通風(fēng)散熱仿真APP助力養(yǎng)殖業(yè)科學(xué)規(guī)劃

通風(fēng)散熱仿真APP助力養(yǎng)殖業(yè)科學(xué)規(guī)劃一、背景介紹中國人自古以來就喜歡吃豬肉，當(dāng)前全球一半生豬產(chǎn)量在中國。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不僅養(yǎng)豬的規(guī)?；潭戎饾u提高，養(yǎng)豬的科技水平也在不斷提升。如豬臉識(shí)別、基因選配、生物安全、智能養(yǎng)豬平臺(tái)、集群式樓房智能化豬場等等，借助這些高科技手段，顯著提高了生豬的存活率與產(chǎn)肉量，為養(yǎng)殖企業(yè)增加了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。圖1高科技養(yǎng)豬手段生豬的生長環(huán)境是影響產(chǎn)量的一個(gè)非常重要因素。常見的家庭式養(yǎng)殖，豬圈非常簡陋，保溫靠棚、散熱靠自然通風(fēng)，豬的生長環(huán)境非常惡劣；稍具規(guī)模的養(yǎng)殖場，生豬不用生活在露天環(huán)境下，但養(yǎng)殖場的通風(fēng)散熱靠的仍然是門窗的被動(dòng)散熱。隨著集群式養(yǎng)豬場的出現(xiàn)，一棟樓房內(nèi)養(yǎng)著成千上萬頭生豬，其通風(fēng)散熱方式已經(jīng)從“隨風(fēng)而定”變?yōu)榱恕叭斯ふ{(diào)節(jié)”：通過設(shè)計(jì)部署的暖氣空調(diào)可以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，讓養(yǎng)殖場環(huán)境溫度保持在生豬的最佳生長點(diǎn)。當(dāng)前的樓房養(yǎng)豬屬于第四代養(yǎng)豬模式，相比于之前的幾種養(yǎng)殖廠房類型，具有專業(yè)環(huán)控、精準(zhǔn)調(diào)控、保障生豬健康、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。但是樓房聚落式的養(yǎng)殖場在設(shè)計(jì)過程中具有系統(tǒng)復(fù)雜程度高、設(shè)計(jì)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)少、改動(dòng)成本大、需要綜合考慮的因素繁雜等困難，對(duì)養(yǎng)殖場的暖通設(shè)計(jì)人員提出了很高的要求。圖2養(yǎng)殖模式的升級(jí)二、仿真APP解決方案數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用為解決養(yǎng)殖場的通風(fēng)散熱問題提供了強(qiáng)有力的解決工具。通過對(duì)養(yǎng)殖場進(jìn)行幾何建模，輸入相關(guān)材料與邊界參數(shù)，通過相關(guān)的CFD算法計(jì)算，就可以得到養(yǎng)殖場內(nèi)的溫度和速度變化情況。通過對(duì)不同條件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，就可以得到在養(yǎng)殖場設(shè)計(jì)問題上需要的關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)，如：設(shè)備選型、通風(fēng)散熱的參數(shù)等?？偟膩碚f，數(shù)值模擬技術(shù)可以減輕甚至擺脫設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，減少建設(shè)成本，提升養(yǎng)殖場的設(shè)計(jì)效率。目前，CFD技術(shù)在養(yǎng)殖行業(yè)的應(yīng)用具有較高的技術(shù)門檻，對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)能力要求較高。而基于自主通用的多物理場仿真平臺(tái)Simdroid無代碼化封裝的仿真APP，可以快速實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場環(huán)境的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)與分析，大大降低了設(shè)計(jì)人員的技術(shù)門檻，提高了設(shè)計(jì)效率，可以“自主可控”地改善生豬的生長環(huán)境。采用共軛傳熱的方式對(duì)養(yǎng)殖廠房內(nèi)的流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象進(jìn)行耦合求解。在生豬、養(yǎng)殖人員、建筑材料等固體內(nèi)部，熱量主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行擴(kuò)散；在流體與固體界面，熱量傳遞主要以熱對(duì)流為主。在流體與固體的交界面上，溫度場和熱通量在交界面處連續(xù)。在靠近固體處，由于溫度與流動(dòng)邊界層的存在，流體溫度與固體溫度接近；在遠(yuǎn)離界面處，流體溫度接近周圍流體的溫度。針對(duì)養(yǎng)殖廠房復(fù)雜模型的共軛傳熱分析，合理的模型設(shè)置、邊界和求解參數(shù)，可以極大的改善計(jì)算收斂性，提高計(jì)算效率。

