公猪舍夏季温度和流场数值CFD模拟及验证

为研究夏季全漏缝地板公猪舍湿帘风机蒸发降温效果及舍内环境分布规律,该文利用计算流体力学CFD(computational fluid dynamics)对北京养猪育种中心SPF(Specific Pathogen Free Swine)公猪舍进行模拟研究并通过实测数据进行验证。研究中将漏缝地板作为多孔介质简化,基于标准k-?湍流模型对空载及装猪猪舍内的风速场和温度场进行模拟,通过模拟值与实测值的对比验证模型的合理性。结果表明采用该模型模拟空载时猪舍,风速场模拟值与实测值误差较小,相对误差范围在0.25%~30.8%。模拟温度与实测温度最大绝对误差为0.48 K,平均绝对误差为0.11 K,平均相对误差为0.5%。模拟装猪时的猪舍,温度分布结构与装猪前相似,但整体温度略有上升。该研究可对当前常用的含漏缝地板猪舍建模研究提供参考,并为畜禽舍内改造和建筑实践提供理论依据。     

鸡体鸡笼阻挡对密闭鸡舍气流运动影响的数值研究

在建立密闭式鸡舍机械通风系统气流运动方程的基础上,推导了由流函数和势函数表示的气流运动控制方程。根据能量变分原理,导出了平面等参可变节点的统一有限元模型。重点讨论了流函数形式下的多连通域(即鸡舍内存在阻挡物)方程的数值分析法。提出了采用流场叠加法求解时的两种内边界条件确定方法:①切向循环速度为零条件:在任一封闭内边界上切向循环速度为零;②能量最小条件:真实内边界条件使整体流场的能量最小。通过上述两种条件建立了原方程的补充代数方程,使问题得到了圆满解决。运用数值模拟,比较了横向通风与纵向通风系统在舍内气流分布型式上的特点。结果表明,在纵向通风形式下,鸡舍内的气流分布非常均匀,鸡体鸡笼等障碍物对空气运动的阻挡作用不十分明显。相反,横向通风系统的气流分布极不均匀,尤其下部鸡笼周围的气流速度大大降低。     

鸡体鸡笼阻挡对密闭鸡舍气流运动影响的数值研究

在建立密闭式鸡舍机械通风系统气流运动方程的基础上,推导了由流函数和势函数表示的气流运动控制方程。根据能量变分原理,导出了平面等参可变节点的统一有限元模型。重点讨论了流函数形式下的多连通域(即鸡舍内存在阻挡物)方程的数值分析法。提出了采用流场叠加法求解时的两种内边界条件确定方法:①切向循环速度为零条件:在任一封闭内边界上切向循环速度为零;②能量最小条件:真实内边界条件使整体流场的能量最小。通过上述两种条件建立了原方程的补充代数方程,使问题得到了圆满解决。运用数值模拟,比较了横向通风与纵向通风系统在舍内气流分布型式上的特点。结果表明,在纵向通风形式下,鸡舍内的气流分布非常均匀,鸡体鸡笼等障碍物对空气运动的阻挡作用不十分明显。相反,横向通风系统的气流分布极不均匀,尤其下部鸡笼周围的气流速度大大降低。     

基于鹅舍气流场CFD模拟的通风系统结构优化与验证

针对鹅舍内机械通风时大量气流扩散于鹅舍上方而位于地面鹅只通风效果受阻的气流问题,提出一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的结构优化方案。通过在舍内主梁下端安装相同高度且与气流方向呈一定倾角的多个可拉伸卷膜构造方法,提高种鹅舍内有效的通风效率。依据试验现场边界条件,构建并求解了鹅舍的三维稳态模型,舍内40个测点的风速模拟值与实测值均方根误差为0.152 m/s,最大绝对误差为0.29 m/s,平均相对误差为2.04%,验证了建立的鹅舍CFD模型的准确性。根据不同优化方案数值模拟了27组不同改造后鹅舍内气流场分布情况,仿真得出最优组合方案:在42 m长的舍内安装卷膜个数为10个,卷膜与主梁竖直方向倾斜角度为60o以及卷膜最大下拉高度为1.2 m时舍内通风效率最高、气流分布最均匀。通过现场实测,对比改造前后40个测点的风速值,试验结果表明:改造后鹅舍较常规鹅舍平均风速增加0.527 m/s,舍内气流不均匀系数降低32.2%。该试验结果为种鹅舍的结构设计、同类型畜禽舍结构优化以及改善通风降温效果调控提供了一定的参考依据。     

