龔光彩陳盟君安珂慧劉激揚(yáng)石 星

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410082)

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物作為生物科學(xué)研究和發(fā)展的重要基礎(chǔ)和支撐條件,已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、毒理學(xué)等研究上有廣泛的應(yīng)用。為了獲取科學(xué)、可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),就需要避免外部環(huán)境對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的不利影響。恒溫動(dòng)物能在一定的溫度范圍內(nèi)很好地調(diào)節(jié)生理機(jī)能,但當(dāng)環(huán)境溫度超過臨界值影響生殖性能與生長發(fā)育[1-3]。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物被安置20℃～24℃空調(diào)環(huán)境中,是符合人類舒適區(qū)的溫度。而Gaskill等[4]的研究表明小鼠更愿意待在26℃～34℃的熱中性環(huán)境中。Helppi 等[5]發(fā)現(xiàn)28℃的環(huán)境溫度對小鼠的生殖健康沒有不利影響,表明實(shí)際運(yùn)行中可以使用比建議指標(biāo)中更高的環(huán)境溫度,還能在夏季降低空調(diào)設(shè)備的能耗。相對濕度影響動(dòng)物的呼吸系統(tǒng)、進(jìn)食及排便等,而且不同生長時(shí)期的動(dòng)物最佳濕度范圍也不同[6]。濕度太低促使大鼠患“環(huán)尾癥”[7]。濕度越高,實(shí)驗(yàn)兔類的腳皮炎癥發(fā)病率越高[8]。換氣次數(shù)增加有利于排出室內(nèi)污染物,也會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)氣流速度變大,由于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的體表面積與體重比值相對較大,其對風(fēng)速大小更加敏感,容易導(dǎo)致局部病變?nèi)缂安徽Ｃ撁玔9-10]。氨氣濃度會(huì)影響小鼠的繁殖率與生長速度,而且飼養(yǎng)密度和環(huán)境的溫度會(huì)影響氨氣的濃度,溫度升高不利于氨氣的溶解[11-12]。規(guī)范中對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施中的各項(xiàng)指標(biāo)主要是反映動(dòng)物房的大環(huán)境,而大多數(shù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(如實(shí)驗(yàn)兔、小白鼠)長期生活在空間小、非自然的籠架或者箱子中。相對于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房大環(huán)境,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)微環(huán)境指貼近動(dòng)物周圍、直接影響其飼養(yǎng)質(zhì)量的環(huán)境,更反映出實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的實(shí)際生活環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房內(nèi)有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行兩種狀態(tài),而靜態(tài)包括空態(tài)(無籠架態(tài))及非運(yùn)行態(tài)(無實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)態(tài))兩種狀態(tài)。靜態(tài)工況下的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房潔凈度容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求,而動(dòng)態(tài)下由于動(dòng)物活動(dòng)會(huì)引起毛發(fā)等污染物飛揚(yáng)[13]。畢波等[14]對某動(dòng)物屏障設(shè)施的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣潔凈度的動(dòng)態(tài)數(shù)值普遍高于靜態(tài)值。國標(biāo)中規(guī)定屏障環(huán)境下實(shí)驗(yàn)兔房中動(dòng)物籠具處的氣流速度不應(yīng)大于0.2 m/s,而何婧等[15]發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中的換氣次數(shù)在傳統(tǒng)上送下回的氣流組織形式下實(shí)現(xiàn)小于0.2 m/s 的可能性不大。安珂慧等[16]通過CFD 模擬不同換氣次數(shù)下的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房也發(fā)現(xiàn)動(dòng)物籠具前端出現(xiàn)大于規(guī)定氣流速度的位置,因此屏障環(huán)境中動(dòng)態(tài)運(yùn)行下的潔凈度要求不容易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)行的有關(guān)動(dòng)物環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了靜態(tài)工況下的參數(shù)指標(biāo),因此,本文研究旨在通過模擬分析實(shí)驗(yàn)兔飼養(yǎng)微環(huán)境動(dòng)態(tài)環(huán)境參數(shù),為完善我國面向動(dòng)物福利的動(dòng)態(tài)工況下的飼養(yǎng)微環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

SPF 級成年日本大耳兔雄性共24 只,12 周齡,體重2.2～2.5 kg,其購于湖南太平生物科技有限公司[SCXK(湘)2015-0004],飼養(yǎng)在長沙湖南遠(yuǎn)泰生物技術(shù)有限公司一間屏障實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房[SYXK(湘)2018-0003],分為兩個(gè)籠架干性飼養(yǎng),實(shí)驗(yàn)經(jīng)長沙湖南遠(yuǎn)泰生物技術(shù)有限公司實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心倫理委員會(huì)審批(20190021-29),按照3R 原則進(jìn)行飼養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)。

