规模化保育猪舍自然通风对猪仔生长环境及健康的影响研究

摘要 以农村地区的保育舍为研究对象，运用计算流体力学（CFD）模拟技术对冬季采用横向自然通风的保育舍进行速度场、温度场和颗粒物分布的模拟分析，研究同种通风方式下不同窗户开度猪舍内部的环境质量，并提出优化建议。模拟结果显示：横向自然通风猪舍气流死区较多，但仔猪周围小部分区域的温度和风速值并不能满足国标的要求，影响部分猪只正常的生长发育;对于大跨度的横向自然通风，窗户开度影响颗粒物的排出效果。窗户开度增大，颗粒物的排出效果虽有提升但并不明显，同时也加剧了颗粒物向相邻区域的扩散，最终大部分颗粒物在热升力作用下分布在屋顶周围。该研究结果为夏热冬冷地区冬季自然通风猪舍的结构设计和气流组织优化提供了理论指导。

关键词 保育猪舍;CFD模拟;横向自然通风;颗粒物;窗户开度

中图分类号 TU264+.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）11-0198-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.050

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Natural Ventilation on the Growth Environment and Health of Piglets in Large-scale Nursery Piggery

LIU Chen-chen， LU Xiang-you， ZHANG Hu et al

（School of Environment and Energy， Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui 230601）

Abstract Taking nursery piggery in rural areas as research object， CFD simulation technology was used to simulate and analyze the velocity field， temperature field and particulate matter distribution of nursery piggery with transverse natural ventilation in winter. The environmental quality inside pig houses with different window openings under the same ventilation mode was studied， and some optimization suggestions were proposed. The simulation results showed that there were more areas with no air circulation under transverse natural ventilation， and the temperature and wind speed values in a small area around the piglets did not meet the requirements of the national standards， which affected the normal growth and development of some pigs. For large-span transverse natural ventilation， the size of the window opening affected the discharge effect of particulate matters. When the window opening was increased， the discharge effect of particulate matter was improved but it was not obvious.  It also intensified the diffusion of particulate matters to the adjacent area. Finally， most particles were distributed around the roof under the action of thermal lift. This study provided theoretical guidance for the structural design and air distribution optimization of piggery with natural ventilation in winter in the areas with hot summer and cold winter.

Key words Nursery piggery;CFD simulation;Transverse natural ventilation;Particulate matters;Window opening

近年来，农村中小规模猪舍的数量不断增加，越来越多的农民开始从事养猪业。然而，由于缺乏科学管理和对流行疫病的防控（尤其在非洲猪瘟和新冠肺炎疫情的双重影响下），养猪农户遭受巨大的经济损失。我国养猪最大的短板就是过度依赖药物和疫苗。研究发现，疫苗和抗菌药物并不能完全保证保育猪群不被病毒和细菌感染，而非洲猪瘟病毒也尚无安全、有效的疫苗[1-2]。

为降低猪场的疫病风险，目前国内多数龙头企业和大中型猪场在技术上采用新风系统和空气过滤系统[3]，管理上在猪场设置生物安全设施[4]，定期接种优质疫苗，进行科学饲养与管理。然而，出于经济利益的考虑，目前在我国冬冷夏热的农村地区，绝大多数中小规模猪舍在冬季均采用横向自然通风的方式来降低猪舍内病原微生物的浓度，从而达到提高室内空气质量、减少猪只疫病发生的目的[5]。

近年来，计算流体力学（CFD）技术被广泛应用在计算机模拟和分析研究上[6]。王鹏鹏等[7]对猪舍横向自然通风的温度场和速度场进行模拟研究，结果发现横向通风猪舍气流死区较多，不利于污染物的排出。周丹[8]利用CFD技术对仔猪舍的自然通风进行分析，结果发现猪舍内气流分布不够均匀，部分区域有害气体浓度超过仔猪生长的健康限值。杨晓飞[9]通过对相同开窗方式下开孔率不同的猪舍进行CFD模拟分析，发现开孔率与舍内进气量呈正相关。Norton等[10]通过对自然通风的鸡舍进行模拟研究，结果发现进风口的面积对舍内气流的均匀性有影响。Pereira等[11]研究了室内不同送风方式对颗粒物分布及排出效果的影响。在冬季，猪只之间由于热趋性而频繁近距离接触，若出现单个携病毒猪只，很容易造成群体感染，因此研究猪舍内致病菌及病毒的传播、分布和排出效果具有重要意义。笔者对某县保育猪舍在横向自然通风下的舍内温度、速度进行实测，利用Fluent软件模拟不同窗户开度下气溶胶颗粒的分布，研究新风量对室内微生物去除效果的影响[12]。