不同进风方案下隧道烘干窑热风流场CFD模拟和优化

隧道烘干窑内同一横截面的热风均匀性影响着物料干燥均匀性和产品质量,而烘干窑入口风速分布直接影响着窑内热风流场的均匀分布。为了解决单一风机直进风隧道烘干窑存在的风速不均匀问题,提出了多种进风结构设想,并利用计算流体力学方法对实际生产的隧道窑进风流场进行数值模拟,研究3种不同的进风方案(4风机、6风机和9风机)对隧道窑内热风流场均匀性的影响。模拟结果表明:6风机方案下隧道窑入口处进风均匀,热风扩散距离短,窑内热风流场整体均匀性较佳,综合性价比最高。研究结果为隧道窑入口进风的设计提供参考。     

蔬菜气雾栽培箱不同气流循环方式的流场和温度场CFD模拟

蔬菜气雾栽培箱内的空气流动和温度对箱体内的环境调节及农作物生长具有重要作用,农作物周围空气的均匀性流动能促进农作物的生长速率。为探究蔬菜气雾栽培箱内流场及温度场分布规律,基于计算机流体力学(CFD,computational fluid dynamics)方法,利用FLUENT软件,结合标准湍流模型、有孔介质模型、作物冠层质热交换模型等,建立了蔬菜气雾栽培箱不同气流循环方式下的CFD模型。并对气雾栽培箱内的环境进行优化设计,设计了3种气流循环方案:顶面进侧面出,侧面进顶面出,侧面进侧面出。对送回风口的不同位置布局进行了研究,并对3种气流循环方案进行了数值模拟。模拟结果可知:气流为顶面进侧面出方案中,风速位于生菜生长适宜风速值区域占58.1%,适宜温度值区域占93.6%,通风死角区域占比0.844%;气流为侧面进顶面出方案中,生菜生长适宜风速值区域占59.6%,适宜温度值区域占99.98%,通风死角区域占比0.069%;气流为侧面进侧面出方案中,风速位于生菜生长适宜风速值区域占54.3%,适宜温度值区域占92.4%,通风死角区域占比16.7%。分析对比后得到侧面进顶面出为最佳气流循环方案。并对此进行了试验测试,结果表明:气雾栽培箱内温度、风速模拟值和实测值进行对比,温度平均相对误差为3.9%,均方根误差为0.86℃。风速平均相对误差为3.5%,均方根误差为0.26m/s,模拟值和实测值误差较小,模拟效果良好,验证了CFD模型的准确性。该研究为蔬菜气雾栽培箱内的流场及温度变化规律,内部环境调节,装置优化设计提供了参考依据。     

黄花苜蓿收获机吹送装置气流速度场CFD分析

为了研究黄花苜蓿收获机吹送装置风机转速与吹送气流速度场分布的关系,该文基于CFD模拟技术建立了黄花苜蓿收获机吹送装置气流速度场分布模型,根据实测的黄花苜蓿收获机相关数据,确定了边界条件和模型参数,得到了不同风机转速下吹送气流速度场分布,以及在风机转速为4 000 r/min时,主风管、不同支风管和距离出风口不同距离的气流速度场分布。设计了与模拟条件相同的验证试验,对模拟条件进行了验证分析。研究表明,试验值与仿真值变化趋势一致,试验值比仿真值略小,误差不超过10%,能够准确地反映黄花苜蓿收获机吹送装置的气流速度场分布规律,风机转速为4 000 r/min时,吹送距离在0.22 m波动区间内能够满足黄花苜蓿吹送要求。     