1.2 主要儀器

德國Testo 174H 型溫濕度自記儀,溫度測量范圍為-20℃～70℃,分辨率為0.1℃;濕度測量范圍為0～100%RH,分辨率為0.1%RH。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)對象

飼養(yǎng)間的氣流組織形式為非單向流,頂送四角回;送風(fēng)參數(shù)為溫度24℃,相對濕度60%;籠架幾何模型參考不銹鋼干養(yǎng)式實(shí)驗(yàn)兔籠(3 層×4=12)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房布置情況請參考表1,圖1。

表1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房詳細(xì)情況Table 1 Details of experimental animal rooms

圖1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房間布置圖Figure 1 Layout of the experimental animal room

1.3.2 實(shí)驗(yàn)兔表皮生物傳熱分析方法

為了簡化模型便于計(jì)算,本文生物傳熱研究主要對象為實(shí)驗(yàn)兔與周圍籠架微環(huán)境之間的傳熱傳濕。實(shí)驗(yàn)兔的毛發(fā)可以類比人體皮膚周圍的服裝熱阻,毛發(fā)可以增大皮膚熱阻減少與空氣的對流換熱,起到保溫作用。因此本文的實(shí)驗(yàn)兔皮膚傳熱模型參考人體對流換熱系數(shù),并考慮修正系數(shù)。國內(nèi)對覆蓋毛發(fā)的皮膚傳熱模型研究較少,Bejan[17]對生物傳熱模型進(jìn)行大量對流換熱研究:

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物皮膚表面被大量毛發(fā)垂直覆蓋,假設(shè)毛發(fā)密度為常數(shù),即:

其中毛發(fā)的分布密度n 是與皮膚表面上毛發(fā)的空隙度相關(guān)聯(lián)的,即:

對于毛發(fā)部分,相應(yīng)的能量方程即為傳統(tǒng)的肋片導(dǎo)熱方程[16]:

其中,Ks 為毛發(fā)熱導(dǎo)率,h 為周向傳熱系數(shù),二者均認(rèn)為常數(shù)。

在氣流空間內(nèi)有:

其中,ρCp和Ka分別為氣流熱容和熱導(dǎo)率,U 為氣流速度。而沿長度方向的導(dǎo)熱因較弱可忽略;nPs表示總接觸面積。在較靠近皮膚表面的地方,主要是皮膚與空氣對流傳熱,因而的可忽略;而在遠(yuǎn)離皮膚表面的部位,氣流可看做受毛發(fā)影響加熱,因而導(dǎo)熱項(xiàng)可忽略,即此時(shí),在y 方向氣流是等溫的。簡化后可計(jì)算出生理參數(shù)(如毛發(fā)直徑、密度等)對毛發(fā)換熱情況的規(guī)律。

1.3.3 污染源計(jì)算方法

動(dòng)物的尿液會(huì)向周圍環(huán)境進(jìn)行濕擴(kuò)散和氨擴(kuò)散。目前對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房的污染物研究中大多數(shù)是將籠架看成一個(gè)整體,并沒有將具體的污染源細(xì)化。本文為了進(jìn)一步研究微環(huán)境特性,將托盤作為實(shí)驗(yàn)兔房的唯一污染源。由于實(shí)驗(yàn)室中的籠架為干養(yǎng)式,因此托盤中的液體認(rèn)為全部是來自于實(shí)驗(yàn)兔的尿液,托盤作為自由液面向外散濕和散發(fā)氨氣。

1)濕邊界條件

根據(jù)前期初步對室內(nèi)的溫度場測量情況,因此在后續(xù)CFD 模擬中將托盤內(nèi)液體溫度定為28℃。液面散濕量公式采用以下公式[18]:

2)污染物邊界條件

目前關(guān)于實(shí)驗(yàn)兔氨氣排放量的研究較少,本文根據(jù)排放因子法[19]計(jì)算實(shí)驗(yàn)兔排放的糞尿計(jì)算氨氣量,一只實(shí)驗(yàn)兔飼養(yǎng)狀態(tài)下的散氨量約為0.007 mg/s。

1.3.4 CFD 模型建立

模型前期的網(wǎng)格建立及劃分前處理器ICEM 軟件,根據(jù)實(shí)際測量的幾何數(shù)據(jù)以及送風(fēng)參數(shù)建立幾何模型。根據(jù)上述方法計(jì)算,CFD 模型中計(jì)算采用的邊界條件為:

1)實(shí)際兔房四周壁面為絕熱壁面,且不產(chǎn)生滑移;

2)托盤作為污染源,散氨量根據(jù)計(jì)算m=0.007 mg/s;