1 猪舍概况及CFD理论

1.1 猪舍概况及简化后的物理模型

2020年12月21日对保育猪舍进行测量，此为中小规模保育舍，饲养保育仔猪2 400余头（考虑到非洲猪瘟的影响，可能饲养密度略有降低），每头仔猪平均体重约14 kg。猪舍长60 m，宽19 m，檐高2.5 m，舍脊高1.5 m;舍内沿东西向设2列猪栏，每列12个单元，单元尺寸为8.75 m×4.75 m×0.60 m，每个单元饲养100头断奶仔猪，猪栏中间留有1.5 m宽的走道，走道两端各有1.26 m宽的闲置空间。舍内南北墙上每个单元栏各有4个推拉窗，且居中对称分布，尺寸为1.00 m×0.75 m，距地面1.30 m。冬季通过调整推拉窗的开度进行适度自然通风，单元栏距地面1.2 m处各悬有150 W的动物养殖专用取暖保温灯。由于保育舍在冬季采用的是横向自然通风，所以测点进行对称设置，设置在猪群上方0.4 m处，将测点布置在4、9、16、21号栏，并在走道两端的闲置空间布置4个测点。保育猪舍实拍图如图1～2所示。

由于单元栏围栏较低，气流阻力较小，对气流分布的影响可忽略不计，所以建模时将两侧围栏忽略。冬季仔猪由于热趋性而聚集在一起，使用长方体模型的体积代替每个单元栏内的仔猪总体积，降低建模难度。由于猪舍的外围护结构和屋顶均用绝热材料进行处理，所以在边界条件设置时将外围护结构、屋顶和地面按绝热处理[13]。简化后的猪舍二维平面图和三维模型图如图3～4所示。

1.2 数学模型

流体的流动需满足质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程三大方程;离散相颗粒在流场中的受力遵守牛顿第二定律，通过力平衡方程可预测颗粒的运动轨迹。

1.2.1 质量守恒方程（也称连续性方程）。

ρt+（ρu）x+（ρv）y+（ρw）z=0（1）

式中，ρ为流体密度;u、v、w分别为速度在x，y，z方向的分量。

1.2.2 动量守恒方程（也称Navier-Stokers方程）。

（ρu）t+ div （ρuU）=-px

+τxxx+

τyxy+

τzxz+Fx（2）

（ρv）t+ div （ρvU）=-py

+τxyx+

τyyy+

τzyz+Fy（3）

（ρw）t+ div （ρwU）=-pz

+τxzx+

τyzy+

τzzz+Fz（4）

式中，p为流体微团上的压力;τxx、τxy、τxz等为作用在流体微团上黏性应力的分量;Fx、Fy、Fz为流体微团上的体积力。

1.2.3 能量守恒方程。

（ρT）t+ div （ρUT）=- div kCp grad T+ST（5）

式中，Cp为定压比热容;T为热力学温度;k为流体的导热系数;ST为黏性耗散项 。

1.2.4 颗粒力平衡方程。

mp d p d t=mp-pTr+mp（ρp-ρ）ρp+（6）

式中，mp为颗粒的质量;为连续相的速度;p为颗粒速度;ρ为连续相的密度;ρp为颗粒的密度;为附加力;mp-pTr为颗粒阻力（曳力）;Tr为颗粒的弛豫时间。

1.3 物理条件的设置

对保育舍内的气溶胶颗粒进行模拟追踪，气溶胶颗粒的体积分数小于10%，即相当于离散的颗粒弥散在连续空气流中，属于拉格朗日两相流。选用离散型模型对气溶胶颗粒进行模拟，在2、5、9、12号单元栏靠近南窗且高度0.4 m处设置4个颗粒喷射口。

湍流模型选用SST k-omega模型，它在近壁面处采用k-omega模型，主流区采用k-ε 模型，具备很好的精度，使模拟准确度有所提升[14]。

1.4 边界条件的设置

1.4.1 连续相边界条件。

依据当地的主导风向，将北侧窗户定义为入口，进风口设置为“velocity-inlet”。根据测量结果求取平均值后，定义温度281.15 K（8 ℃），风速 1.4 m/s;将南侧窗户定义为出口，出风口设置为“pressure-outlet”;猪体设置为恒温无滑移壁面，表面温度311.15 K（38 ℃）;围护结构按绝热处理。

1.4.2 离散相边界条件。

离散相的进出口壁面条件设置为“Escape”。为了分析通风对气溶胶颗粒扩散的影响，设置其他壁面的边界条件为“Reflect”，即假设颗粒与壁面碰撞后完全反弹。

1.5 模拟值验证