室内的气流方向改变作用较弱。由图3a同时可知，随着进风口与鸡笼间距增加，近进风口处CZ内通风弱区和死角面积逐渐降低。针对舍内气流速度横向分布而言，在进风位置为a1时，第1、5列鸡笼Z1平均风速大于第3列鸡笼，差异为0.29 m/s，随着进风口与鸡笼间距离增加，第1、5列与第3列鸡笼间Z1内风速差异逐渐降低，进风位置为a2及a3时，差异分别为0.13及0.08 m/s，而在进风位置为a4时，近进风口处各列鸡笼笼内风速无显著差异。主要原因为随着进风位置与鸡笼间距离增加，进入鸡笼的气流在横向速度变化率降低，使各列鸡笼间的笼内风速差异减小。

图3b为进风口内侧加设导流板，不同进风位置时，沿鸡舍长度方向（方向）笼内CZ各横截面平均速度值。从图中可知，气流速度在鸡舍后部突然增大，这是由于经过每块屋顶导风板后笼内气流速度会突增[25]，此研究为提高通风效率，同样在模型中加设多块屋顶导风板。同时进风位置对CZ内平均速度影响有限，为表述方便，本文将鸡舍划分为2个区域：进口段和稳定段。因进风位置变化使得各点气流速度和方向受影响区域为进口段，剩下区域为稳定段。在距首个笼27 m之内的进口段区域，不同进风位置时气流速度和变化趋势有显著差异，仅针对选取的数据分析截面而言，进风位置a3的变化幅度最大，为1.29 m/s，其次为进风位置a1，为1.19 m/s，进风位置a2和a4的变化幅度分别为0.70和0.90 m/s。虽然截面的选取会影响气流速度变化情况，但也说明进风位置对气流变化幅度和趋势有显著差异。在距首个笼27 m之后的CZ，平均速度及变化趋势无显著差异。此结果表明，在进风口内侧加设导流板时，进风位置会影响进口段近进风口处CZ速度变化规律，但对鸡舍后侧CZ无显著影响。文中，进风口对CZ气流速度及变化趋势的影响范围为离首个笼27 m之内的CZ区域。

气流分布均匀性以气流速度变异系数（coefficient of air speed variation, CV）量化，CV为各点速度标准差与平均值之比，表征各点气流速度的变化程度[27]。文中，CZ内CV取平行于地面且高度为0.5，1.5，2.9和3.9 m 4个平面的CV均值。对于进风位置a1－a4，由Fluent输出结果可知，Z1内气流速度CV分别为37.4%，33.0%，29.0%和21.5%；Z2内气流速度CV分别为18.0%，16.4%，14.9%和14.4%。因此，当进风口内侧加设导流板时，进风位置对CZ气流分布均匀性有显著影响（相对差异大于10%，下同），随着进风位置与首个鸡笼距离增加，CZ内气流分布更为均匀。同时进风位置对Z2的影响远小于Z1。图3c为进风口内侧加设导流板，不同进风位置时，沿鸡笼长度方向笼内CZ各横截面气流速度CV。从图中可知，在距首个笼45 m进口段范围内，不同进风位置时CZ气流分布均匀性有显著差异，气流速度CV随着进风位置与首个鸡笼间距离增大而降低，在此范围之后， CV无显著差异。因此，在进风口内侧加设导流板时，进风位置对进口段近进风口处CZ内气流分布均匀性有显著影响，影响范围为距首个笼45 m之内区域。

图3 进风口内侧加设导流板时不同进风位置舍内气流云图和沿鸡笼长度方向笼内气流速度及速度波动系数CV

2.1.2 无导流板时进风位置对CZ气流影响

图4a为进风口内侧无导流板，不同进风位置时，平行于地面且高度为3.4 m平面气流分布云图。从图4 a1－a4，进风位置与首个鸡笼间距离逐渐增加，从图中可知，随着距离增加，近进风口CZ内通风弱区面积逐渐降低。主要原因是在鸡笼前端，进风区域与部分鸡笼重合，气流未完全进入鸡舍，此区域平均风速过低。此外，进风位置主要影响近进风口处CZ内气流分布。因此同样将CZ以平面=25 m（平行于山墙且距其25 m）划分为2个区域进行研究（如图4a）：Z1为近进风口区域，Z2为远进风口区域。从进风位置b1到b4，Z1的平均气流速度分别为1.39，1.57，1.90和1.93 m/s。此结果表明，进风位置显著影响近进风口CZ内平均风速，随着进风位置与首个鸡笼间距离增加，CZ内平均气流速度增加，最大增幅为0.54 m/s。在Z2区域，随着进风口与鸡笼间距离增加，不同进风位置下平均速度分别为2.17，2.18，2.17和2.20 m/s。由此可知，在远进风口区域，进风位置对CZ内平均速度无显著影响。针对舍内气流速度横向分布而言，在进风位置为b1时，第1、5列鸡笼Z1内平均风速大于第3列鸡笼，差异为0.2 m/s，随着进风口与鸡笼间距离增加，第1、5列与第3列鸡笼间Z1内风速差异逐渐降低，进风位置为b2及b3时，差异分别为0.09及0.08 m/s，而在进风位置为b4时，近进风口处各列鸡笼笼内风速无显著差异。

图4 进风口内侧无导流板时不同进风位置舍内气流云图和沿鸡笼长度方向笼内气流速度及速度波动系数CV

图4b为不同进风位置时沿鸡舍长度方向笼内CZ各横截面平均速度，在距首个笼18 m之内，每3 m取一个截面，此后每9 m取一个截面。从图中可知，气流速度在鸡舍后部突然增大，同样是由于模型中加设多块屋顶导风板的原因。在距首个笼27 m范围内，进风位置对CZ内气流变化趋势有显著影响，此区域之后CZ内气流速度无显著差异。在距首个笼3～90 m之间的鸡笼区域，CZ内气流变化幅度随着进风位置与首个鸡笼间距离增加而降低。而进风位置为b4时，笼内CZ首个横截面的气流速度显著高于其他面。其原因可能为侧墙进风气流在此处完全进入鸡舍，大部分气流方向发生改变，同时与山墙进风气流交汇。而其他进风位置时未出现类似高速气流可能是截面选取的原因。此结果表明：在进风口内侧无导流板时，进风位置对进口段近进风口处CZ内气流速度及变化趋势有显著影响。文中，影响范围为距首个笼27 m之内的鸡笼区域。

随着进风位置与首个鸡笼间距离增加，Z1内气流速度CV分别为31.2%，30.6%，27.3%和20.4%；Z2内气流速度CV分别为14.8%，14.0%，13.7%和13.3%。此结果表明，当进风口内侧无导流板时，进风位置与鸡笼间距离增加可以提高CZ内气流分布均匀性。图4c为不同进风位置时，沿长度方向笼内CZ各横截面速度波动幅度CV。从图4中可看出，在距首个笼45 m之内的鸡笼区域，进风位置对CZ内气流速度CV有显著影响，在此之后，不同进风位置时笼内CV无显著差异。因此，在进风口内侧无导流板时，进风位置对进口段近进风口区域CZ内气流分布均匀性有显著影响，文中影响范围为距首个笼45 m之内的笼内区域，但影响程度随着进风口与鸡笼间距离增加而降低。

2.2 不同进风位置对笼内CZ温度影响

2.2.1 加设导流板时进风位置对CZ温度影响

从进风位置a1－a4，各情况下CZ平均温度分别27.41，27.36，27.36及27.35 ℃。沿鸡舍长度方向，首个鸡笼与最后一个鸡笼温差分别为0.89，0.93，0.94及0.95 ℃。在不同进风位置时，笼内温度及温差无显著差异，且进风口和出风口温差均远小于2 ℃。其主要原因为种鸡舍饲养密度过低，而夏季为了达到风冷效应，通风量仍维持在较大的水平；以及屋顶导风板的作用，促进了进风气流从鸡笼区域通过。较大体积的低温进风气流降低了进风口位置对笼内温度的影响效果。

图5为进风口内侧加设导流板，不同进风位置时，平行于地面且高度为3.4 m平面的温度分布云图，图5 a1－a4，分别是进风位置a1－a4的温度云图。从图中可知，不同进风位置对进口段近进风口处CZ温度分布有显著影响，随着进风口与鸡笼间距增加，进口段笼内温度呈降低趋势。表2为进风口内侧加设导流板，不同进风位置时沿鸡舍长度方向（方向）笼内CZ各横截面平均温度值。从表中可知，在进口段距首个笼18 m之内的区域，相比于其他区域，不同进风情况下笼内温度和变化幅度呈现出差异，尤其是进风位置a1与其他情况下温度及变化趋势的差异最为显著。仅针对选取的数据分析截面而言，在首个笼位置时不同进风位置情况下的温度差异最大，进风位置a1与a4差异可达到0.08 ℃（沿鸡舍长度方向，首个鸡笼与最后鸡笼的温差约为0.9 ℃）。

图5 进风口内侧加设导流板时不同进风位置平行于地面且高度为3.4 m平面温度分布云图

2.2.2 无导流板时进风位置对CZ温度影响

从进风位置b1－b4，各情况下笼内CZ平均温度分别27.44，27.39，27.39和27.38 ℃。沿鸡舍长度方向，首个与末位鸡笼温差分别为0.99，0.99，0.98和0.98 ℃。此结果表明，在进风口内侧无导流板时，进风位置对笼内温度及笼内温差均无影响（相对差异小于10%）。其主要原因同样为通风量过大，进风位置对笼内温度的影响效果被削弱。

表2 进风口内侧加设导流板时不同进风位置沿鸡笼长度方向笼内CZ各横截面平均温度

图6为进风口内侧无导流板，不同进风位置时，平行于地面且高度为3.4 m平面温度分布云图。

图6　进风口内侧无导流板时不同进风位置平行于地面且高度为3.4 m平面温度分布云图

图6 b1－b4，分别与进风位置b1－b4对应。从图中可知，进风位置主要影响进口段近进风口处笼内CZ温度。随着进风口与笼间距离增加，笼内温度呈降低趋势且其分布趋于均匀。主要原因为当进风口与部分鸡笼重合时，该区域附近存在通风弱区（如图4a），鸡群产生的余热不能有效排出，导致笼内温度升高。而随着进风口与笼间距增加，笼内气流波动趋于平稳，从而温度分布更为均匀。表3为进风口内侧无导流板，不同进风位置情况下，沿鸡舍长度方向（方向）笼内CZ各横截面平均温度值。从图中同样可知，进风口对笼内温度影响范围有限，文中主要影响进口段距首个笼18 m之内笼内区域。仅针对选取的分析截面而言，在距首个笼12 m位置，进风位置b1与b4温差最大为0.08 ℃（沿鸡舍长度方向，首个与末位鸡笼的温差约为0.98 ℃）。

表3 进风口内侧无导流板时不同进风位置沿鸡笼长度方向笼内CZ各横截面平均温度

3 讨 论

为保证气流在进入鸡笼前充分预热，其射程应达到达鸡舍天花板中央。因此在进风面积一定情况下，导流板开启角度依据通风速率而定[28]。本研究对象为叠层笼养种鸡舍，选取进风角度为45°。对阶梯笼养或散养蛋鸡舍而言，鸡舍结构设计和通风量会产生差异，因而进风角度会随之变化，而进风角度会影响气流路径，从而影响室内的气流分布。所以在饲养工艺或通风量不同情况下，导流板开启角度发生变化时，进风位置对舍内环境影响需要进一步探究。同时，在不改变通风量情况下，为达到最佳通风效果，本研究仅针对实测鸡舍进风位置和山墙空间充分利用的情况进行了探究。但在实际生产中，由于设计不规范等原因，山墙空间得不到充分利用，从而影响侧墙湿帘长度，因此其后可对不同侧墙进风口长度对舍内环境的影响进行讨论。

4 结 论

1）在进风口内侧无导流板时，进风位置与鸡笼间距离增加会显著增大近进风口区域笼内蛋鸡活动区域(caged-hen occupied zone, CZ）平均风速（距首个笼17.5 m之内笼内区域），文中最大增幅为0.54 m/s。而在进风口内侧加设导流板时，不同进风位置时对笼内CZ相对差异小于10%。

2）沿鸡笼长度方向，进口段内近进风口处笼内CZ气流速度变化趋势受进风位置影响。文中对于加设导流板和无导流板鸡舍，影响范围是距首个笼27 m之内鸡笼区域。

3）近进风口处，进口段内笼内气流分布均匀性随着进风位置与鸡笼间距离增加而增大。文中对于加设导流板和无导流板鸡舍，影响范围是距首个笼45 m之内鸡笼区域。

4）近进风口处，进口段内随着进风位置与首个鸡笼间距离增加，笼内温度呈降低趋势且其分布趋于均匀。文中对于加设导流板和无导流板鸡舍，其影响范围为距首个笼18 m之内鸡笼区域。

[1] Hulzebosch J. Effective heating systems for poultry houses[J]. World Poultry, 2005, 22(2): 212－216.

[2] Wang C, Cao W, Li B, et al. A fuzzy mathematical method to evaluate the suitability of an evaporative pad cooling system for poultry houses in China[J]. Biosystems Engineering, 2008, 101(3): 370－375.

[3] Aviagen I. Environmental Management in the Broiler Breeder Laying House[EB/OL]. [2019-08-22]. USA: 2005. http://eu.aviagen.com/tech-center/download/462/EnvMgtLaying.pdf

[4] Georgia T U O. Evaporative Cooling Pad Design Spreadsheet [EB/OL]. [2019-08-22]. USA: 2014. https://www. poultryventilation.com/ node/3913

[5] Oberreuter M E, Hoff S J. Quantifying factors affecting sidewall air inlet performance[J]. Transactions of the ASAE, 2000, 43(3): 707－716.

[6] Montero J I, Hunt G R, Kamaruddin R, et al. SE-structures and environment: effect of ventilator configuration on wind-driven ventilation in a crop protection structure for the tropics[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 2001, 80(1): 99－107.

[7] Gebremedhin K G, Wu B. Simulation of flow field of a ventilated and occupied animal space with different inlet and outlet conditions[J]. Journal of Thermal Biology, 2005, 30(5): 343－353.

[8] Seo I H, Lee I B, Moon O K, et al. Improvement of the ventilation system of a naturally ventilated broiler house in the cold season using computational simulations[J]. Biosystems Engineering, 2009, 104(1): 106－117.

[9] 高学平，李伟，宋慧芳，等. 进风口对变压器室通风效果的影响[J]. 土木建筑与环境工程，2012(s2)：117－122.

Gao Xueping, Li Wei, Song Huifang, et al. The influence of the air inlet on effective indoor substation transformer rooms[J]. Journal of Civil Architectural & Environmental Engineering, 2012(s2): 117－122. (in Chinese with English abstract)

[10] Lin Z, Chow T, Tsang C, et al. CFD study on effect of the air supply location on the performance of the displacement ventilation system[J]. Building and Environment, 2005, 40(8): 1051－1067.

[11] Bartzanas T, Boulard T, Kittas C. Effect of vent arrangement on windward ventilation of a tunnel greenhouse[J]. Biosystems Engineering, 2004, 88(4): 479－490.

[12] 王阳，石海鹏，王雅韬，等. 侧墙进风小窗位置对蛋鸡舍内环境的影响[J]. 中国家禽，2016，38(16)：38－42.

Wang Yang, Shi Haipeng, Wang Yatao, et al. Effect of air inlets situation on microenvironment of layer house in winter[J]. China Poultry, 2016, 38(16): 38－42. (in Chinese with English abstract)

[13] Kang Y, Wang Y, Zhong K. Effects of supply air temperature and inlet location on particle dispersion in displacement ventilation rooms[J]. Particuology, 2011, 9(6): 619－625.

[14] 赵福云，程盼，张东东. 置换通风及混合通风下室内空气环境多指标数值评价[J]. 武汉大学学报：工学版，2018，51(9)：823－830.

Zhao Fuyun, Cheng Pan, Zhang Dongdong. Multi-indicator assessment of air environment in displacement and mixing ventilation numerical method[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2018, 51(9): 823－830. (in Chinese with English abstract)

[15] Wang K, Wang X, Wu, B. Assessment of hygrothermal conditions in a farrowing room with a wet-pad cooling system based on CFD simulation and field measurements[J]. Transactions of the ASABE, 2014, 57(5): 1493－1500.

[16] Seo I H, Lee I B, Moon O K, et al. Modelling of internal environmental conditions in a full-scale commercial pig house containing animals[J]. Biosystems Engineering, 2012, 111(1): 91－106.

[17] 王鹏鹏，王春光，宣传忠，等. 北方寒冷地区猪舍通风流场模拟研究[J]. 农机化研究，2018, 10(10)：139－144.

Wang Pengpeng, Wang Chunguang, Xuan Chuanzhong, et al. Simulation study on ventilation flow field of pig house in northern cold region[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 10(10): 139－144. (in Chinese with English abstract)

[18] 王小超，陈昭辉，王美芝，等. 冬季猪舍热回收换气系统供暖的数值模拟[J]. 农业工程学报，2011，27(12)：227－233.

Wang Xiaochao, Chen Zhaohui, Wang Meizhi, et al. Numerical simulation of heat supply for heat recovery ventilation system of piggery in winter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(12): 227－233. (in Chinese with English abstract)

[19] 邓书辉，施正香，李保明. 低屋面横向通风牛舍温湿度场CFD模拟[J]. 农业工程学报，2015，31(9)：209－214.

Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming. CFD simulation of temperature and humidity distribution in low profile cross ventilated dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(9): 209－214. (in Chinese with English abstract)

[20] 邓书辉，施正香，李保明，等. 低屋面横向通风牛舍空气流场CFD模拟[J]. 农业工程学报，2014，30(6)：139－146.

Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, et al. CFD simulation of airflow distribution in low profile cross ventilated dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 139－146. (in Chinese with English abstract)

[21] Mostafa E, Lee I B, Song S H, et al. Computational fluid dynamics simulation of air temperature distribution inside broiler building fitted with duct ventilation system[J]. Biosystems Engineering, 2012, 112(4): 293－303.

[22] 江晓明，张衍林，张兴广，等. 基于CFD的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.

Jiang Xiaoming, Zhang Yanlin, Zhang Xingguang, et al. CFD-based studies on transitional ventilation of closed henhouse with semi ladder coop[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2017, 36(6): 113－120. (in Chinese with English abstract)

[23] Hui X, Zhu Q, Ni J Q, et al. Effect of cooling pad installation on indoor airflow distribution in a tunnel-ventilated laying-hen house[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2016, 9(4): 169－177.

[24] Cheng Q, Wu W, Li H, et al. CFD study of the influence of laying hen geometry, distribution and weight on airflow resistance[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2018, 144: 181－189.

[25] Cheng Q, Li H, Rong L, et al. Using CFD to assess the influence of ceiling deflector design on airflow distribution in hen house with tunnel ventilation[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2018, 151: 165－174.

[26] Wang K, Pan Q, Li K. Computational fluid dynamics simulation of the hygrothermal conditions in a weaner house in eastern China[J]. Transactions of the ASABE, 2017, 60(1): 195－205.

[27] Zhang Y, Kacira M, An L. A CFD study on improving air flow uniformity in indoor plant factory system[J]. Biosystems Engineering, 2016, 147: 193－205.

[28] Kwon K S, Lee I B, Zhang G Q, et al. Computational fluid dynamics analysis of the thermal distribution of animal occupied zones using the jet-drop-distance concept in a mechanically ventilated broiler house[J]. Biosystems Engineering, 2015, 136: 51－68.

CFD simulation of influence of air supply location on airflow and temperature in stacked-cage hen house with tunnel ventilation

Cheng Qiongyi1, Mu Yu2, Li Baoming3,4※

(1.100125; 2.100125; 3.100083,; 4.100083,)

The environment in hen house is critical to the production performance of laying hens. Tunnel ventilation which combines cooling pad and exhausted fans is commonly adopted in hen house in summer. The air motion is driven by exhaust fans on the gable wall. After cooled down by the wet pad, the air takes away the heat produced by hens, and then goes out through the exhaust fans. In this study, the effects of the air supply location were studied to identify its influence on the airflow, temperature and its distribution based on computational fluid dynamics (CFD) simulations. The hen house measured in this study was a breeding house with five columns fours stacked layer cages. The length of the hen house was 105 m and the width was 15 m, the height of the gable wall was 6 m and of the roof was 7 m, the distance between the gable wall and first cage was 7.5 m. The number of hens was 28 717. The air supply locations investigated in this study were differed by the inlet area in the side and gable wall, the distance between sidewall inlet and gable wall inlet, the distance between the inlet and first hen cage. The simulation model was validated by field experiment, in which speed and temperature in the breeding hen house in 18 points in the aisles were measured. The relative difference between measured and simulated results of temperature was 0.1%, and of speed was 9.5%, illustrating that the model was reasonable to simulate the environment in the hen house. The simulation results showed that without flaps behind the inlet, the increase of the distance between the air supply location and the cage could significantly increase the average wind speed inside the caged-hen occupied zone (CZ) near the air inlet zone (within 17.5 m from the first cage). The maximum increase amplitude was 0.54 m/s in this study. With flaps behind the air inlet, the air supply location had no significant effect on the average speed in CZ in the cage. Meanwhile, with the increased distance between the air supply location and the cage, the uniformity of airflow distribution in CZ nearby the inlet increased, the temperature in CZ decreased and its distribution tended to be more uniformity. However, the influence range of the air supply location on the environment in CZ was limited. In this study, the influence range in CZ of the air supply location on air speed was within 27 m from the first cage, on airflow distribution uniformity was within 45 m from the first cage, on temperature distribution was within 18 m from the first cage. This study showed that in the design of air supply location in hen house in summer, the gable wall should be utilized as much as possible. The overlap between the inlet and the hen cage should also be avoided, to guarantee that the inlet airflow could be fully developed before entering the CZ. This design was beneficial to reduce the weakly ventilated zone and vortex in CZ, and can guide the design of air supply location in hen houses.

airflow field; temperature; computational fluid dynamics (CFD); breeding hen house; air supply location

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.024

S823.9+2

A

1002-6819(2019)-15-0192-08

2018-11-28

2019-05-13

国家重点研发计划（2018YFD0500700）；国家蛋鸡产业技术体系（CARS-40）。

程琼仪，博士，主要从事畜牧场环境控制及废弃物处理。Email：qiongyicheng@cau.edu.cn

李保明，教授，博士生导师，主要从事畜禽设施养殖工艺与环境研究。Email：libm@cau.edu.cn

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. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.024 http://www.tcsae.org

Cheng Qiongyi, Mu Yu, Li Baoming. CFD simulation of influence of air supply location on airflow and temperature in stacked-cage hen house with tunnel ventilation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 192－199. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.024 http://www.tcsae.org