基于CFD的密闭式仔猪养殖仓设计及通风优化

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近年来,随着猪业养殖领域的扩大与发展,猪只健康问题也引起了广泛的关注,除去猪只的品种、遗传和营养等因素,环境因素(通风、温湿度、有害气体)在猪只健康养殖中占有越来越重要的地位。为实现仔猪生长环境的实时监测和有效控制,满足科研和生产的需求,设计了一款密闭式仔猪养殖仓。本文主要工作如下:仔猪养殖仓的整体设计。养殖仓设计有饲养笼体、饲喂与饮水装置、加热装置、清粪装置、环境监控装置与通风装置。饲养笼体采用透明亚克力板,铝型材加以固定;饲喂由双开门方式喂料,饮水使用仔猪易寻找的乳头式饮水器;加热装置由温控器、温度传感器、电阻丝组成;清粪装置为二段式清粪,由清粪履带和集粪槽组成;环境监控装置由硬件与软件两方面组成;通风装置采用正压通风。仔猪养殖仓通风系统设计。计划养殖仓内饲养4头最大体重为15kg的仔猪,通过计算夏季最大通风量确定进风口边长15cm,管孔直径5cm。根据风量以及风压选择轴流风机,并采用变频器对风机进行无级调速。为满足仔猪健康养殖需求,设计横向通风、纵向通风、U型通风三种通风方式,三种通风方式都是正压通风,且内通风管上开设直径为5cm的圆形管孔,方向垂直向下。横向通风、纵向通风、U型通风区别在于管孔数量不同、内管道分布位置及进风方向不同。养殖仓通风系统模拟及优化。对三种通风方式(横向通风、纵向通风、U型通风)进行计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟与分析,结果表明:温度场中,横向通风与U型通风温度变化趋势基本一致,以仔猪为中心,温度向四周逐渐降低,纵向通风温度由养殖仓前部向后部阶梯式升高,且前后温度差异明显;气流场中,纵向通风养殖仓后部气流速度大于前部气流速度,U型通风养殖仓内气流死角最多,横向通风较其他两种通风方式气流分布更加均匀。因此,选择横向通风为通风方式,并对横向通风的管孔直径、管孔数量、内管道分布位置进行优化设计并模拟分析,结果表明:温度场中,管孔直径的优化设计和内管道分布位置的优化设计温度场变化基本一致,管孔数量的优化设计低温分布范围增加,温度向四周的降低速度变快;气流场中,优化管孔直径的气流分布比其他两种优化设计气流分布更加均匀,气流速度更趋近于仔猪适宜生长范围。通过试验验证,发现温度的模拟值与实测值最大误差为1.2℃,相对误差介于1.8%~6.1%之间,相对误差平均值在3.22%;气流速度模拟值与实测值最大误差为0.05m/s,相对误差介于7.1%~20%之间,相对误差平均值在13.02%,证实了模拟结果的有效性。基于Labview设计养殖仓环境监控系统。硬件选择山东仁科生产的氧气传感器、二氧化碳传感器、温湿度传感器、氨气传感器、甲烷传感器、USB转485模块及485总线进行采集工作。软件方面,在串口设置处选择对应串口COM3,根据Modbus通讯协议以及RS-485总线的传输特点,编写程序框图,前面板采用Labview软件中选项卡里的界面设计控件进行布置。
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