軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 李鵬輝 張宗興 徐新喜

0 引言

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是生命科學(xué)研究中不可或缺的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。其中，非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物與人類基因組同源性高，生理解剖、神經(jīng)系統(tǒng)也與人類有著極高的相似性，因此被認(rèn)為是理想動(dòng)物模型[1]。由于非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物好動(dòng)、聰明且具有攻擊性，導(dǎo)致開展非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物染疫實(shí)驗(yàn)活動(dòng)時(shí)感染及泄漏風(fēng)險(xiǎn)更高。而我國(guó)目前生產(chǎn)和使用的猴隔離器主要用于非染疫動(dòng)物的飼養(yǎng)，不能完全滿足開展非人靈長(zhǎng)類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物高致病性病原微生物感染、飼養(yǎng)等操作的生物安全要求。為此，軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所研制了一種操作方便、生物安全性高的生物安全型猴負(fù)壓隔離裝置[2]，該裝置隔離箱內(nèi)設(shè)有多個(gè)籠具，可同時(shí)滿足多只非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的感染、飼養(yǎng)等隔離操作。

多籠具隔離器送風(fēng)方式多為集中送風(fēng)，過濾后的新鮮空氣經(jīng)送風(fēng)管道分配至各籠具，各籠具送風(fēng)量受送風(fēng)結(jié)構(gòu)影響較大。多籠具隔離器中各籠具內(nèi)送風(fēng)量的一致性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，籠具間送風(fēng)量差異過大會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)量較少的籠具換氣不足，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物新陳代謝產(chǎn)生的臭味、灰塵和傳染性物質(zhì)等無法及時(shí)排除，影響實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生存環(huán)境，同時(shí)也加大了有毒有害氣體的外泄風(fēng)險(xiǎn)，并極大降低動(dòng)物福利。而送風(fēng)量大的籠具則存在風(fēng)速過大等問題，會(huì)降低實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的舒適性[3-4]。采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)生物安全設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是近些年的研究重點(diǎn)之一，但現(xiàn)行研究大多關(guān)注設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)分布，研究對(duì)象也以生物安全柜居多[5-9]，多籠具隔離飼養(yǎng)設(shè)備送風(fēng)量一致性問題的相關(guān)研究則鮮有報(bào)道。為此，本文基于猴負(fù)壓隔離器的送風(fēng)結(jié)構(gòu)建立了計(jì)算機(jī)模型，采用數(shù)值模擬方法對(duì)其送風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，為該裝置的后續(xù)升級(jí)換代和其他多籠具隔離器送風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論支撐和參考借鑒。

1 模型與方法

1.1 猴負(fù)壓隔離器結(jié)構(gòu)與氣流組織

如圖1所示，猴負(fù)壓隔離器主要由箱體、猴籠、通風(fēng)過濾系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、照明、控制系統(tǒng)等組成。箱體由4個(gè)獨(dú)立的猴室組成，這些箱室由不銹鋼板分開，相互獨(dú)立，每個(gè)箱室配備一個(gè)猴隔離籠。每個(gè)猴室設(shè)置有獨(dú)立平開門，并且內(nèi)部設(shè)置有2扇平滑門。送風(fēng)系統(tǒng)前端設(shè)有溫度加熱模塊，排風(fēng)系統(tǒng)處設(shè)有溫度傳感器，可對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度控制，設(shè)備送排風(fēng)及控制系統(tǒng)全部在頂部，左側(cè)為送風(fēng)過濾系統(tǒng)，右側(cè)為排風(fēng)過濾系統(tǒng)，均有獨(dú)立風(fēng)機(jī)控制。

圖2顯示了猴負(fù)壓隔離器氣流組織，環(huán)境空氣依靠送風(fēng)系統(tǒng)送入猴負(fù)壓隔離器，加熱裝置將吸入的環(huán)境空氣加熱到設(shè)定溫度值，經(jīng)過加熱的空氣通過送風(fēng)高效過濾器過濾后再送入隔離器中間的豎直送風(fēng)分配管道，豎直送風(fēng)分配管道兩側(cè)各設(shè)置一列送風(fēng)射流孔，處理后的空氣經(jīng)送風(fēng)孔進(jìn)入外門和內(nèi)平滑玻璃門之間并得到減速和緩沖，在平滑玻璃門遠(yuǎn)離中間的一側(cè)設(shè)置有進(jìn)氣口，吹入外門和內(nèi)平滑玻璃門之間的經(jīng)過減速的氣體經(jīng)由進(jìn)氣口分配給各籠具，設(shè)備運(yùn)行期間籠具內(nèi)穩(wěn)定維持在-20 Pa左右。猴負(fù)壓隔離器內(nèi)空氣依靠排風(fēng)系統(tǒng)排出隔離器，并通過管道排至室外。隔離器后部為排風(fēng)靜壓箱，粗效過濾器安裝在各籠具背部靜壓箱的排風(fēng)口上，排風(fēng)經(jīng)過粗效過濾器過濾后通過靜壓箱排至排風(fēng)高效過濾器，然后通過排風(fēng)機(jī)排至隔離器外。送風(fēng)高效過濾器和加熱裝置能有效保證進(jìn)入籠具內(nèi)空氣的潔凈性和舒適性，排風(fēng)粗效、高效過濾器及籠具內(nèi)維持負(fù)壓的設(shè)計(jì)能有效防止細(xì)菌、病毒或其他高危感染物質(zhì)的泄漏和擴(kuò)散。

圖2 猴負(fù)壓隔離器氣流組織

1.2 送風(fēng)模型

如圖3所示，經(jīng)過加熱、過濾后的空氣由送風(fēng)管道頂端平面進(jìn)入送風(fēng)管，經(jīng)各送風(fēng)孔排出，進(jìn)入各籠具外門和內(nèi)平滑玻璃門之間，然后經(jīng)由外門和內(nèi)平滑玻璃門之間的進(jìn)氣口分配給各籠具。由于豎直送風(fēng)分配管道截面小(100 mm×50 mm矩形截面)、長(zhǎng)度長(zhǎng)(1 900 mm)，易導(dǎo)致上下猴室送風(fēng)不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致上下籠具的送風(fēng)量出現(xiàn)較大差別，故需要通過在上下兩半部分分別開不同孔徑的送風(fēng)孔進(jìn)行風(fēng)量控制，以保證各籠具送風(fēng)量一致。本研究以圖2送風(fēng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用SolidWorks建立了圖3所示的送風(fēng)模型，該送風(fēng)模型以送風(fēng)管為主體，送風(fēng)孔沿管道豎向分布，每個(gè)籠具均有10個(gè)送風(fēng)孔，上層籠具(籠具1、2)送風(fēng)孔直徑均為16 mm，下層籠具(籠具3、4)送風(fēng)孔直徑均為12 mm。

圖3 猴負(fù)壓隔離裝置送風(fēng)模型

1.3 邊界條件

采用ICEM 2019對(duì)圖3送風(fēng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格最小質(zhì)量為0.56，可以進(jìn)行仿真計(jì)算。將圖3送風(fēng)管道頂端平面作為速度入口，速度方向垂直該平面，速度大小由猴隔離器氣體換氣次數(shù)決定，各送風(fēng)孔為壓力出口，壓力值與猴隔離器工作狀態(tài)下壓力值一致，取-20 Pa。該隔離器氣體換氣次數(shù)為20～50 h-1，各籠具體積一致，約為0.8 m3，由此可計(jì)算得換氣次數(shù)分別為20、30、40、50 h-1時(shí)，模型入口速度分別對(duì)應(yīng)為3.50、5.25、7.00、8.25 m/s。

