【摘 要】SPF雞胚是無特定病原體的雞胚胎，作為製取麻疹，腮腺炎，禽流感等多種疫苗的原材料，其優點在於可以杜絕母源抗體和外源病毒等的干擾。目前我國的SPF雞胚產量遠遠不及疫苗行業需求量。在SPF雞蛋孵化成雞胚的過程需要滿足一定的通風條件，使得雞蛋能在一定的孵化時間內到達孵化溫度，保證孵化效果和效率。針對上海某SPF雞胚孵化室，本文采用CFD模擬探究了在滿足最小送風溫度的情況下，不同的雞蛋架排列方式，送風速度以及蛋車內的氣流逃逸等因素對孵化效果的影響。結果發現由於雞蛋在蛋車內排列過密，大部分送風氣流逃逸到蛋車之間的過道導致雞蛋升溫慢，孵化率低。而減少雞蛋排數，提高送風風速以及在蛋車側邊增加封堵擋板等措施能有效提高孵化效果。
【關鍵詞】SPF雞胚孵化，CFD模擬，通風優化，傳熱模型
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
現今，生物疫苗作為人類預防和控制傳染性疾病最普遍而有效的醫療措施之一，得到了廣泛的使用。而生物疫苗的製備往往需要一個無菌的病毒或細菌培養體，SPF雞胚作為天然的廉價的封閉無菌生物反應器，被廣泛應用於製取麻疹，腮腺炎，禽流感，MMR等多種疫苗[1] 。而目前我國的SPF雞胚的生產量遠遠不及疫苗行業的需求量[2] 。由此保證雞胚孵化過程中的成功率尤為重要。而將SPF雞蛋孵化成雞胚需要滿足一定的溫溼度條件，由此在孵化室內需要合理的通風方式和氣流組織，使得蛋車內的雞蛋在一定的孵化時間內達到孵化要求的溫度，保證SPF雞胚的孵化效果和效率。本文通過對上海某SPF雞胚孵化室進行模擬分析，分析了各因素對孵化效果的影響並對孵化室通風方式提出了改善和優化。
1 計算方法與模型
1.1 單個SPF雞蛋傳熱模型
將雞蛋簡化為各向同性的固體小球，初始時刻雞蛋各處的溫度相同，並假設外流場穩定溫度不變，小球各點上的對流換熱係數相同，且雞蛋內細胞的呼吸各處均勻產熱。則小球內部溫度隨著徑向變化，該問題轉化為有內熱源的各向同性小球在第三類邊界條件下的非穩態對流換熱問題。其傳熱模型如下：
θ=T（r,τ）-Tf (1)
式中θ為過餘溫度，Tf為流體溫度，T(r,τ)為小球內距離球心r處的τ時刻的溫度,K。
式中ρ為雞蛋密度，kg/m3; c為雞蛋比熱容J/(kg·K);λ為雞蛋導熱係數，W/(m2*K);qv為雞蛋內單位體積散熱強度,W/m3。
該模型下的邊界條件為：
式中h為雞蛋表面對流換熱強度，W/(m2*K);R為雞蛋圓球半徑,m;To為雞蛋初始溫度，K。
1.2 單個SPF雞蛋孵化時間
雞蛋的孵化時間定義為雞蛋內部完全達到所需的孵化溫度所需要的時間。當房間送風溫度極為最小孵化溫度時，孵化時間即為雞蛋中心溫度達到送風氣流溫度所需的時間。雞蛋的參數信息如表1。孵化室內空氣物性參數如表2。
考慮最不利情形，雞蛋僅僅在溫差作用下自然對流換熱。根據上述條件參數
式中g為重力加速度，取為9.8m/s2；d為雞蛋圓球直徑,m; α室內空氣膨脹係數，/K。v為空氣運動粘度，kg/m3；Δt為雞蛋與空氣的初始溫差，K。
Ra=Gr×Pr (6)
由Ra<107該自然對流處於層流狀態，根據下列準則關係式[4]
考慮送風情況，雞蛋處於0.5m/s，34.5℃的來流風速中。此時雞蛋所處的狀況既存在自然對流，也存在受迫對流，而由浮升力與慣性力之比：
可忽略自然對流，僅考慮外掠圓球的強迫對流。由經驗準則式[5] ：
Nu=0.37Re0.8 (9)
根據外掠圓球計算線圖[6] ，可得到上述兩種情況下的孵化時間。結合上述經驗公式的理論計算，對單個雞蛋進行建模且進行CFD模擬，分別對模擬單個雞蛋在自然對流和0.5m/s的流場掃掠下的受迫對流。檢測雞蛋內部的升溫時間，並與經驗計算值進行對比，以驗證方法的正確性。
模擬過程採用workbench建模及網格劃分，採用Ansys Fluent進行流動及傳熱模擬。採用非穩態模擬，時間步長取5s。湍流採用RNG k-ε模型處理，近壁面採用Enhanced wall function，壓力速度耦合方法為SIMPLE算法。將模擬得到的孵化時間與理論計算對比，結果如表3。偏差率在6%以下，驗證了該研究方法的可靠性。同時可見相比於自然對流情形，受迫對流下孵化時間將縮短約65%。
1.3 SPF雞蛋孵化室模型
該SPF雞蛋孵化室為長方形房間，高為2.5m，其內均勻放置了7列蛋車，每列蛋車有17層，每層放置了4排雞蛋，每排雞蛋包括4個蛋框，每個蛋框內有6*6共36個雞蛋。蛋框大小為290mm*290mm，雞蛋均勻放置在蛋框上。蛋框的厚度為5mm，雞蛋的中心面與蛋框上表面處於同一平面。孵化室內的送風方式近似活塞流，北面牆體連接送風夾道，整面牆體設置為孔板送風；南面牆體連接回風夾道，作為迴風口，如圖3所示。風口面風速0.5m/s，送風量30500m3/h，送風溫為34.5℃，相對溼度為60%。房間初始狀態為送風狀態點，雞蛋初始溫度為24℃。單個雞蛋在孵化的過程中新陳代謝散熱強度僅為148.5mW，在計算和模擬過程中均忽略不計。
考慮到雞蛋佈置左右的對稱性及蛋車中每層狀況相同，沿送風方向取一個計算單元，如圖5.它包括沿送風方向前後等距排列的一層蛋車上的四排雞蛋，以及一半的過道空間，寬為75mm。模擬過程中不考慮牆體的輻射，蛋車和蛋框的蓄熱和導熱，僅考慮蛋框對送風來流的阻擋作用。模擬過程中左右面設置為中心對稱邊界，迎風面設置為速度入口邊界，迴風面設置為壓力出口邊界。湍流模型等設置與1.2中模擬單個雞蛋時相同。網格經過獨立性檢驗。
考慮到除去蛋框的一排雞蛋的換熱情形與換熱器中外掠圓管束的傳熱相似，參考其傳熱模型，對流傳熱強度的準則式[7]為
式中S1，S2為管間距，此處為了保證一定的空間利用率，雞蛋與雞蛋之間的距離受蛋框和房間大小的限制，無法改變。εz與排數相關。C,n,m與雞蛋的排列方式相關，此處受蛋框限制，為順排。由此可優化的變量在於提高Re和改變雞蛋排數。
為探究在最小送風溫度下，不同的雞蛋架排列方式，送風速度以及蛋車內的氣流逃逸等因素對孵化效果的影響，以所有雞蛋中心均達到孵化溫度34℃所需的孵化時間為目標量。總共設置了7個模擬工況，如表4所示。其中N1工況為該孵化室的實際工況，作為對比的標準工況。其中，側邊封堵是指在蛋架與過道之間添加擋板，阻止前排氣流逃逸到過道而不能與後排雞蛋接觸換熱。
2 模擬結果及分析
在模擬過程中，監測速度殘差曲線，當流場穩定後，氣流分佈如圖7。由此可見由於蛋框以及雞蛋排布過密，造成了送風氣流的橫向溢出，大部分氣流都流入孵化室過道。由此造成了側邊過道內的氣流流速較高，而雞蛋與雞蛋之間的風速較小。由此雞蛋表面的對流換熱係數較小。且沿著送風氣流流動方向，氣流逃逸現象越來越嚴重。僅僅減少雞蛋排數，增大排與排之間的距離並不能有效阻止這一情況。而採取側邊封堵後，氣流逃逸現象得到改善，雞蛋附近的氣流速度升高，對流換熱效果增強。
