（通辽市开鲁县家畜改良工作站，内蒙古通辽 028400）

0 引言

从20世纪70年代至今育肥牛技术经过几十年的发展和完善已趋于成熟，并备受人们关注[1-3]。总结发现影响育肥牛生长的因素主要有：育肥方式的选择、育肥出栏时一起调控、育肥牛饲料的选择、饲料添加剂的应用、防疫措施以及建筑结构等。而随着我国科技的快速发展，优质饲料以及疫苗等供给充足，但对于一些地区建筑结构相对落后，从而阻碍育肥牛的饲养。而随着人们对生活水平有了质的提高，不仅对牛肉的口感有很大要求，营养问题更为重要。因此快速培养优质的育肥牛，才能不断满足人们的需求。

内蒙古通辽市某育肥牛厂由于其通风结构单一导致牛舍内部废气不能很好地排出，不仅对饲养人员有危害而，且会造成育肥牛情绪易躁动、生长育肥慢、易感染传染病等一系列问题，直接造成经济损失[4]。因此定性分析牛舍内通风状况，通过改变牛舍结构达到合理的通风状况是此次实验研究的关键[5]。文章采用数值模拟仿真方法，通过CFD数值模拟对比分析改造后育肥牛舍与原育肥牛舍的通风状况[6～8]，从而优化解决传统育肥牛舍通风不良的问题，旨在确保育肥牛安全的下改善牛舍结构解决牛舍通风不畅的问题，促进地方畜牧业的快速发展。

1 牛舍模型介绍及计算工况

1.1 模型介绍及网格划分

针对内蒙古地区牛舍，根据实际尺寸取1/4体结构建立数值模型。1/4体牛舍结构地基长为14200mm、宽为10000mm、背阳面高为5000mm，向阳面围墙为石砖堆砌（不透风），内部对每头肉牛进行围墙隔离高1200mm，石墙壁厚200mm，水平段管道直径2000mm，牛舍背阳面有两个垂直地基高h=1550mm的自然对流通风口，每个通风口截面积为S=2500000mm2，如图1所示；改造1/4体牛舍结构地基不变，向阳面围墙改为透风铁栅栏，内部隔离围墙向朝阳面移动S=800mm，牛棚上方加装两个方形抽气口（呈一定倾角以防止雨水滴入），截面积为S=7000mm2，背阳面改为四个圆形垂直地基高h=400mm的强制对流通风口，每个通风口截面直径为Φ=1200mm，如图2所示：

图1 原牛舍三维模型结构

模拟应用Mashing平台将网格初步划分完成后，调整Relevance选项来 调整网格疏密程度，由于整体网格划分较密，取1/4体，当采用1/4体计算时根据模型特性需要对局部网格细化，选择Proximity and Curvature选项，并将Relevance center选项勾选Medium，系统自动细化网格。网格数量分别为5，500，000和12，800，000左右。网格划分之后的模型效果如图1-3，图1-4所示：

图2 改造后牛舍三维模型结构

图3 原牛舍模型网格图

图4 改造后牛舍模型网格图

1.2 模型参数设置

本次模拟分析选用模型相对简单，不需要太多的计算时间和内存的湍流模型为标准k-ε方程。其具体参数的设定以表1-1的各项指标为基准

表1 Fluent标准k-ε参数

模型边界条件的设置，首先由于一次风进入风室时的进口直径以及速度的不同导致进口参数不同故应根据具体数据计算设定，根据文献相关理论均可将其进口设为速度进口（Velocityinlet），并根据湍流强度（Turbulent intensity）以及流体水力半径（Hydraulic Diameter）来确定流体。冷态试验边界条件的设定如下表：