主动蓄热日光温室不同气流方向后墙传热CFD模拟

日光温室是一种能源高效利用型的温室结构,在中国北方的设施园艺产业中起到了非常重要的作用,其中主动储热日光温室结构是最近该领域研究的热点问题之一。针对高效主动储热风道的研究问题,该文构建了3种不同气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙模型,分别是顶进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙(W1)、侧进侧出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙(W2)、侧进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙(W3)。在W1工况下对比试验数据及数值模拟数据发现,平均相对误差为6.7%,最大相对误差为13.4%,说明该文所建模型的数值模拟与试验数据有很好的一致性;进一步模拟结果表明,进口条件一致的情况下,W1、W2、W3在主动蓄热循环系统运行阶段的有效蓄热范围分别为700～800、500～600、600～700 mm;W1、W2、W3的出口平均温度分别为17.3、18.9、18.2℃,进一步计算得到,3种工况下,内部空气流的努塞尔特数分别为40.95、35.25、35.30;3种不同气流循环运动方式下,温室后墙的对流换热强烈程度表现为W1最大,W3其次,W2最小。该研究为设计主动蓄热日光温室墙体气流循环运动方式提供了理论依据和试验参考。     

塑料大棚气流场模拟及作物蒸腾量计算

为了分析塑料大棚内气流场的特征和计算与作物蒸腾量有关的通风参数,该文通过计算流体动力学模拟了塑料大棚内自然通风量,建立了华东地区常见塑料大棚内平均风速和外部风速之间的线性关系,根据能量平衡和紊流扩散模型建立了一个计算作物蒸腾量的数学模型,并利用棚外的常规气象资料和棚内的实测温度计算了棚内作物蒸腾量。通过将作物蒸腾量的计算值和实测值进行比较,结果发现作物蒸腾量的计算值与实测值比较一致,逐日蒸腾量间的决定系数为0.7756,累积蒸腾量间的决定系数为0.9983,模拟累计值与实测累计值之间标准误差为1.16 mm,最大绝对误差为4.82 mm;结果表明,所建立的计算方程参数较少,推求的风速参数比较适用于普通塑料大棚。该研究可满足大棚内作物水分管理、温室大棚设计规划和区域水资源管理等方面的需要。     

基于CFD数值模拟的冷藏车节能组合方式比较

精确掌握温度控制是实现高质量食品冷链运输的关键,节能减排降低运输成本也是供应商所追求的目标。该文以短距离冷藏运输车为研究对象,以土豆为货物区试验材料,建立了求解冷藏车车厢温度场分布计算模型。模拟过程采用2种不同的风机制冷温度（0和3℃）,依据制冷机组功率和货物最佳冷藏温度,确定运输过程中打开和关闭制冷风机最佳间隔时间。模型以冷气出风口风速、冷气温度、车厢以及货物的初始温度、货物的物性参数为边界条件,采用计算流体力学（CFD）非稳态SST κ-ω计算模型,模拟开启风机和关闭风机不同阶段车厢内温度场的分布情况。结果表明在组合方式为制冷温度3℃,制冷时间和关闭制冷风机阶段都为10 min时比制冷温度为0,制冷时间15 min和关闭制冷风机为20 min时要节约3.6×105 J能耗。该研究为合理选择制冷风机温度和冷却时间最佳组合方式,以及实现节能减排降低运输成本提供了依据。     

定点送风降温对母猪周围温度和对流换热的影响

为了满足高温高湿地区或密闭性较差的哺乳猪舍的降温需求,该研究基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）数值模拟技术,研究了正压定点送风降温方式下不同进风口直径、进风风速和进风温度对哺乳母猪周围气流场、温度场以及机体对流换热量的影响。结果表明：当进风温度为25～27 ℃、进风风速为4～8 m/s、进风口直径为8和12 cm时,母猪周围大部分区域风速低于0.5 m/s、温度高于27 ℃。在相同进风风速和进风温度条件下,进风口直径为12和16 cm的母猪对流换热量高于进风口直径为8 cm的母猪对流换热量。考虑到母猪周围风速和温度的分布以及母猪散热的情况,当进风口直径为12 cm时,既能保证母猪周围区域风速、温度能满足哺乳仔猪的需求,又能保证母猪有较高的对流散热量,推荐在实际生产中使用该尺寸的进风风口。该研究通过CFD模拟分析了定点送风降温方式中相关参数对仔猪活动的产床区域风速和温度分布及母猪对流换热量的影响,为该降温方式在哺乳母猪舍的应用提供理论依据。     

