多籠具猴負壓隔離器送風結構優化*

軍事科學院系統工程研究院 李鵬輝 張宗興 徐新喜

0 引言

實驗動物是生命科學研究中不可或缺的實驗對象。其中，非人靈長類動物與人類基因組同源性高，生理解剖、神經系統也與人類有著極高的相似性，因此被認為是理想動物模型[1]。由于非人靈長類動物好動、聰明且具有攻擊性，導致開展非人靈長類動物染疫實驗活動時感染及泄漏風險更高。而我國目前生產和使用的猴隔離器主要用于非染疫動物的飼養，不能完全滿足開展非人靈長類實驗動物高致病性病原微生物感染、飼養等操作的生物安全要求。為此，軍事科學院系統工程研究院衛勤保障技術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壓隔離裝置[2]，該裝置隔離箱內設有多個籠具，可同時滿足多只非人靈長類動物的感染、飼養等隔離操作。

多籠具隔離器送風方式多為集中送風，過濾后的新鮮空氣經送風管道分配至各籠具，各籠具送風量受送風結構影響較大。多籠具隔離器中各籠具內送風量的一致性是重要設計指標之一，籠具間送風量差異過大會導致送風量較少的籠具換氣不足，實驗動物新陳代謝產生的臭味、灰塵和傳染性物質等無法及時排除，影響實驗動物生存環境，同時也加大了有毒有害氣體的外泄風險，并極大降低動物福利。而送風量大的籠具則存在風速過大等問題，會降低實驗動物飼養環境的舒適性[3-4]。采用計算機數值模擬技術對生物安全設備進行結構優化是近些年的研究重點之一，但現行研究大多關注設備內部流場分布，研究對象也以生物安全柜居多[5-9]，多籠具隔離飼養設備送風量一致性問題的相關研究則鮮有報道。為此，本文基于猴負壓隔離器的送風結構建立了計算機模型，采用數值模擬方法對其送風結構進行了設計優化，為該裝置的后續升級換代和其他多籠具隔離器送風結構設計提供了理論支撐和參考借鑒。

1 模型與方法

1.1 猴負壓隔離器結構與氣流組織

如圖1所示，猴負壓隔離器主要由箱體、猴籠、通風過濾系統、加熱系統、照明、控制系統等組成。箱體由4個獨立的猴室組成，這些箱室由不銹鋼板分開，相互獨立，每個箱室配備一個猴隔離籠。每個猴室設置有獨立平開門，并且內部設置有2扇平滑門。送風系統前端設有溫度加熱模塊，排風系統處設有溫度傳感器，可對艙內進行實時溫度控制，設備送排風及控制系統全部在頂部，左側為送風過濾系統，右側為排風過濾系統，均有獨立風機控制。

圖2顯示了猴負壓隔離器氣流組織，環境空氣依靠送風系統送入猴負壓隔離器，加熱裝置將吸入的環境空氣加熱到設定溫度值，經過加熱的空氣通過送風高效過濾器過濾后再送入隔離器中間的豎直送風分配管道，豎直送風分配管道兩側各設置一列送風射流孔，處理后的空氣經送風孔進入外門和內平滑玻璃門之間并得到減速和緩沖，在平滑玻璃門遠離中間的一側設置有進氣口，吹入外門和內平滑玻璃門之間的經過減速的氣體經由進氣口分配給各籠具，設備運行期間籠具內穩定維持在-20 Pa左右。猴負壓隔離器內空氣依靠排風系統排出隔離器，并通過管道排至室外。隔離器后部為排風靜壓箱，粗效過濾器安裝在各籠具背部靜壓箱的排風口上，排風經過粗效過濾器過濾后通過靜壓箱排至排風高效過濾器，然后通過排風機排至隔離器外。送風高效過濾器和加熱裝置能有效保證進入籠具內空氣的潔凈性和舒適性，排風粗效、高效過濾器及籠具內維持負壓的設計能有效防止細菌、病毒或其他高危感染物質的泄漏和擴散。

圖2 猴負壓隔離器氣流組織

1.2 送風模型

如圖3所示，經過加熱、過濾后的空氣由送風管道頂端平面進入送風管，經各送風孔排出，進入各籠具外門和內平滑玻璃門之間，然后經由外門和內平滑玻璃門之間的進氣口分配給各籠具。由于豎直送風分配管道截面小(100 mm×50 mm矩形截面)、長度長(1 900 mm)，易導致上下猴室送風不均勻，進而導致上下籠具的送風量出現較大差別，故需要通過在上下兩半部分分別開不同孔徑的送風孔進行風量控制，以保證各籠具送風量一致。本研究以圖2送風結構為基礎，采用SolidWorks建立了圖3所示的送風模型，該送風模型以送風管為主體，送風孔沿管道豎向分布，每個籠具均有10個送風孔，上層籠具(籠具1、2)送風孔直徑均為16 mm，下層籠具(籠具3、4)送風孔直徑均為12 mm。

圖3 猴負壓隔離裝置送風模型

1.3 邊界條件

采用ICEM 2019對圖3送風模型進行網格劃分，網格最小質量為0.56，可以進行仿真計算。將圖3送風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決定，各送風孔為壓力出口，壓力值與猴隔離器工作狀態下壓力值一致，取-20 Pa。該隔離器氣體換氣次數為20～50 h-1，各籠具體積一致，約為0.8 m3，由此可計算得換氣次數分別為20、30、40、50 h-1時，模型入口速度分別對應為3.50、5.25、7.00、8.25 m/s。

1.4 研究方法

采用Fluent 2019對送風模型加載邊界條件，進而計算出各籠具送風孔平均速度vn(n=1～4，分別代表籠具1～4，下同)，則各籠具送風量Vn(每個籠具均有10個送風孔)為

式中 Dn為各籠具送風孔直徑。

如前所述，送風量一致性是多籠具隔離器的重要指標之一。為此，以籠具1送風量V1為基準定義送風系數αn：

將αn作為通風量一致性判斷參數：若各籠具送風系數均滿足0.9≤αn≤1.1，則認為各籠具送風量一致，否則，需對送風結構進行優化后重復進行仿真計算，直至各籠具送風系數均滿足要求。具體優化研究路線如圖4所示。

圖4 送風結構優化研究路線

為驗證上述數值模擬方法的準確性，在該猴負壓隔離裝置換氣次數為20h-1時，對各籠具送風速度進行現場測量。測量時，在各送風孔分別取樣5次，取平均值作為對應送風孔的送風速度。之后，對比相同工況下各籠具進氣孔速度的仿真結果，進行仿真方法的準確性驗證。

2 研究結果

2.1 進氣結構優化

在送風結構的優化研究過程中，共涉及3種不同送風孔直徑的送風結構：16-16送風結構，上層直徑16 mm、下層直徑16 mm；16-14送風結構，上層直徑16 mm、下層直徑14 mm；16-12送風結構，上層直徑16 mm、下層直徑12 mm。不同換氣次數下，3種送風結構中各籠具送風系數如圖5～7所示。

圖5 不同換氣次數下，16-16送風結構各籠具送風系數

由圖5可知，當換氣次數不同時，16-16送風結構中籠具1～4送風系數極差值分別為0、0.003、0.081和0.044，可以認為換氣次數對16-16送風結構中各籠具送風系數基本無影響。籠具1～4送風系數平均值分別為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送風系數基本一致，即同層籠具(同為上層或下層，下同)送風系數一致，而下層籠具送風系數較大，約為上層籠具的125%。

由圖6可知，當換氣次數不同時，16-14送風結構中籠具1～4送風系數極差值分別為0、0.023、0.034和0.052，可以認為換氣次數對16-14送風結構中各籠具送風系數基本無影響?；\具1～4送風系數平均值分別為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送風系數基本一致，即同層籠具送風系數一致，而下層籠具送風系數稍小，約為上層籠具的95%。

圖6 不同換氣次數下，16-14送風結構各籠具送風系數

由圖7可知，當換氣次數不同時，16-12送風結構中籠具1～4送風系數極差值分別為0、0.002、0.013 和0.017，可以認為換氣次數對16-12送風結構中各籠具送風系數基本無影響?；\具1～4送風系數平均值分別為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送風系數基本一致，即同層籠具送風系數一致，而下層籠具送風系數較小，約為上層籠具的67%。

圖7 不同換氣次數下，16-12送風結構各籠具送風系數

2.2 仿真結果驗證

如前所述，該猴負壓隔離裝置上層籠具送風孔直徑均為16 mm，下層籠具送風孔直徑均為12 mm，為16-12送風結構。實驗測得換氣次數20 h-1下，16-12送風結構中各籠具送風速度平均值如表1所示。

表1 換氣次數20 h-1下，16-12送風結構送風速度實驗結果

相同通風條件下，16-12送風結構各籠具送風速度仿真與實驗結果對比如圖8所示。

圖8 20 h-1換氣次數下，16-12送風結構各籠具送風速度仿真與實驗結果對比

由圖8可知，籠具1～4送風速度極差值分別為0.029、0.059、0.037、0.044 m/s，可以認為各籠具送風速度仿真和實驗結果基本一致。

3 討論

本研究對送風結構進行優化的迭代過程共采用了3種不同送風結構。為與猴負壓隔離裝置尺寸保持一致，首先采用了16-12送風結構進行數值模擬計算，發現籠具3、4送風系數小于設計要求。之后，按照圖4送風結構優化研究路線，增大下層籠具送風孔直徑至16 mm，構建了16-16送風結構后再次進行數值模擬計算，發現籠具3、4送風系數大于設計要求。之后，再次調整下層籠具送風孔直徑至14 mm，構建了16-14送風結構并進行數值模擬計算，各籠具送風系數均符合設計要求，為本次研究的優化結果。

綜合圖5～7可知，籠具送風系數基本不受換氣次數影響，因此在設計優化送風結構時可以不用考慮換氣次數的影響。籠間送風系數差異方面，同層籠具送風系數基本保持一致，這是因為同層籠具送風孔分布對稱，因而送風量基本一致。層間送風系數差異則受送風孔直徑影響較大。結果表明：隨著下層籠具送風孔直徑的減小，下層籠具送風系數呈遞減趨勢。圖9顯示了不同送風結構中各籠具送風速度，可以看出，下層籠具送風速度較大。這是因為，送風管道末端封閉，流體進入送風管道后會在末端聚集，形成高壓區，流體運動速度加快，因而上下送風孔直徑一致時(16-16送風結構)，下層送風速度較大，送風孔面積一致，因此下層籠具送風量較上層大。隨著下層籠具送風孔直徑的減小，各籠具送風速度均呈現出不同程度的上升趨勢，上層籠具送風量增大。而下層送風量則相反，這是因為送風孔面積與孔徑二次冪成正比，孔徑減小對送風量的影響起主導作用，加之送風速度增量不大，因此孔徑減小反而使下層籠具送風量減小。即下層籠具孔徑減小時，上層送風量增大，下層送風量減小。因此，下層送風孔直徑調整為14 mm(16-14送風結構)時，上層籠具送風量增大，下層籠具送風量減小，各籠具送風量保持一致。然而，進一步縮小下層送風孔直徑(16-12送風結構)時，上層籠具送風量繼續增大，下層籠具送風量進一步減小，上層籠具送風量則較下層大，呈現出圖5～7中的變化趨勢。

圖9 不同送風結構中各籠具送風速度

對比研究了換氣次數為20 h-1時仿真和實驗研究的結果，并未對其他換氣次數下的實驗結果進行對比。這是因為：一則該隔離器正常運行時換氣次數為20 h-1，其他換氣次數采用較少；二則由前文仿真研究結果可知，換氣次數對各籠具送風量基本無影響。因此，雖然論證部分僅對比研究了換氣次數為20 h-1時仿真和實驗研究的結果，其結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確性。此外，該部分也未對16-16、16-14送風結構進行對比研究。這是因為，該猴負壓隔離裝置送風孔直徑為設計人員根據經驗而得，尺寸固定無法更改，因而無法對其他結構進行對比研究，其他結構的對比研究將在該裝置升級換代采用新送風結構后進一步進行。

由表1可知，實驗測得換氣次數為20 h-1時各送風孔空氣速度約為3 m/s，若該氣流直接進入各籠具，會影響籠具內動物舒適性(如體溫快速降低和動物躲避行為等)，因此該隔離器設置了外門和內平滑玻璃門，兩者之間有一定空間，形成進氣緩沖區，處理后的空氣經送風孔進入外門和內平滑玻璃門之間后能得到減速和緩沖，然后再經由進氣口分配給各籠具。經測量，空氣經過緩沖后，在各籠具內平均速度均小于1 m/s，很好地保證了實驗動物小環境穩定的舒適性。

4 結論

采用數值模擬方法，研究了不同送風結構中籠具間送風差異及影響因素，對猴負壓隔離裝置送風結構進行了設計優化，結果表明：1) 換氣次數對籠間送風一致性影響較小，在優化送風結構時可以不用考慮；2) 同層籠具送風孔分布對稱時，送風量基本一致；3) 層間籠具送風差異主要受送風孔直徑影響，上下層籠具送風孔直徑分別采用16、14 mm時，各籠具送風量具有較好一致性。

本研究中采用的送風結構優化方法和技術分析路線，不僅能為該猴隔離器的后續升級換代提供技術支持，也能為其他多籠具隔離、飼養設備送風結構優化提供參考借鑒。