数字养殖通风散热仿真APP助力科学养殖

IBEsim

一、背景介绍
中国人自古以来就喜欢吃猪肉，当前全球一半生猪产量在中国。随着科学技术的发展，不仅养猪的规模化程度逐渐提高，养猪的科技水平也在不断提升。如猪脸识别、基因选配、生物安全、智能养猪平台、集群式楼房智能化猪场等等，借助这些高科技手段，显著提高了生猪的存活率与产肉量，为养殖企业增加了丰厚的经济效益。

图 1 高科技养猪手段

生猪的生长环境是影响产量的一个非常重要因素。常见的家庭式养殖，猪圈非常简陋，保温靠棚、散热靠自然通风，猪的生长环境非常恶劣；稍具规模的养殖场，生猪不用生活在露天环境下，但养殖场的通风散热靠的仍然是门窗的被动散热。随着集群式养猪场的出现，一栋楼房内养着成千上万头生猪，其通风散热方式已经从“随风而定”变为了“人工调节”：通过设计部署的暖气空调可以精准调节室内温度，让养殖场环境温度保持在生猪的最佳生长点。


当前的楼房养猪属于第四代养猪模式，相比于之前的几种养殖厂房类型，具有专业环控、精准调控、保障生猪健康、能耗低等优点。但是楼房聚落式的养殖场在设计过程中具有系统复杂程度高、设计建设经验少、改动成本大、需要综合考虑的因素繁杂等困难，对养殖场的暖通设计人员提出了很高的要求。

图 2 养殖模式的升级

二、仿真APP解决方案
数值模拟技术的应用为解决养殖场的通风散热问题提供了强有力的解决工具。通过对养殖场进行几何建模，输入相关材料与边界参数，通过相关的CFD算法计算，就可以得到养殖场内的温度和速度变化情况。通过对不同条件的计算结果对比，就可以得到在养殖场设计问题上需要的关键参考数据，如：设备选型、通风散热的参数等。总的来说，数值模拟技术可以减轻甚至摆脱设计经验的依赖，减少建设成本，提升养殖场的设计效率。目前，CFD技术在养殖行业的应用具有较高的技术门槛，对设计人员的专业能力要求较高。而基于自主通用的多物理场仿真平台Simdroid无代码化封装的仿真APP，可以快速实现养殖场环境的通风散热设计与分析，大大降低了设计人员的技术门槛，提高了设计效率，可以“自主可控”地改善生猪的生长环境。


采用共轭传热的方式对养殖厂房内的流动与传热现象进行耦合求解。在生猪、养殖人员、建筑材料等固体内部，热量主要以热传导方式进行扩散；在流体与固体界面，热量传递主要以热对流为主。在流体与固体的交界面上，温度场和热通量在交界面处连续。在靠近固体处，由于温度与流动边界层的存在，流体温度与固体温度接近；在远离界面处，流体温度接近周围流体的温度。针对养殖厂房复杂模型的共轭传热分析，合理的模型设置、边界和求解参数，可以极大的改善计算收敛性，提高计算效率。



本方案搭建了现代化养殖猪舍内通风散热性能评估系统APP，用来模拟冬季和夏季不同的通风散热措施对猪舍内热环境的影响情况。夏季时，在猪舍的正面和侧面墙上均安置有冷却水帘，空气从此处进入后被冷却；通过后部墙上大小不等的风机，将室内的热气抽到室外。而冬季时，关闭风机和水帘，由猪舍上部的暖风管提供暖气，对内部环境进行升温。该APP可同时计算同一猪舍不同季节的通风散热性能，保证在不同的外界温度时，可通过调整温度和风量参数来达到适合生猪生长的室内温度。