3)籠具、托盤作為熱耦合面處理;

4)假定送、回風(fēng)口處的氣流均勻分布,且速度值的大小不變。

5)換氣次數(shù)為每小時(shí)15 次,送風(fēng)溫度取24℃,送風(fēng)相對濕度為60%。

6)實(shí)驗(yàn)兔邊界按照等溫體表處理,向周圍空氣散熱、散濕,溫度取39℃[20],散濕量的取值按照溫度為39℃時(shí)相對濕度為60%計(jì)算[21]。

2 結(jié)果

2.1 氣流組織分析

從圖2 和圖3 對比可知,加入實(shí)驗(yàn)兔后實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施大環(huán)境中沒有明顯變化,籠具內(nèi)部的氣流組織更加混亂。由圖3b 可知,在籠具內(nèi)部的微環(huán)境中,主要產(chǎn)生小漩渦的地方有貼近實(shí)驗(yàn)兔頸部周圍,實(shí)驗(yàn)兔上背部以及實(shí)驗(yàn)兔尾部與籠具、籠架與托盤之間的空間。由圖3c 可知,位于籠架第二、三層的實(shí)驗(yàn)兔在左右身側(cè)形成了一對氣流漩渦,結(jié)合圖3a 可知這一對漩渦位置在籠具的后上方,而且漩渦面積占據(jù)了籠具側(cè)面的3/4,這一對漩渦的存在將會(huì)嚴(yán)重阻礙實(shí)驗(yàn)兔與外界的對流傳熱,可能導(dǎo)致動(dòng)物飼養(yǎng)區(qū)出現(xiàn)局部高溫、高濕、污染物聚集的情況。

圖3 動(dòng)態(tài)工況下的氣流組織分布Figure 3 Air distribution under dynamic conditions

2.2 溫度場分析

整體來看,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的大體溫度流場與籠架周圍溫度場分布保持一致,但模擬發(fā)現(xiàn)籠架外圍存在大漩渦阻礙了熱質(zhì)交換,因此導(dǎo)致貼近籠架的周圍溫度達(dá)到26℃～27℃,明顯高于周邊溫度。屏障環(huán)境中實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)間溫度指標(biāo)為20℃～26℃,而在靠近實(shí)驗(yàn)兔的區(qū)域空氣溫度達(dá)到28℃。從圖4c 可知,位于籠架中、高層的實(shí)驗(yàn)兔在身體上方的部分空間溫度達(dá)到 28℃ ～30℃。圖4d 為 x=1.25 m 截面的溫度梯度分布,圖中底層實(shí)驗(yàn)兔的頭部及背部,第二、三層兔子的頭部、頸部下側(cè)及尾部和溫度梯度達(dá)到600。表明兔子周圍這些部位的有較大的熱流量。而關(guān)節(jié)部位長時(shí)間處于局部大溫度梯度、大熱流的情況,將會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)病變,詳見圖4。

為了研究微環(huán)境參數(shù)對實(shí)驗(yàn)兔的影響,選取了實(shí)驗(yàn)兔嘴部、頸部下方部位的6 個(gè)檢測點(diǎn),圖中監(jiān)測點(diǎn)布置在x=1.25 m 截面中兔子周圍,坐標(biāo)情況見表2。

由圖5 可知,第三層的實(shí)驗(yàn)兔頭部前端對應(yīng)的溫度梯度最高,且氣流速度達(dá)到0.03 m/s。與頂層和底層相比,位于中間層的實(shí)驗(yàn)兔頭部前端氣流速度相比較小,因此中間層實(shí)驗(yàn)兔頭部溫度梯度最小。最高層實(shí)驗(yàn)兔頸部下部速度達(dá)到0.03 m/s,對應(yīng)溫度梯度最大,中間層次之,底層最小。溫度梯度與氣流速度分布保持一致。

2.3 相對濕度分析

從圖6a 可知,圍繞籠具周圍出現(xiàn)相對濕度的等值線,濕度峰值靠近籠架后上方,在中心處最小,比周圍低了1.0%～2.0%,這一現(xiàn)象和氣流組織及溫度分布保持一致。對室內(nèi)大環(huán)境進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房大環(huán)境相對濕度保持60%,室內(nèi)散濕源對大環(huán)境影響不大。對籠具微環(huán)境進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)兔和托盤散發(fā)的水蒸氣在氣流的作用下聚集在在籠具后方上側(cè)壁面周圍,導(dǎo)致此處相對濕度偏高,最高達(dá)到了66%,濕度增加集中在實(shí)驗(yàn)兔和托盤液面附近,圖6b 顯示在籠具內(nèi)部相對濕度濕度卻比大環(huán)境低了1.0%～2.0%,這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)兔和托盤散濕引起相對濕度增大的程度低于實(shí)驗(yàn)兔對流傳熱引起的相對濕度變小的程度。參考圖6 d,頂層外側(cè)和第二三層籠具后壁面出現(xiàn)高濕情況,相對濕度在63%以上,室內(nèi)環(huán)境下,如果同一位置長期處于高濕環(huán)境下,有很大風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)壁面結(jié)露、長霉菌,籠具及托盤生銹等情況,詳見圖6。