在四排雞蛋的情況下，沿流動方向選取了四個斷面，代表每排雞蛋中的流動情況。橫向氣流的逃逸情況如表5。其中氣流逃逸率，定義為過道截面的流量在斷面總流量中的佔比。可見越到後排，氣流逃逸情況越為嚴重，由此導致越遠離送風口的雞蛋的對流換熱效果越弱，升溫越慢，所需的孵化時間越長。同時，每隔一段時間觀察雞蛋溫度場的分佈變化。可見溫度場隨時間的變化情況，以及前後排雞蛋升溫情況的不同。
在標準工況下，如圖8所示，離送風口最近的前排雞蛋升溫最快，離迴風口最近的後排雞蛋升溫最慢。原因在於送風氣流先掠過前排雞蛋進行換熱導致氣流溫度下降，以及氣流橫向逃逸導致後排雞蛋附近的風速降低，因而其換熱效果差，升溫最慢。
N2工況僅僅提高送風溫度效果有限，N3工況減少一排雞蛋效果並沒有減少橫向氣流的逃逸現象，因而效果也十分有限。N4工況進行側邊封堵後，雷諾數Re增大，取得較好的效果。N5,N6工況在減少雞蛋排數的同時提高送風風速，也取得了不錯的效果。如圖9所示。N7工況在保證空間利用不減少雞蛋原有的排列和數量的前提下，進行側邊封堵的同時提高送風風速，使得Re大大提升，換熱效果增長明顯。如圖10所示。
對比N1到N7七個工況所需的孵化時間，如圖11。可見側面封堵及提高風速效果最為顯著，SPF雞胚的孵化時間可縮短一般以上。然而其由於孵化室24小時不間斷運行，且採用大風量，小溫差的形式送風，提高送風溫度和風速無疑將增加系統能耗，而減少雞蛋排數則降低了孵化室的空間利用率。而增大一倍的風量並減少一排雞蛋（N6）效果與僅僅進行側邊封堵（N4）相當。由此，限制該SPF雞胚孵化效果的主要原因是雞蛋排列過密，引起氣流橫向逃逸。進行側邊封堵可有效降低約48%的孵化時間。
3 結論
本文主要針對SPF雞胚孵化工序中的換熱過程，利用經典傳熱學方法及CFD模擬探究了在滿足最小送風溫度的情況下，不同的雞蛋架排列方式，送風速度以及蛋車內的氣流逃逸等因素對所需孵化時間的影響。並提出相應措施對上海某SPF雞胚孵化室的通風方式提出了改善。
（1）通過建立單個SPF雞蛋的傳熱模型的理論計算和CFD模擬結果對比，驗證了研究方法的可靠性。
（2）通過對換熱器內外掠管束傳熱模型分析，得出Re是增強換熱效果，降低孵化時間的關鍵因素。
（3）根據模擬的結果得知，限制該SPF雞胚孵化效果的主要原因是雞蛋排列過密，引起氣流橫向逃逸。進行側邊封堵可有效降低約48%的孵化時間。而僅僅提高送風溫度和減少雞蛋排數並不能十分有效的提高換熱效果。且綜合考慮增加能耗和降低孵化時間之間的矛盾，側邊封堵是首選的優化方式。
參考文獻
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[6] Schneider. Temperature Response Charts. John Wiley & Sons,1963
[7] 章熙明等.傳熱學[M].中國建築工業出版社(第六版).2014年.
備註：本文獲評為第21屆暖通空調製冷學術年會青年優秀論文，收錄於《建築環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調製冷學術年會文集）。
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