1.4 研究方法

采用Fluent 2019對(duì)送風(fēng)模型加載邊界條件，進(jìn)而計(jì)算出各籠具送風(fēng)孔平均速度vn(n=1～4，分別代表籠具1～4，下同)，則各籠具送風(fēng)量Vn(每個(gè)籠具均有10個(gè)送風(fēng)孔)為

式中 Dn為各籠具送風(fēng)孔直徑。

如前所述，送風(fēng)量一致性是多籠具隔離器的重要指標(biāo)之一。為此，以籠具1送風(fēng)量V1為基準(zhǔn)定義送風(fēng)系數(shù)αn：

將αn作為通風(fēng)量一致性判斷參數(shù)：若各籠具送風(fēng)系數(shù)均滿足0.9≤αn≤1.1，則認(rèn)為各籠具送風(fēng)量一致，否則，需對(duì)送風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后重復(fù)進(jìn)行仿真計(jì)算，直至各籠具送風(fēng)系數(shù)均滿足要求。具體優(yōu)化研究路線如圖4所示。

圖4 送風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究路線

為驗(yàn)證上述數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，在該猴負(fù)壓隔離裝置換氣次數(shù)為20h-1時(shí)，對(duì)各籠具送風(fēng)速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。測(cè)量時(shí)，在各送風(fēng)孔分別取樣5次，取平均值作為對(duì)應(yīng)送風(fēng)孔的送風(fēng)速度。之后，對(duì)比相同工況下各籠具進(jìn)氣孔速度的仿真結(jié)果，進(jìn)行仿真方法的準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

2 研究結(jié)果

2.1 進(jìn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在送風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究過程中，共涉及3種不同送風(fēng)孔直徑的送風(fēng)結(jié)構(gòu)：16-16送風(fēng)結(jié)構(gòu)，上層直徑16 mm、下層直徑16 mm；16-14送風(fēng)結(jié)構(gòu)，上層直徑16 mm、下層直徑14 mm；16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)，上層直徑16 mm、下層直徑12 mm。不同換氣次數(shù)下，3種送風(fēng)結(jié)構(gòu)中各籠具送風(fēng)系數(shù)如圖5～7所示。

圖5 不同換氣次數(shù)下，16-16送風(fēng)結(jié)構(gòu)各籠具送風(fēng)系數(shù)

由圖5可知，當(dāng)換氣次數(shù)不同時(shí)，16-16送風(fēng)結(jié)構(gòu)中籠具1～4送風(fēng)系數(shù)極差值分別為0、0.003、0.081和0.044，可以認(rèn)為換氣次數(shù)對(duì)16-16送風(fēng)結(jié)構(gòu)中各籠具送風(fēng)系數(shù)基本無影響?；\具1～4送風(fēng)系數(shù)平均值分別為1、0.998、1.260和1.277，可以看出，籠具1與籠具2、籠具3與籠具4送風(fēng)系數(shù)基本一致，即同層籠具(同為上層或下層，下同)送風(fēng)系數(shù)一致，而下層籠具送風(fēng)系數(shù)較大，約為上層籠具的125%。

由圖6可知，當(dāng)換氣次數(shù)不同時(shí)，16-14送風(fēng)結(jié)構(gòu)中籠具1～4送風(fēng)系數(shù)極差值分別為0、0.023、0.034和0.052，可以認(rèn)為換氣次數(shù)對(duì)16-14送風(fēng)結(jié)構(gòu)中各籠具送風(fēng)系數(shù)基本無影響。籠具1～4送風(fēng)系數(shù)平均值分別為1、1.002、0.959和0.953，由此可以看出，籠具1與籠具2、籠具3與籠具4送風(fēng)系數(shù)基本一致，即同層籠具送風(fēng)系數(shù)一致，而下層籠具送風(fēng)系數(shù)稍小，約為上層籠具的95%。

圖6 不同換氣次數(shù)下，16-14送風(fēng)結(jié)構(gòu)各籠具送風(fēng)系數(shù)

由圖7可知，當(dāng)換氣次數(shù)不同時(shí)，16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)中籠具1～4送風(fēng)系數(shù)極差值分別為0、0.002、0.013 和0.017，可以認(rèn)為換氣次數(shù)對(duì)16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)中各籠具送風(fēng)系數(shù)基本無影響?；\具1～4送風(fēng)系數(shù)平均值分別為1、0.998、0.672和0.675，由此可以看出，籠具1與籠具2、籠具3與籠具4送風(fēng)系數(shù)基本一致，即同層籠具送風(fēng)系數(shù)一致，而下層籠具送風(fēng)系數(shù)較小，約為上層籠具的67%。

圖7 不同換氣次數(shù)下，16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)各籠具送風(fēng)系數(shù)

2.2 仿真結(jié)果驗(yàn)證

如前所述，該猴負(fù)壓隔離裝置上層籠具送風(fēng)孔直徑均為16 mm，下層籠具送風(fēng)孔直徑均為12 mm，為16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得換氣次數(shù)20 h-1下，16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)中各籠具送風(fēng)速度平均值如表1所示。

表1 換氣次數(shù)20 h-1下，16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)送風(fēng)速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

相同通風(fēng)條件下，16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)各籠具送風(fēng)速度仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖8 20 h-1換氣次數(shù)下，16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)各籠具送風(fēng)速度仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖8可知，籠具1～4送風(fēng)速度極差值分別為0.029、0.059、0.037、0.044 m/s，可以認(rèn)為各籠具送風(fēng)速度仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3 討論

本研究對(duì)送風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的迭代過程共采用了3種不同送風(fēng)結(jié)構(gòu)。為與猴負(fù)壓隔離裝置尺寸保持一致，首先采用了16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)籠具3、4送風(fēng)系數(shù)小于設(shè)計(jì)要求。之后，按照?qǐng)D4送風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究路線，增大下層籠具送風(fēng)孔直徑至16 mm，構(gòu)建了16-16送風(fēng)結(jié)構(gòu)后再次進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)籠具3、4送風(fēng)系數(shù)大于設(shè)計(jì)要求。之后，再次調(diào)整下層籠具送風(fēng)孔直徑至14 mm，構(gòu)建了16-14送風(fēng)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，各籠具送風(fēng)系數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，為本次研究的優(yōu)化結(jié)果。

綜合圖5～7可知，籠具送風(fēng)系數(shù)基本不受換氣次數(shù)影響，因此在設(shè)計(jì)優(yōu)化送風(fēng)結(jié)構(gòu)時(shí)可以不用考慮換氣次數(shù)的影響?；\間送風(fēng)系數(shù)差異方面，同層籠具送風(fēng)系數(shù)基本保持一致，這是因?yàn)橥瑢踊\具送風(fēng)孔分布對(duì)稱，因而送風(fēng)量基本一致。層間送風(fēng)系數(shù)差異則受送風(fēng)孔直徑影響較大。結(jié)果表明：隨著下層籠具送風(fēng)孔直徑的減小，下層籠具送風(fēng)系數(shù)呈遞減趨勢(shì)。圖9顯示了不同送風(fēng)結(jié)構(gòu)中各籠具送風(fēng)速度，可以看出，下層籠具送風(fēng)速度較大。這是因?yàn)?，送風(fēng)管道末端封閉，流體進(jìn)入送風(fēng)管道后會(huì)在末端聚集，形成高壓區(qū)，流體運(yùn)動(dòng)速度加快，因而上下送風(fēng)孔直徑一致時(shí)(16-16送風(fēng)結(jié)構(gòu))，下層送風(fēng)速度較大，送風(fēng)孔面積一致，因此下層籠具送風(fēng)量較上層大。隨著下層籠具送風(fēng)孔直徑的減小，各籠具送風(fēng)速度均呈現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì)，上層籠具送風(fēng)量增大。而下層送風(fēng)量則相反，這是因?yàn)樗惋L(fēng)孔面積與孔徑二次冪成正比，孔徑減小對(duì)送風(fēng)量的影響起主導(dǎo)作用，加之送風(fēng)速度增量不大，因此孔徑減小反而使下層籠具送風(fēng)量減小。即下層籠具孔徑減小時(shí)，上層送風(fēng)量增大，下層送風(fēng)量減小。因此，下層送風(fēng)孔直徑調(diào)整為14 mm(16-14送風(fēng)結(jié)構(gòu))時(shí)，上層籠具送風(fēng)量增大，下層籠具送風(fēng)量減小，各籠具送風(fēng)量保持一致。然而，進(jìn)一步縮小下層送風(fēng)孔直徑(16-12送風(fēng)結(jié)構(gòu))時(shí)，上層籠具送風(fēng)量繼續(xù)增大，下層籠具送風(fēng)量進(jìn)一步減小，上層籠具送風(fēng)量則較下層大，呈現(xiàn)出圖5～7中的變化趨勢(shì)。

圖9 不同送風(fēng)結(jié)構(gòu)中各籠具送風(fēng)速度

對(duì)比研究了換氣次數(shù)為20 h-1時(shí)仿真和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，并未對(duì)其他換氣次數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。這是因?yàn)椋阂粍t該隔離器正常運(yùn)行時(shí)換氣次數(shù)為20 h-1，其他換氣次數(shù)采用較少；二則由前文仿真研究結(jié)果可知，換氣次數(shù)對(duì)各籠具送風(fēng)量基本無影響。因此，雖然論證部分僅對(duì)比研究了換氣次數(shù)為20 h-1時(shí)仿真和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，其結(jié)果的一致性依然能夠很好地說明本研究采用的仿真方法的準(zhǔn)確性。此外，該部分也未對(duì)16-16、16-14送風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究。這是因?yàn)?，該猴?fù)壓隔離裝置送風(fēng)孔直徑為設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而得，尺寸固定無法更改，因而無法對(duì)其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究，其他結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究將在該裝置升級(jí)換代采用新送風(fēng)結(jié)構(gòu)后進(jìn)一步進(jìn)行。

由表1可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)得換氣次數(shù)為20 h-1時(shí)各送風(fēng)孔空氣速度約為3 m/s，若該氣流直接進(jìn)入各籠具，會(huì)影響籠具內(nèi)動(dòng)物舒適性(如體溫快速降低和動(dòng)物躲避行為等)，因此該隔離器設(shè)置了外門和內(nèi)平滑玻璃門，兩者之間有一定空間，形成進(jìn)氣緩沖區(qū)，處理后的空氣經(jīng)送風(fēng)孔進(jìn)入外門和內(nèi)平滑玻璃門之間后能得到減速和緩沖，然后再經(jīng)由進(jìn)氣口分配給各籠具。經(jīng)測(cè)量，空氣經(jīng)過緩沖后，在各籠具內(nèi)平均速度均小于1 m/s，很好地保證了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物小環(huán)境穩(wěn)定的舒適性。

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，研究了不同送風(fēng)結(jié)構(gòu)中籠具間送風(fēng)差異及影響因素，對(duì)猴負(fù)壓隔離裝置送風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，結(jié)果表明：1) 換氣次數(shù)對(duì)籠間送風(fēng)一致性影響較小，在優(yōu)化送風(fēng)結(jié)構(gòu)時(shí)可以不用考慮；2) 同層籠具送風(fēng)孔分布對(duì)稱時(shí)，送風(fēng)量基本一致；3) 層間籠具送風(fēng)差異主要受送風(fēng)孔直徑影響，上下層籠具送風(fēng)孔直徑分別采用16、14 mm時(shí)，各籠具送風(fēng)量具有較好一致性。

本研究中采用的送風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和技術(shù)分析路線，不僅能為該猴隔離器的后續(xù)升級(jí)換代提供技術(shù)支持，也能為其他多籠具隔離、飼養(yǎng)設(shè)備送風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考借鑒。