表2 實(shí)驗(yàn)兔周圍監(jiān)測點(diǎn)布置情況Table 2 Arrangement of monitoring points around rabbits

圖4 動(dòng)態(tài)工況下的溫度場分布Figure 4 Temperature field distribution under dynamic conditions

2.4 氨氣濃度分析

結(jié)合圖7a 和圖7b,籠架內(nèi)部與外部大環(huán)境相比,整體氨氣濃度高了0.1 mg/m3,高氨氣濃度區(qū)域圍繞在中間層的實(shí)驗(yàn)兔尾部,氨氣濃度達(dá)到0.6 ～0.8 mg/m3,結(jié)合之前的氣流分布圖分析,氣流從第二層實(shí)驗(yàn)兔下面進(jìn)入籠具內(nèi)部,在實(shí)驗(yàn)兔尾部和籠具壁面之間的空間內(nèi)產(chǎn)生氣流漩渦,因此實(shí)驗(yàn)兔尾部氨氣濃度較高。從圖7c 送風(fēng)口截面分布圖可知,送風(fēng)氣流主流區(qū)域因氣流速度主導(dǎo)氨氣濃度很低,不大于0.1 mg/m3,而在其他區(qū)域氨氣濃度達(dá)到了0.3～0.4 mg/m3。除此之外,結(jié)合同一截面速度分布圖可知,由于漩渦的存在,籠架中間層第二、三個(gè)籠具之間的區(qū)域氨氣濃度比底層高,達(dá)到0.5～0.7 mg/m3。

圖5 x=1.25 m 截面中實(shí)驗(yàn)兔嘴部及頸部監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速值Figure 5 Wind speed values of rabbit mouth and neck monitoring points in x=1.25 m section

圖6 動(dòng)態(tài)工況下的相對濕度分布Figure 6 Relative humidity distribution under dynamic conditions

3 討論

對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的調(diào)控本質(zhì)上就是對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生活區(qū)域各項(xiàng)指標(biāo)的調(diào)控,使環(huán)境參數(shù)維持在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的舒適區(qū)內(nèi)[22],而實(shí)際上與實(shí)驗(yàn)動(dòng)物質(zhì)量密切相關(guān)的就是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)微環(huán)境因素?，F(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)對動(dòng)態(tài)運(yùn)行中的微環(huán)境指標(biāo)沒有明確規(guī)定,環(huán)境調(diào)控策略有待深入研究[23]。因此本文選擇根據(jù)實(shí)測工況通過CFD 方法將SPF 級實(shí)驗(yàn)兔房大環(huán)境與生活微環(huán)境結(jié)合分析,首次在模型中考慮重力因素并細(xì)化了熱源和污染源模型,采用了類比人體來計(jì)算實(shí)驗(yàn)兔的散熱量以及排放因子法計(jì)算排氨量的方法,并驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)兔等溫體表生物傳熱模型的適用性。

與靜態(tài)工況下的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房相比,加入實(shí)驗(yàn)兔之后的外部大環(huán)境變化不明顯,而籠架內(nèi)部微環(huán)境流場變得復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)兔兩側(cè)的空間以及籠具內(nèi)部兩頂角位置有較大的漩渦產(chǎn)生。局部漩渦的存在會(huì)嚴(yán)重影響熱量與污染物的擴(kuò)散,導(dǎo)致籠架環(huán)境溫度比大環(huán)境平均溫度高。由于氣流漩渦的產(chǎn)生以及籠架內(nèi)部框架布置情況,導(dǎo)致籠架內(nèi)部的熱質(zhì)聚集,部分位置環(huán)境溫度達(dá)到28℃～30℃大于指標(biāo)值,因此在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí),忽略籠架微環(huán)境和動(dòng)物的生物傳熱會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算結(jié)果的可靠性。為了保證動(dòng)物福利,獲取高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建議將動(dòng)態(tài)運(yùn)行下的飼養(yǎng)微環(huán)境成為評價(jià)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利與實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施的研究重點(diǎn)。

圖7 動(dòng)態(tài)工況下的氨氣濃度分布Figure 7 Ammonia concentration distribution under dynamic conditions