自然通风猪舍外运动场气流速率测量的采样密度与位置影响研究：边界层风洞实验分析

推荐：为解决自然通风猪舍外运动场气流速率测量精度问题，研究人员通过边界层风洞实验，系统评估了采样密度、位置及风向对测量结果的影响。研究发现，网格状采样策略可确保误差<5%，且忽略开口边缘效应仍能获得可靠数据。该研究为畜牧建筑通风优化及污染物排放评估提供了重要方法学依据。

　　

在畜牧业中，自然通风猪舍因其节能和改善动物福利的特性被广泛应用，但传统设计往往缺乏对猪只自然行为（如排泄与休息区域分离）的考量。近年来，配备户外运动场的创新型猪舍设计逐渐兴起，这种设计不仅符合猪只行为学需求，还能通过增加活动空间和阳光接触提升动物健康水平。然而，这类建筑的通风系统评估面临独特挑战——运动场与室内区域的气流交换模式复杂，且现有研究多集中于常规封闭式猪舍，导致气流速率测量缺乏可靠标准。

为攻克这一难题，Xuefei Wu等人在《Biosystems Engineering》发表研究，首次通过大尺度边界层风洞实验，系统解析了采样策略对自然通风猪舍气流测量的影响。研究团队以1:50缩尺模型模拟真实猪舍（原型位于德国Wehnen），在四种风向条件下（0°、60°、120°、180°），采用激光多普勒测速仪（LDA）精确测量开口处（运动场开口Yard Opening和室内窗户Window）的三维风速分量。通过对比不同垂直/水平采样密度（Baseline至Level 1）、网格状采样策略及边缘效应的影响，揭示了气流分布规律与测量精度的关联。

关键技术方法包括：1）边界层风洞模拟农田风剖面，验证雷诺数独立性（u_∞≥10 m/s）；2）LDA多点测速（精度<0.1 mm）获取开口处u/v/w分量；3）基于有效开口面积（A）和归一化气流速率（Q）量化通风效率；4）方差分析（ANOVA）评估风向与采样密度的显著性。

研究结果分为四部分：

1. 1.

   运动场开口气流分布：垂直方向呈现加速上升趋势（CV=0.45-0.90），而水平方向在斜向风（60°）下出现双向流（CV=0.872）。窗口区域则表现为中心峰值流速，边缘递减的抛物线分布。

2. 2.

   采样密度影响：垂直方向需至少Level 3密度（5点）以控制误差<5%，而水平方向在双向流工况需更高密度（9 mm间隔）。网格状策略（如4×6点阵）在多数风向表现稳定。

3. 3.

   边缘效应：垂直侧壁的"墙效应"仅影响<5%总气流，可忽略；但顶部/底部边缘显著改变整体流速剖面。

4. 4.

   通风效率对比：运动场开口在0°和180°下的Q^*分别为0.690和0.511，窗口则为0.563和0.465，二者差异反映建筑朝向对通风的关键影响。

结论指出，该研究首次建立了适用于户外运动场猪舍的气流测量标准：网格状采样策略可平衡精度与成本，而忽略垂直边缘效应可行。这一成果不仅为同类建筑通风设计提供方法论支撑，还揭示了传统余弦定律（预测60°风向流量降为50%）在此类结构中的偏差现象——实际流量保留率达58-63%，暗示隔墙凸起可能增强斜向通风。未来需在真实农场验证该策略，并探索动态风况下的简化采样方案。

这项由德国莱布尼茨农业工程与生物经济研究所（ATB）主导的研究，将工程流体力学与畜牧环境学深度融合，为改善动物福利和减少氨排放等污染物提供了量化工具，对推动可持续畜牧业发展具有重要意义。