沼气池搅拌的CFD模拟及温度场验证

为了对底侧入式搅拌的沼气发酵池内的流场进行研究,该文采用计算流体力学方法,以上海市崇明县某示范工程的主体沼气发酵池（69.3 m3）为对象,对流场和温场进行计算模拟,并通过温度测量来验证温度数值模拟的可靠性,从而间接验证流场数据准确性。通过温度场的模拟和实测数据对比,整体温场模拟和实测数据在0.05水平下无显著差异;通过流场模拟和工程运行的观察,都反映此发酵池中设计的底侧入式搅拌不能充分实现发酵池的搅拌。但模型在相关设定上仍有与实际不符之处,模型仍有待完善。     

层叠式笼养肉鸭舍冬季环境测试及通风窗位置优化模拟

肉鸭产业规模化程度越来越高、空间集聚日益明显,层叠式笼养是发展最为迅速的立体养殖模式。该文对层叠式笼养鸭舍内的温湿度、气流、CO_2及NH_3质量浓度进行测试,构建了鸭舍的CFD模型,开展温度场和气流场的环境模拟,并提出现有鸭舍气流组织形式的优化方案。研究结果表明,测试期间(2018-12-18 00:00-2018-12-22 00:00),鸭舍内气温11.35～20.68℃,舍内外平均温差10.86℃;舍内平均相对湿度70.27%,略高于舍外;舍内CO_2、NH_3平均质量浓度分别为3285、0.33 mg/m~3。模拟原有鸭舍的温度场和气流场,与实测结果进行对比,平均相对误差为6.59%～8.87%,说明该文所建模型的数值模拟与试验数据具有很好的一致性。进一步通过降低一侧通风小窗的高度来优化鸭舍的气流组织,模拟发现优化后模型的舍内温度范围为11.07～19.71℃,其温度波动范围较原模型有明显减小,降低了肉鸭对温度的应激效应;优化后模型北侧第1列底层、第3列中层、第5列上层的平均风速分别为0.34、0.34、0.31 m/s,较原模型更加均匀。通过该研究,可为同类型鸭舍合理规划设计与改善舍内环境质量提供理论依据。     

基于CFD离散相模型的气流式皮棉清理机参数优化

气流式皮棉清理机能有效的清除不孕籽、破籽等杂质,提高皮棉等级,且对皮棉不产生任何损伤。为提高气流式皮棉清理机的除杂效率,降低纤维损耗,对其除杂机理进行了分析。通过建立基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的离散相模型(discrete phase model,DPM)对皮棉纤维轨迹、杂质轨迹分别进行了追踪分析,并对影响落棉率、除杂率的入口速度、出口压力和排杂槽口尺寸3个参数进行了仿真试验。通过正交试验方法,共进行了25组试验。根据正交试验的极差和方差分析,得出了影响气流式皮棉清理机落棉率的参数排序是入口速度槽口尺寸出口压力,影响除杂率的参数排序是槽口尺寸入口速度出口压力。通过建立综合评分标准,得出了气流式皮棉清理机的最优加工参数为入口速度20 m/s,出口压力-650 Pa,槽口尺寸30 mm,此时落棉率为5%,除杂率为90%。通过现场的加工试验验证,表明仿真分析所得出的优化组合和优劣分析是可行的,可为气流式皮棉清理机的加工工艺改善提供依据。     

冬季猪舍热回收换气系统供暖的数值模拟

为了研究冬季热同收换气系统的送风角度对猪舍供暖效果的影响,该文采用计算流体力学对空载猪舍的温度场和气流场进行数值模拟,并采取试验对模型进行验证.试验结果表明,模拟值与测定值拟合度较高,该模型较合理.在满足仔猪通风量情况下,基于建立的数学模型对热回收换气系统3种不同送风角度(30°、45°和60°)的温度场和气流场进行模拟.结果表明:与30°和60°送风角度比较,送风角度为45°时的舍内温度分布均匀,舍内气体交换较充分,满足猪的生长要求.该文为热回收换气系统在实际养猪生产中的应用提供依据.