一种基于计算流体力学的猪舍内环境仿真模拟方法与流程

本发明涉及猪舍数字建模，特别是涉及一种基于计算流体力学的猪舍内环境仿真模拟方法。

背景技术：

1、cfd(computational fluid dynamics)仿真模拟是一种应用于模拟一定空间内如室内外、设备内、其他环境内流体的分布、流动方向、流动速度等参数的仿真技术，其以流体力学为基础，利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组，具备结果可视化的优点。对猪舍内环境进行计算流体力学cfd仿真模拟，不仅可为实际猪舍饲养过程中出现的各种现象提供分析依据，还可验证猪舍设计方案的可行性。fluent airpak建模软件是一款目前国内外较为流行的cfd软件，利用此软件可建立猪舍数字模型仿真模拟猪舍内环境，分析猪舍的通风情况。

2、现领域内通过建立猪舍数字模型用于通风模拟分析，大家的关注点主要集中在通风模式以及通风均匀性该两方面，忽略了猪舍数字模型的设计制作与验证，以及未考虑猪群的散热散湿对猪舍环境的影响。

3、正确的猪舍数字模型是通风模拟分析的前提，结合猪群的散热散湿是分析模拟的关键，目前现有猪舍数字模型主要存在以下几点问题：

4、1、受限于计算机的网格分析能力和实物模型的设计方法，猪舍数字模型的关键节点需采用一定的等效原则处理，以达到逼近实际的模拟分析效果，而现有的猪舍数字模型在节点处理上缺乏经验。

5、2、设计建立后的模型未经验证直接应用于各种通风模型分析，从而得出的相关结论缺乏可信度。

6、3、在模拟分析过程中，未考虑不同地区不同时刻的太阳辐射、猪群的散热散湿对环境的影响，分析结果与实际结果存在差异。

7、因此，我们需要研究出一种基于计算流体力学的猪舍内环境仿真模拟方法来解决以上问题。

技术实现思路

1、针对现有猪舍数字模型存在节点处理上缺乏经验、模型未经验证直接应用导致结论缺乏可信度、未考虑太阳辐射以及猪群的散热散湿对环境的影响导致分析结果与实际结果存在差异等问题。本发明的目的在于通过提供一种基于计算流体力学的猪舍内环境仿真模拟方法及系统来解决上述问题。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种基于计算流体力学的猪舍内环境仿真模拟方法，包括以下步骤：(1)初始环境条件处理，包括猪舍围护结构温度计算、猪舍窗户热辐射计算、猪舍水帘装置降温增湿性能计算；(2)利用fluentairpak软件建立猪舍数字模型，所述猪舍数字模型包括猪舍围护结构模型、舍内地面模型、环控系统模型以及舍内猪群模型；(3)基于两方程湍流模型进行计算求解环境参数，所述环境参数包括风速、温度以及湿度，并输出模拟结果；(4)对模拟结果可视化处理，得到风场云图、温度场云图以及湿度场云图。

3、在某些实施方式中，所述步骤(1)中，初始环境条件设置：设置具体的时间，具体时刻的干球温度、相对湿度，猪舍所在的地区经纬度，猪舍围护结构的导热系数、外表面换热系数，太阳辐射的吸收系数，窗户导热系数，窗户面积，水帘湿水面积比，降温效率。

4、在某些实施方式中，所述步骤(1)中，猪舍围护结构温度计算，公式为：

5、

6、其中，室外气温为干球温度，总太阳辐射为猪舍围护结构吸收的太阳辐射；

7、太阳辐射可透过猪舍窗户传递至舍内地面，猪舍窗户热辐射计算为舍内地面获得太阳辐射热量计算，公式为：

8、舍内地面获得太阳辐射热量＝太阳辐射×窗户导热系数×窗户面积

9、其中，太阳辐射为猪舍窗户吸收的太阳辐射；

10、猪舍水帘装置降温增湿性能计算包括水帘降温幅度计算和水帘加湿幅度计算，公式分别为：

11、水帘降温幅度＝降温效率×水帘湿水面积比×(干球温度-湿球温度)

12、水帘加湿幅度＝5％×水帘降温幅度

13、其中，湿球温度可由干球温度及相对湿度换算得出，或通过查表获得。

14、在某些实施方式中，所述步骤(2)中，猪舍围护结构模型利用fluent airpak软件的“wall”部件设置猪舍数字模型的外墙温度、外墙换热系数、外墙长度及厚度。

15、在某些实施方式中，所述步骤(2)中，舍内地面模型利用fluent airpak软件的“blocks”组件搭建舍内漏缝板构件及实心地面，其中，将漏缝板构件等效为落空结构，并设置每个“blocks”组件的窗户热辐射均摊。

16、在某些实施方式中，所述步骤(2)中，环控系统模型包括水帘装置模型和风机设备模型，水帘装置模型利用fluent airpak软件的“openings”组件设置外部新风经过水帘装置后的温度及湿度，风机设备模型利用fluent airpak软件的“fans”组件设置风机性能曲线。

17、在某些实施方式中，所述步骤(2)中，舍内猪群模型利用fluent airpak软件设置猪群的散热散湿，其中，采用“blocks”组件表示猪群，1个组件代表10头猪，1个栏位布置4个该组件，组件之间略有错位，模拟猪群的随机分布；采用“openings”组件模拟猪群通过呼吸排出的水气。

18、在某些实施方式中，所述步骤(3)中，运算基本参数设置如下：flow regime设置为两方程湍流模型，环境温度设置为35.6℃，方程的迭代次数设置为1000次，以方程残差中的动量等于1×10-3、能量等于1×10-7为收敛准则。

19、在某些实施方式中，所述步骤(4)中，风场云图、温度场云图以及湿度场云图通过fluent airpak软件中的“cut”工具输出。

20、在某些实施方式中，利用实际猪舍对建立的猪舍数字模型进行验证，包括以下步骤：

21、(1)利用fluent airpak软件在进风口、出风口、窗户以及猪群活动区域等位置设定多个测点，然后输出各个测点的模拟结果；

22、(2)对实际猪舍的这些测点进行现场测量，得出各个测点的实测结果；

23、(3)各个测点的实测结果与模拟结果对比分析，验证猪舍数字模型的可靠性。

24、本发明的有益效果如下：

25、1.本发明综合考虑了太阳辐射、建筑围护结构的热工性能、水帘降温增湿性能、猪群的散热散湿等因素对于猪舍内部环境的影响，计算得出的收敛结果精度更高，与实际情况更为相符。

26、2.本发明针对猪舍环境建模仿真具有较高的通用性和灵活性，可针对不同围护结构、不同饲养模式、不同阶段猪群的实际猪舍进行1：1建模，同时针对细小结构的物体、设备、部件以等效原则处理建模步骤，在保证模型计算精度的前提下，降低软件计算负担，提高方程运算的收敛效果。

27、3.本发明不仅可对猪舍进行环境模拟仿真，为解决猪群饲养过程出现的各种现象提供分析依据，还可为猪舍建设前端提供设计依据，通过对猪舍围护结构、环控设备配置等设计方案的仿真建模，提前验证设计方案的可行性以及预判猪舍建造完成后的使用效果，进而提高猪舍建设前端的设计效率，并且对于猪舍环控模式的探索具有极大参考意义，可降低设计或建设不合理而产生的无效成本。