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。如豬臉識別、基因選配、生物安全、智能養(yǎng)豬平臺、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。

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。但是樓房聚落式的養(yǎng)殖場在設(shè)計過程中具有系統(tǒng)復(fù)雜程度高、設(shè)計建設(shè)經(jīng)驗少、改動成本大、需要綜合考慮的因素繁雜等困難，對養(yǎng)殖場的暖通設(shè)計人員提出了很高的要求。

圖 2 養(yǎng)殖模式的升級

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)散熱問題提供了強有力的解決工具。通過對養(yǎng)殖場進行幾何建模，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。通過對不同條件的計算結(jié)果對比，就可以得到在養(yǎng)殖場設(shè)計問題上需要的關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)，如：設(shè)備選型、通風(fēng)散熱的參數(shù)等。總的來說，數(shù)值模擬技術(shù)可以減輕甚至擺脫設(shè)計經(jīng)驗的依賴，減少建設(shè)成本，提升養(yǎng)殖場的設(shè)計效率。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，對設(shè)計人員的專業(yè)能力要求較高。而基于自主通用的多物理場仿真平臺Simdroid無代碼化封裝的仿真APP，可以快速實現(xiàn)養(yǎng)殖場環(huán)境的通風(fēng)散熱設(shè)計與分析，大大降低了設(shè)計人員的技術(shù)門檻，提高了設(shè)計效率，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養(yǎng)殖廠房內(nèi)的流動與傳熱現(xiàn)象進行耦合求解。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)方式進行擴散；在流體與固體界面，熱量傳遞主要以熱對流為主。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)，可以極大的改善計算收斂性，提高計算效率。

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)散熱措施對豬舍內(nèi)熱環(huán)境的影響情況。夏季時，在豬舍的正面和側(cè)面墻上均安置有冷卻水簾，空氣從此處進入后被冷卻；通過后部墻上大小不等的風(fēng)機，將室內(nèi)的熱氣抽到室外。而冬季時，關(guān)閉風(fēng)機和水簾，由豬舍上部的暖風(fēng)管提供暖氣，對內(nèi)部環(huán)境進行升溫。該APP可同時計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，可通過調(diào)整溫度和風(fēng)量參數(shù)來達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)格四面體單元對流體部分與固體部分模型進行離散化。

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，確定耦合時間步與保存輸出間隔。

圖 9 耦合求解設(shè)置

7）計算結(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)散熱的分析過程進行封裝，開發(fā)具有尺寸與設(shè)備選型設(shè)計、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

下面基于數(shù)字養(yǎng)殖APP，計算冬季與夏季養(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)計與設(shè)備選型。

圖 12 養(yǎng)殖廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計與設(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

三、數(shù)字養(yǎng)殖仿真APP應(yīng)用

針對養(yǎng)豬環(huán)境仿真分析而開發(fā)設(shè)計的數(shù)字養(yǎng)殖仿真APP ，旨在解決養(yǎng)殖房舍結(jié)構(gòu)設(shè)計及通風(fēng)方案經(jīng)濟性評估數(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)計費時費力等問題。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)計人員經(jīng)驗對養(yǎng)殖場的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及對加熱和通風(fēng)設(shè)備進行選型，數(shù)字養(yǎng)殖仿真APP 方案對于設(shè)計人員的經(jīng)驗依賴度更低，可在設(shè)計階段對養(yǎng)殖室內(nèi)的流場、溫度場進行大方向的把控，建設(shè)成本更低且可控。在對已有養(yǎng)殖室內(nèi)的改造上，數(shù)字養(yǎng)殖仿真APP 模擬得到的計算結(jié)果可以非常準(zhǔn)確地與實際測量值完成擬合。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)測與改進工作，大幅度提升設(shè)計效率，降低建設(shè)成本，縮短建設(shè)周期。立即體驗：https://www.simapps.com/v2/engineering-app/all/180950

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、跨平臺跨終端隨時隨地訪問云平臺進行仿真分析工作，提升產(chǎn)品研發(fā)效率。

同時，Simapps平臺也支持企業(yè)產(chǎn)商將仿真APP的在線計算界面內(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，為需求端用戶展示產(chǎn)品的科學(xué)設(shè)計方式及產(chǎn)品性能，提供產(chǎn)品使用場景的仿真分析。仿真APP賦能每一個工業(yè)品，助力企業(yè)提升產(chǎn)品競爭力。

五、關(guān)于Simdroid

Simdroid 是云道智造自主研發(fā)的通用多物理場仿真平臺，具備自主可控的隱式結(jié)構(gòu)、顯式動力學(xué)、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動力學(xué)等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統(tǒng)一友好的環(huán)境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內(nèi)置的APP開發(fā)器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數(shù)化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為可復(fù)用的仿真APP。歡迎使用Simdroid平臺開發(fā)（定制）屬于您自己的仿真APP，試用下載：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid