动物实验室通风熏蒸过程的模拟研究.docx

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动物实验室通风熏蒸过程的模拟研究

动物实验室通风熏蒸过程的模拟研究

作者：

龚光彩熊照雪邓晓瑞刘激扬安珂慧

来源：

《湖南大学学报·自然科学版》2019年第12期

        摘;;要：

动物实验室在启用前需要进行熏蒸彻底灭菌消毒以保证室内洁净.通风系统熏蒸是在送风管与排风管之间加入熏蒸气体发生设备，通过室内空气循环来促进熏蒸气体扩散.为了研究通风系统熏蒸过程气体浓度分布的影响因素，用icem建模以及fluent软件对该过程的不同的时间、换气次数、送风形式及温度分布状态下多工况的气流组织进行瞬态模拟，预测并分析熏蒸气体浓度和湿度的分布规律.得出使熏蒸气体快速达到灭菌程度的最小换气次数随时间延长而减小，改变送风形式可以减少实验台附近的涡流，室内温度随高度降低有利于熏蒸气体快速扩散的结论，以便对熏蒸灭菌进行更有效的控制，对于指导动物实验的安全进行有重要意义.

        关键词：

动物实验室;熏蒸;气流组织;数值模拟;空气稳定性

        中图分类号：

TU834.3;;;;;;;;;;;;;文獻标志码：

A

        SimulationStudyofVentilationFumigationProcessinAnimalLaboratory

        GONGGuangcai†，XIONGZhaoxue，DENGXiaorui，LIUJiyang，ANKehui

        （CollegeofCivilEngineering，HunanUniversity，Changsha410082，China）

        Abstract：

Theanimallaboratoryneedstobefumigatedanddisinfectedthoroughlybeforestartingusinginordertoensurethecleannessoftheroom.Ventilationsystemfumigationprovidesthefumigationgasgeneratingequipmentbetweenairsupplypipeandairdischargepipetopromotethefumigationgasdiffusionthroughindooraircirculation.Inordertostudytheinfluencingfactorsofgasconcentrationdistributioninthefumigationprocessoftheventilationsystem，icemmodelingandfluentsoftwarewereusedtocarryoutthetransientsimulationofairdistributionindifferentconditionsunderdifferenttimes，ventilationtimes，airsupplymodesandtemperaturedistributionconditions，andtopredictandanalyzethedistributionlawoffumigationgasconcentrationandhumidity.Itisconcludedthattheminimumventilationratetoquicklyreachthesterilizationdegreedecreaseswithtime，thechangeoftheairsupplymodecanreducethevortexnearthetestbench，andtheindoortemperaturedecreaseswiththeheighttofacilitatetherapiddiffusionoffumigationgas，soastocontrolthefumigationmoreeffectively，whichisofgreatsignificancetoguidethesafetyofanimalexperiment.

        Keywords：

animallab;fumigation;airdistribution;simulation;airstability

        在制药和化工方面，动物实验室是进行毒性实验、三致实验、以及药效药代实验的场所，其在生物制品、食品工业和轻工业等方面也发挥着重要作用.动物实验室启用前一般要进行甲醛熏蒸杀菌消毒，消毒后落下菌数量应为0～3个/皿.在进行甲醛熏蒸之后，菌落数水平总是立即降低[1].甲醛熏蒸消毒的本质在于使病原体蛋白质凝固，蛋白质分子烷基化，从而达到杀菌的目的.其成本低廉、杀菌彻底，是最传统广泛的熏蒸气体.熏蒸灭菌分为密闭式熏蒸和通风系统熏蒸.密闭式熏蒸是将门窗封闭，用高锰酸钾和福尔马林溶液按一定比例配置后加热蒸发.通风系统熏蒸是把甲醛熏蒸灭菌仪器安装于送风管和排风管之间，需要进行甲醛熏蒸时，将甲醛倒入熏蒸气体发生器，打开送回风管关闭系统新风和排风，启动风机，气体扩散30min后，停止送回风系统.甲醛熏蒸应当在室温不低于21℃且相对湿度为70%的条件下进行[2].实验室通风系统中，在进风和排风总管处应安装气密型调节阀门，必要时可完全关闭阀门以进行室内化学熏蒸消毒.实验室的进风应经初、中、高效三级过滤.;实验室的排风必须经高效过滤或加其他方法处理后向空中排放[3].消毒时不能留死角，且保证消毒药的浓度和消毒时间.

        许多学者对生物实验室的气流组织进行了模拟，但尚未有对动物实验室通风熏蒸过程的模拟.耿文清等[4]对BSL-3主实验室2种通风方式的气流运动和气溶胶颗粒浓度分布与排除进行数值研究.李艳菊等[5]利用CFD技术研究了生物安全实验室两种不同气流组织下室内流场的分布.许钟麟等[6]认为用于生物安全实验室的气流组织中上送下回能把污染物迅速排出.李江龙等[7]对三级生物安全实验室两种排风方式进行了研究.宋黎等[8]对实验室内的气流和生物颗粒物的扩散运动进行了模拟.高立江等[9]利用AIRPAK2.1对生物安全实验室的细菌、灰尘浓度场进行了模拟.李在秋等[10]研究洁净室环境中空气速度场和温度场对洁净室功效的影响.蒋新波等[11]对实验动物笼架摆放几种方式下的气流组织进行了模拟.曹国庆等[12]分析了密闭熏蒸消毒、通风大系统消毒2种消毒模式的原理和优缺点.本文用CFD方法模拟研究了动物实验室通风熏蒸过程不同工况下气体浓度的瞬态分布规律及其影响因素.

        1;;研究對象

        以湖南省长沙某动物实验室为模型进行模拟研究.实验室长4m，宽1.8m，高2.4m.室内有一个靠墙的实验台，长3m，宽0.6m，高0.85m.房间顶部中间为一个边长0.5m的正方形送风口，4个墙角设置长0.3m，宽0.2m的排风口.熏蒸过程中实验室为空态，无动物、人员、内热源.换气次数为25次/h，循环风量为432m3/h，送风温度为27℃，送风风速为0.48m/s.当甲醛浓度为8～16mg/L，相对湿度为70%～75%时熏蒸的消毒杀菌效果良好[13].当室内的湿度大于65%，温度为24～40℃时，熏蒸的杀菌消毒效果最好[14].且当甲醛浓度为10.6mg/L，相对湿度为70%时能杀灭朊病毒外所有的微生物及芽孢[15].送风入口处甲醛浓度为9mg/L，通过化学质量分数方程换算成质量分数约为0.00697，入口湿度为75%，通过查焓湿图换算成水蒸气的质量分数为0.0167.图1为实验室平面图.图2为icem模型图.其中用数字标出代表不同的型号和功能的风口，1为1个0.5mx0.5m方形送风口，2为2个0.5m×0.25m条形送风口，3为4个0.25m×0.25m方形送风口，4为4个排风口.图3为熏蒸系统图.图4为熏蒸流程图.熏蒸时只关闭新风阀和排风阀，打开送风阀和回风阀，开启风管中的风机，控制风量和风速使空气循环.图5为网格质量图.

        2;;研究方法

        2.1;;数学方程

        模拟熏蒸过程使用的数学模型有能量守恒方程、动量守恒方程、连续性方程、组分质量守恒方程.式

（1）中为T时代表能量方程，为U时代表动量方程，为1时代表连续性方程，为C时代表组分输运方程[16].其中连续性方程的Γ与S均为0.熏蒸气体假设为粘性不可压牛顿流体，其通用控制方程可表示为：

        =Sφ-[Δ][（ρUφ）-Γφ[Δ]φ];;

（1）

        2.2;;边界条件

        通过在动物房取点实验测量得到室内运行后换气次数为15次/h的房间中心平均温度为25.8℃，湿度为58.4%，实验台中点的平均温度为24.2℃，湿度为62.1%.室内熏蒸的初始状态即实验前的无内热源、无熏蒸气体状态.模型和网格用icem软件建立形成，选择非结构网格，经检验网格质量发现无负体积网格、质量良好.送风口为velocity速度入口，排风口为outflow自由出口，墙壁与实验台表面贴保温层和不锈钢钢板，传热影响不明显，故使用绝热壁面边界条件.熏蒸的温度、湿度均要高于运行时的温度、湿度，故初始边界条件的温度为27℃，即300K，湿度为75%，室内甲醛为0mg/L，计算时用simple速度压力耦合算法，二阶迎风格式，低雷诺数湍流模型以及组分输运模型.先用稳态模拟室内流场，fluent软件计算10000收敛后再用瞬态模拟计算，时间步长为1s，总共迭代2000步，每步迭代20次，每200步记录一次数据.

        3;;结果分析

        3.1;;时间对熏蒸气体浓度的影响

        先用fluent软件计算实验室布置一个送风口时，送风风速为0.48m/s，换气次数为25次/h的室内27℃恒温工况，再用tecplot软件后处理，得到瞬态模拟结果.从中分别选取了不同时刻的X=0.9截面和Y=2截面上的甲醛气体浓度分布的等值线云图进行对比分析如下.由图6～图9可知扩散800s时X平面上气体浓度在中部气流中较大，左侧角落里浓度偏高，右侧浓度较低.Y平面上气体由送风气流带动下向周围逐渐扩散，浓度从中间向周围逐渐减小，左上角和右上角的浓度较低.扩散1200s时最小质量分数为0.006966，最低浓度为8.99511mg/L.最小湿度为76.1%.X平面左侧和右侧的低浓度区域进一步缩小，下侧气体浓度增加.Y平面上气体最低浓度增大，右侧气体浓度差异减小.随时间延长，气体扩散范围越大，室内最低气体浓度越高，空间整体气体浓度越均匀.

        3.2;;换气次数对气体浓度和湿度的影响

        为比较换气次数对熏蒸气体扩散的影响，改变风量和风速，计算了换气次数为20次/h和/30次/h的工况，分别将入口风速改为0.384m/s、0.576m/s，以原模型先用稳态计算收敛后再用瞬态计算.各取其1200s.结果如下：