表2 边界条件参数

计算方程

文章通过k-ε双方程模型计算冷态下循环流化床炉膛内的流体流动，其数学关系试为：

湍动能耗散率：

其中Cu为经验常数。

当流体为不可压缩时Gb=0；当流体为可压缩时有：

湍动数Prt取0.85；gi为重力加速度在第i个方向上的分量；β为热膨胀系数，其定义为：

当流体为可压缩时：YM=0；当流体为不可压缩时有：

其中Mαt为湍动能Mach数；αt为声速，。

当遇到流体为可压缩时的流动计算考虑与浮力有关的参数C3ε；当流体主流方向与中立方向水平时，有C3ε=1；而当而这方向垂直时，有C3ε=0。

根据以上分析，当流体为不可压缩流动且不考虑源项时，Gb=0，YM=0

SK=0，Sε=0，这时标准k-ε模型为：

这些方程可以用一下通用形式标识，有对流项、非稳态项、扩散项和源项：

运用梯度符号和三度，记为：

标准的k-ε模型控制方程见表3。

3 计算结果与讨论

改造前牛舍X-Y截面Z=6m流体速度分布平面如图5所示，由于其通风口及隔离栏结构设计导致靠近牛舍左右墙体、牛舍中部部分位置，不能很好地通风，牛舍内废气不能快速排出。改造后的牛舍X-Y截面Z=6m流体速度分布平面如图6所示，气流整体分布相对均匀，且位于横截面中部气流相对较快，可使肉牛头部始终处于新鲜空气中；由于加装四个强制对流风机，出口处气流接近17m/s，可使肉牛排泄物产生的废气及湿空气快速及时排出牛舍，增强牛舍清洁性、舒适性。

图5 原牛舍模X-Y截面速度分布平面图

图6 新型牛舍模X-Y截面速度分布平面图

表3 标准k-ε模型的控制方程

改造前牛舍Y-Z截面X=7m流体速度分布平面如图7所示，牛舍气流分布明显不均匀，上部相对下部通风较好，空气流速相对较快，能快速排除废气；肉牛长期置于牛舍下部由栅栏分隔的废气流通速度缓慢区，且牛舍中部位置空气流动最差。改造后牛舍Y-Z截面X=7m流体速度分布平面如图8所示，气流分布相对均匀，且下部流体流动速度较上部稍高，由于新型牛舍顶部增加两个方形进风口，可使棚顶废气很好侧排出，增强牛舍洁净度。

由图

图7 原牛舍模Y-Z截面速度分布平面图

图8 新型牛舍模Y-Z截面速度分布平面图

综上所述：新型牛舍结构能够合理解决内部布风不均匀问题，增强空气流动，加快废气排放，确保舍内温湿度，减少热应激及细菌及病毒滋生，可进行改造试验。

4 验证与结论

为验证其效果，2017年6月对内蒙古地区某牛舍进行通风改造，验收结果见4-1表：

相关参数 改造前 改造后牛舍与外界出口环境相对压差（Kpa） 0 0.2牛舍内空气流通速度（m/s） 0 1.15牛舍内有害气体含量NH3（ppm） 178 9牛舍内有害气体含量H2S（ppm） 81 2牛舍内空气温度（℃） 36.38 28.14牛舍内空气湿度（%） 71.3 53.8

其中测量仪器分别为：压差计、S型皮托管、氨气检测仪、烟气分析仪（测试硫化氢气体）、温湿度计。

通过现场测试实验证明改造后的牛舍具有：

（1）新空气不断从室外引入牛舍内，形成微负压从而增强了流体流通速度，加快新空气的流入，降低肉牛周边温度，可提高肉牛的环境舒适度；

（2）改造后的牛舍，有害气体NH3含量降低200倍、有害气体H2S含量降低40倍，减少肉牛在废气中沉浸时间，增强肉牛抵抗力；

（3）改造后的牛舍，空气湿度降低，且能使肉牛处在舒适的环境中，提高肉牛产肉率；

（4）该技术能有效减少人力消耗、肉牛的饲养成本、药物治疗费用等，可增强牛肉口感，提高利用价值，经计算投资回收期不足半年，值得大力推广。

[1] 周超.夏季肉牛饲养管理技术[J].农村养殖技术，2010，（13）：12.

[2] 李旭光，王立东，范立坤，等.内蒙古地区冬季牛舍供暖仿真研究[J].安徽农业科学，2017，（19）：214-217.

[3] 韩振侠.试析养殖育肥牛过程中的关键技术[J].中国畜禽种业，2015，（1）：93-94.

[4] 唐春梅，张承林.装配式牛舍结构浅析[J].黄牛杂志，2003，（5）：43-45.

[5] Wu B，Gebremedhin B K G. CFD development and simulation off low fields in ventilated spaces with multiple occupants [J]. Transactions of the ASAE，2001，44（6）：1839-1850.

[6] Bjerg B，Svidt S，Zhang G，et al. Modeling of air inlets in CFD prediction of airflow in ventilated animal houses[J].Computers and Electronics in Agriculture，2002，34（1/3）：223-235.