本方案搭建了現(xiàn)代化養(yǎng)殖豬舍內(nèi)通風(fēng)散熱性能評(píng)估系統(tǒng)APP，用來模擬冬季和夏季不同的通風(fēng)散熱措施對(duì)豬舍內(nèi)熱環(huán)境的影響情況。夏季時(shí)，在豬舍的正面和側(cè)面墻上均安置有冷卻水簾，空氣從此處進(jìn)入后被冷卻；通過后部墻上大小不等的風(fēng)機(jī)，將室內(nèi)的熱氣抽到室外。而冬季時(shí)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)和水簾，由豬舍上部的暖風(fēng)管提供暖氣，對(duì)內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行升溫。該APP可同時(shí)計(jì)算同一豬舍不同季節(jié)的通風(fēng)散熱性能，保證在不同的外界溫度時(shí)，可通過調(diào)整溫度和風(fēng)量參數(shù)來達(dá)到適合生豬生長的室內(nèi)溫度。圖3

養(yǎng)殖場模型示意圖1、仿真流程搭建1）參數(shù)化建模。建立養(yǎng)殖場所與內(nèi)部生豬和人員模型，將其關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)化。

圖4養(yǎng)殖場所參數(shù)化建模2）材料參數(shù)設(shè)定。為空氣、生豬和人體定義流體與傳熱屬性。圖5材料參數(shù)設(shè)定3）網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格四面體單元對(duì)流體部分與固體部分模型進(jìn)行離散化。圖6網(wǎng)格劃分4）流場邊界條件與求解參數(shù)設(shè)置。設(shè)置穩(wěn)態(tài)單相流，設(shè)置冬夏季入口流速、壓力與溫度，設(shè)置初始條件與計(jì)算控制參數(shù)以及耦合面。圖7流體求解參數(shù)與邊界條件設(shè)置5）熱邊界條件設(shè)置。設(shè)置生豬和工作人員發(fā)熱功率，外界環(huán)境，對(duì)流換熱邊界條件及穩(wěn)態(tài)求解設(shè)置。圖8熱模型邊界條件與求解設(shè)置參數(shù)定義6）耦合求解設(shè)置。設(shè)置耦合邊界與耦合方式，確定耦合時(shí)間步與保存輸出間隔。圖9耦合求解設(shè)置7）計(jì)算結(jié)果查看。分別查看溫度云圖、速度云圖和速度矢量分布。圖10結(jié)果云圖2、仿真APP封裝基于Simdroid平臺(tái)提供的仿真APP開發(fā)環(huán)境，通過選擇和鼠標(biāo)拖拽的方式搭建數(shù)字養(yǎng)殖APP界面，將養(yǎng)殖場所通風(fēng)散熱的分析過程進(jìn)行封裝，開發(fā)具有尺寸與設(shè)備選型設(shè)計(jì)、分析求解、結(jié)果查看完整過程的一體化仿真APP，如下圖所示。圖11仿真APP開發(fā)環(huán)境3、基于仿真APP的邊界與廠房設(shè)備選型設(shè)計(jì)下面基于數(shù)字養(yǎng)殖APP，計(jì)算冬季與夏季養(yǎng)殖場所內(nèi)各部分的溫度、生豬和人員的溫度舒適度、流速分布情況，并以此調(diào)整風(fēng)機(jī)與水簾等設(shè)備參數(shù)，優(yōu)化養(yǎng)殖廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)備選型。圖12養(yǎng)殖廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)備邊界選型也可根據(jù)養(yǎng)殖廠房內(nèi)生豬生長階段調(diào)整豬身尺寸、發(fā)熱量等參數(shù)，使得設(shè)備選型滿足不同生長階段生豬的適宜生長環(huán)境需求。圖13生豬尺寸設(shè)計(jì)三、數(shù)字養(yǎng)殖仿真APP應(yīng)用針對(duì)養(yǎng)豬環(huán)境仿真分析而開發(fā)設(shè)計(jì)的數(shù)字養(yǎng)殖仿真APP，旨在解決養(yǎng)殖房舍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及通風(fēng)方案經(jīng)濟(jì)性評(píng)估數(shù)據(jù)匱乏，監(jiān)測式養(yǎng)殖環(huán)境管理方法設(shè)備投入高且環(huán)境變化響應(yīng)可預(yù)測性低，豬只繁殖、生長及發(fā)育不同階段下的養(yǎng)殖環(huán)境控制精準(zhǔn)度不足，以及數(shù)字化養(yǎng)豬技術(shù)中仿真門檻高、操作復(fù)雜、優(yōu)化設(shè)計(jì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題。此APP解決方案不僅適用于數(shù)字化養(yǎng)豬業(yè)，也適用于所有涉及到室內(nèi)通風(fēng)換熱仿真分析的行業(yè)及場景。相比于依據(jù)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)對(duì)養(yǎng)殖場的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及對(duì)加熱和通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行選型，數(shù)字養(yǎng)殖仿真APP方案對(duì)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)依賴度更低，可在設(shè)計(jì)階段對(duì)養(yǎng)殖室內(nèi)的流場、溫度場進(jìn)行大方向的把控，建設(shè)成本更低且可控。在對(duì)已有養(yǎng)殖室內(nèi)的改造上，數(shù)字養(yǎng)殖仿真APP模擬得到的計(jì)算結(jié)果可以非常準(zhǔn)確地與實(shí)際測量值完成擬合。因此，使用數(shù)字養(yǎng)殖仿真APP可以快速、高效地完成養(yǎng)殖室內(nèi)流場、溫度場的預(yù)測與改進(jìn)工作，大幅度提升設(shè)計(jì)效率，降低建設(shè)成本，縮短建設(shè)周期。在線體驗(yàn)本APP，訪問Simapps。四、仿真APP助力千行百業(yè)相較于傳統(tǒng)CAE仿真軟件，基于Simdroid開發(fā)的仿真APP更加靈活易用，用戶可以零門檻低成本、跨平臺(tái)跨終端隨時(shí)隨地訪問云平臺(tái)進(jìn)行仿真分析工作，提升產(chǎn)品研發(fā)效率。同時(shí)，Simapps平臺(tái)也支持企業(yè)產(chǎn)商將仿真APP的在線計(jì)算界面內(nèi)嵌到官方網(wǎng)站產(chǎn)品宣傳頁，或?qū)⒎抡鍭PP的二維碼植入到產(chǎn)品介紹手冊(cè)，為需求端用戶展示產(chǎn)品的科學(xué)設(shè)計(jì)方式及產(chǎn)品性能，提供產(chǎn)品使用場景的仿真分析。仿真APP賦能每一個(gè)工業(yè)品，助力企業(yè)提升產(chǎn)品競爭力。五、關(guān)于Simdroid

Simdroid（中文名“伏圖”）是云道智造自主研發(fā)的通用多物理場仿真PaaS平臺(tái)，具備自主可控的隱式結(jié)構(gòu)、顯式動(dòng)力學(xué)、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動(dòng)力學(xué)等通用求解器，支持多物理場