图 3  养殖场模型 示意图

1、仿真流程搭建
1）参数化建模。建立养殖场所与内部生猪和人员模型，将其关键设计尺寸参数化。

图 4 养殖场所参数化建模

2）材料参数设定。为空气、生猪和人体定义流体与传热属性。

图 5 材料参数设定

3）网格划分。采用非结构网格四面体单元对流体部分与固体部分模型进行离散化。

图 6 网格划分

4）流场边界条件与求解参数设置。设置稳态单相流，设置冬夏季入口流速、压力与温度，设置初始条件与计算控制参数以及耦合面。

图 7 流体求解参数与边界条件设置

5）热边界条件设置。设置生猪和工作人员发热功率，外界环境，对流换热边界条件及稳态求解设置。

图 8 热模型边界条件与求解设置参数定义

6）耦合求解设置。设置耦合边界与耦合方式，确定耦合时间步与保存输出间隔。

图 9 耦合求解设置

7）计算结果查看。分别查看温度云图、速度云图和速度矢量分布。

图 10 结果云图

2、仿真APP封装
基于Simdroid平台提供的仿真APP开发环境，通过选择和鼠标拖拽的方式搭建数字养殖APP界面，将养殖场所通风散热的分析过程进行封装，开发具有尺寸与设备选型设计、分析求解、结果查看完整过程的一体化仿真APP，如下图所示。

图 11 仿真APP开发环境

3、基于仿真APP的边界与厂房设备选型设计
下面基于数字养殖APP，计算冬季与夏季养殖场所内各部分的温度、生猪和人员的温度舒适度、流速分布情况，并以此调整风机与水帘等设备参数，优化养殖厂房结构设计与设备选型。

图 12 养殖厂房结构设计与设备边界选型

也可根据养殖厂房内生猪生长阶段调整猪身尺寸、发热量等参数，使得设备选型满足不同生长阶段生猪的适宜生长环境需求。

图 13 生猪尺寸设计

三、数字养殖仿真APP应用
针对养猪环境仿真分析而开发设计的数字养殖仿真APP ，旨在解决养殖房舍结构设计及通风方案经济性评估数据匮乏，监测式养殖环境管理方法设备投入高且环境变化响应可预测性低，猪只繁殖、生长及发育不同阶段下的养殖环境控制精准度不足，以及数字化养猪技术中仿真门槛高、操作复杂、优化设计费时费力等问题。此APP解决方案不仅适用于数字化养猪业，也适用于所有涉及到室内通风换热仿真分析的行业及场景。


相比于依据设计人员经验对养殖场的结构设计以及对加热和通风设备进行选型，数字养殖仿真APP 方案对于设计人员的经验依赖度更低，可在设计阶段对养殖室内的流场、温度场进行大方向的把控，建设成本更低且可控。在对已有养殖室内的改造上，数字养殖仿真APP 模拟得到的计算结果可以非常准确地与实际测量值完成拟合。因此，使用数字养殖仿真APP 可以快速、高效地完成养殖室内流场、温度场的预测与改进工作，大幅度提升设计效率，降低建设成本，缩短建设周期。立即体验：https://www.simapps.com/v2/engineering-app/all/180950

四、仿真APP助力千行百业
相较于传统CAE仿真软件，基于Simdroid开发的仿真APP更加灵活易用，用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地访问云平台进行仿真分析工作，提升产品研发效率。


同时，Simapps平台也支持企业产商将仿真APP的在线计算界面内嵌到官方网站产品宣传页，或将仿真APP的二维码植入到产品介绍手册，为需求端用户展示产品的科学设计方式及产品性能，提供产品使用场景的仿真分析。仿真APP赋能每一个工业品，助力企业提升产品竞争力。

五、关于Simdroid

Simdroid（中文名“伏图”）是云道智造自主研发的通用多物理场仿真PaaS平台，具备自主可控的隐式结构、显式动力学、流体、热、低频电磁、高频电磁、多体动力学等通用求解器，支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时，作为仿真PaaS平台，其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。欢迎使用Simdroid平台开发（定制）属于您自己的仿真APP：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid