同济大学机械与能源工程学院 童乐棋 高军 侯玉梅
【摘 要】SPF鸡胚是无特定病原体的鸡胚胎，作为制取麻疹，腮腺炎，禽流感等多种疫苗的原材料，其优点在于可以杜绝母源抗体和外源病毒等的干扰。目前我国的SPF鸡胚产量远远不及疫苗行业需求量。在SPF鸡蛋孵化成鸡胚的过程需要满足一定的通风条件，使得鸡蛋能在一定的孵化时间内到达孵化温度，保证孵化效果和效率。针对上海某SPF鸡胚孵化室，本文采用CFD模拟探究了在满足最小送风温度的情况下，不同的鸡蛋架排列方式，送风速度以及蛋车内的气流逃逸等因素对孵化效果的影响。结果发现由于鸡蛋在蛋车内排列过密，大部分送风气流逃逸到蛋车之间的过道导致鸡蛋升温慢，孵化率低。而减少鸡蛋排数，提高送风风速以及在蛋车侧边增加封堵挡板等措施能有效提高孵化效果。
【关键词】SPF鸡胚孵化，CFD模拟，通风优化，传热模型
Abstract: The SPF Chicken Embryo is characterized with no specific pathogen, which is often used as the raw material of various kinds of vaccines for measles, mumps, avian influenza and so on. The advantage is that it can eliminate the interference of maternal antibodies and exogenous viruses. At present, the production of SPF chicken embryos in China is far less than the demand for the vaccine industry. The process of the chicken embryos incubation from SPF eggs needs to meet certain ventilation condition so that the eggs can reach the Hatching Temperature in certain time to grantee the effect and efficiency of the incubation. In view of a SPF chicken embryo incubation room in Shanghai, this paper adopted the CFD simulation method to explore the influence of different arrangement of egg shelves, velocity of the supply air and the airflow escape in the egg cart on the hatching effect in the premise of meeting the minimum supply air temperature. The results showed that the low hatchability was due to the dense arrangement in the egg cart. While reducing the number of egg rows, increasing the velocity of supply air and adding the blocking side panels can effectively improve the hatching effect
Keywords: SPF chicken embryo incubation, CFD simulation, Ventilation optimization, Heat transfer model
0 引言
现今，生物疫苗作为人类预防和控制传染性疾病最普遍而有效的医疗措施之一，得到了广泛的使用。而生物疫苗的制备往往需要一个无菌的病毒或细菌培养体，SPF鸡胚作为天然的廉价的封闭无菌生物反应器，被广泛应用于制取麻疹，腮腺炎，禽流感，MMR等多种疫苗[1] 。而目前我国的SPF鸡胚的生产量远远不及疫苗行业的需求量[2] 。由此保证鸡胚孵化过程中的成功率尤为重要。而将SPF鸡蛋孵化成鸡胚需要满足一定的温湿度条件，由此在孵化室内需要合理的通风方式和气流组织，使得蛋车内的鸡蛋在一定的孵化时间内达到孵化要求的温度，保证SPF鸡胚的孵化效果和效率。本文通过对上海某SPF鸡胚孵化室进行模拟分析，分析了各因素对孵化效果的影响并对孵化室通风方式提出了改善和优化。
1 计算方法与模型
1.1 单个SPF鸡蛋传热模型
将鸡蛋简化为各向同性的固体小球，初始时刻鸡蛋各处的温度相同，并假设外流场稳定温度不变，小球各点上的对流换热系数相同，且鸡蛋内细胞的呼吸各处均匀产热。则小球内部温度随着径向变化，该问题转化为有内热源的各向同性小球在第三类边界条件下的非稳态对流换热问题。其传热模型如下：
θ=T（r,τ）-Tf (1)
式中θ为过余温度，Tf为流体温度，T(r,τ)为小球内距离球心r处的τ时刻的温度,K。
式中ρ为鸡蛋密度，kg/m3; c为鸡蛋比热容J/(kg·K);λ为鸡蛋导热系数，W/(m2*K);qv为鸡蛋内单位体积散热强度,W/m3。
该模型下的边界条件为：
式中h为鸡蛋表面对流换热强度，W/(m2*K);R为鸡蛋圆球半径,m;To为鸡蛋初始温度，K。
1.2 单个SPF鸡蛋孵化时间
鸡蛋的孵化时间定义为鸡蛋内部完全达到所需的孵化温度所需要的时间。当房间送风温度极为最小孵化温度时，孵化时间即为鸡蛋中心温度达到送风气流温度所需的时间。鸡蛋的参数信息如表1。孵化室内空气物性参数如表2。
考虑最不利情形，鸡蛋仅仅在温差作用下自然对流换热。根据上述条件参数
式中g为重力加速度，取为9.8m/s2；d为鸡蛋圆球直径,m; α室内空气膨胀系数，/K。v为空气运动粘度，kg/m3；Δt为鸡蛋与空气的初始温差，K。
Ra=Gr×Pr (6)
由Ra<107该自然对流处于层流状态，根据下列准则关系式[4]
考虑送风情况，鸡蛋处于0.5m/s，34.5℃的来流风速中。此时鸡蛋所处的状况既存在自然对流，也存在受迫对流，而由浮升力与惯性力之比：
可忽略自然对流，仅考虑外掠圆球的强迫对流。由经验准则式[5] ：
Nu=0.37Re0.8 (9)
根据外掠圆球计算线图[6] ，可得到上述两种情况下的孵化时间。结合上述经验公式的理论计算，对单个鸡蛋进行建模且进行CFD模拟，分别对模拟单个鸡蛋在自然对流和0.5m/s的流场扫掠下的受迫对流。检测鸡蛋内部的升温时间，并与经验计算值进行对比，以验证方法的正确性。
模拟过程采用workbench建模及网格划分，采用Ansys Fluent进行流动及传热模拟。采用非稳态模拟，时间步长取5s。湍流采用RNG k-ε模型处理，近壁面采用Enhanced wall function，压力速度耦合方法为SIMPLE算法。将模拟得到的孵化时间与理论计算对比，结果如表3。偏差率在6%以下，验证了该研究方法的可靠性。同时可见相比于自然对流情形，受迫对流下孵化时间将缩短约65%。
1.3 SPF鸡蛋孵化室模型
该SPF鸡蛋孵化室为长方形房间，高为2.5m，其内均匀放置了7列蛋车，每列蛋车有17层，每层放置了4排鸡蛋，每排鸡蛋包括4个蛋框，每个蛋框内有6*6共36个鸡蛋。蛋框大小为290mm*290mm，鸡蛋均匀放置在蛋框上。蛋框的厚度为5mm，鸡蛋的中心面与蛋框上表面处于同一平面。孵化室内的送风方式近似活塞流，北面墙体连接送风夹道，整面墙体设置为孔板送风；南面墙体连接回风夹道，作为回风口，如图3所示。风口面风速0.5m/s，送风量30500m3/h，送风温为34.5℃，相对湿度为60%。房间初始状态为送风状态点，鸡蛋初始温度为24℃。单个鸡蛋在孵化的过程中新陈代谢散热强度仅为148.5mW，在计算和模拟过程中均忽略不计。
考虑到鸡蛋布置左右的对称性及蛋车中每层状况相同，沿送风方向取一个计算单元，如图5.它包括沿送风方向前后等距排列的一层蛋车上的四排鸡蛋，以及一半的过道空间，宽为75mm。模拟过程中不考虑墙体的辐射，蛋车和蛋框的蓄热和导热，仅考虑蛋框对送风来流的阻挡作用。模拟过程中左右面设置为中心对称边界，迎风面设置为速度入口边界，回风面设置为压力出口边界。湍流模型等设置与1.2中模拟单个鸡蛋时相同。网格经过独立性检验。
考虑到除去蛋框的一排鸡蛋的换热情形与换热器中外掠圆管束的传热相似，参考其传热模型，对流传热强度的准则式[7]为
式中S1，S2为管间距，此处为了保证一定的空间利用率，鸡蛋与鸡蛋之间的距离受蛋框和房间大小的限制，无法改变。εz与排数相关。C,n,m与鸡蛋的排列方式相关，此处受蛋框限制，为顺排。由此可优化的变量在于提高Re和改变鸡蛋排数。
为探究在最小送风温度下，不同的鸡蛋架排列方式，送风速度以及蛋车内的气流逃逸等因素对孵化效果的影响，以所有鸡蛋中心均达到孵化温度34℃所需的孵化时间为目标量。总共设置了7个模拟工况，如表4所示。其中N1工况为该孵化室的实际工况，作为对比的标准工况。其中，侧边封堵是指在蛋架与过道之间添加挡板，阻止前排气流逃逸到过道而不能与后排鸡蛋接触换热。
2 模拟结果及分析
在模拟过程中，监测速度残差曲线，当流场稳定后，气流分布如图7。由此可见由于蛋框以及鸡蛋排布过密，造成了送风气流的横向溢出，大部分气流都流入孵化室过道。由此造成了侧边过道内的气流流速较高，而鸡蛋与鸡蛋之间的风速较小。由此鸡蛋表面的对流换热系数较小。且沿着送风气流流动方向，气流逃逸现象越来越严重。仅仅减少鸡蛋排数，增大排与排之间的距离并不能有效阻止这一情况。而采取侧边封堵后，气流逃逸现象得到改善，鸡蛋附近的气流速度升高，对流换热效果增强。
在四排鸡蛋的情况下，沿流动方向选取了四个断面，代表每排鸡蛋中的流动情况。横向气流的逃逸情况如表5。其中气流逃逸率，定义为过道截面的流量在断面总流量中的占比。可见越到后排，气流逃逸情况越为严重，由此导致越远离送风口的鸡蛋的对流换热效果越弱，升温越慢，所需的孵化时间越长。同时，每隔一段时间观察鸡蛋温度场的分布变化。可见温度场随时间的变化情况，以及前后排鸡蛋升温情况的不同。
在标准工况下，如图8所示，离送风口最近的前排鸡蛋升温最快，离回风口最近的后排鸡蛋升温最慢。原因在于送风气流先掠过前排鸡蛋进行换热导致气流温度下降，以及气流横向逃逸导致后排鸡蛋附近的风速降低，因而其换热效果差，升温最慢。
N2工况仅仅提高送风温度效果有限，N3工况减少一排鸡蛋效果并没有减少横向气流的逃逸现象，因而效果也十分有限。N4工况进行侧边封堵后，雷诺数Re增大，取得较好的效果。N5,N6工况在减少鸡蛋排数的同时提高送风风速，也取得了不错的效果。如图9所示。N7工况在保证空间利用不减少鸡蛋原有的排列和数量的前提下，进行侧边封堵的同时提高送风风速，使得Re大大提升，换热效果增长明显。如图10所示。
对比N1到N7七个工况所需的孵化时间，如图11。可见侧面封堵及提高风速效果最为显著，SPF鸡胚的孵化时间可缩短一般以上。然而其由于孵化室24小时不间断运行，且采用大风量，小温差的形式送风，提高送风温度和风速无疑将增加系统能耗，而减少鸡蛋排数则降低了孵化室的空间利用率。而增大一倍的风量并减少一排鸡蛋（N6）效果与仅仅进行侧边封堵（N4）相当。由此，限制该SPF鸡胚孵化效果的主要原因是鸡蛋排列过密，引起气流横向逃逸。进行侧边封堵可有效降低约48%的孵化时间。
3 结论
本文主要针对SPF鸡胚孵化工序中的换热过程，利用经典传热学方法及CFD模拟探究了在满足最小送风温度的情况下，不同的鸡蛋架排列方式，送风速度以及蛋车内的气流逃逸等因素对所需孵化时间的影响。并提出相应措施对上海某SPF鸡胚孵化室的通风方式提出了改善。
（1）通过建立单个SPF鸡蛋的传热模型的理论计算和CFD模拟结果对比，验证了研究方法的可靠性。
（2）通过对换热器内外掠管束传热模型分析，得出Re是增强换热效果，降低孵化时间的关键因素。
（3）根据模拟的结果得知，限制该SPF鸡胚孵化效果的主要原因是鸡蛋排列过密，引起气流横向逃逸。进行侧边封堵可有效降低约48%的孵化时间。而仅仅提高送风温度和减少鸡蛋排数并不能十分有效的提高换热效果。且综合考虑增加能耗和降低孵化时间之间的矛盾，侧边封堵是首选的优化方式。
参考文献
[1] 李淑云,付琨,黄浩,徐程林,付永琪.鸡胚细胞制备17D黄热疫苗[J].中国生物制品学杂志,2007(11):831-833+836.
[2] 王宪龙.鸡胚疫苗原液上游工序洁净空调系统的建设[J].机电信息,2017(17):53-56
[3] Van Brecht et al. Environment, well-being and behavior-Quantification of the heat exchange of chicken eggs[J]. Poultry Science, 2005, 84:353-361.
[4] 贾力等.高等传热学[M].高等教育出版社.2003年.
[5] 钱滨江等.简明传热手册[M].高等教育出版社.1983年.
[6] Schneider. Temperature Response Charts. John Wiley & Sons,1963
[7] 章熙明等.传热学[M].中国建筑工业出版社(第六版).2014年.
备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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