張宇馳,劉淑蓮,郭剛祥

(1.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江省計(jì)量科學(xué)院,杭州 310018)

生物培養(yǎng)箱(以下簡稱培養(yǎng)箱)作為培養(yǎng)生物生長的重要裝置,在生物生長中起到了不可忽視的作用。為了生物的生長過程中保持活性和健康生長,需要培養(yǎng)箱具有穩(wěn)定的保溫效果,箱內(nèi)溫度過高或溫差過大均會(huì)導(dǎo)致生物生長出現(xiàn)問題。近年來,隨著生物技術(shù)的發(fā)展,培養(yǎng)箱的需求增加,對培養(yǎng)箱內(nèi)溫度的研究逐漸引起人們的重視。許多研究者基于計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)對生物生長環(huán)境的溫度進(jìn)行了研究。賈鶴鳴等[1-3]對生物的生長環(huán)境進(jìn)行了溫度場仿真,結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合,這證明了CFD溫度場仿真的可靠性,為進(jìn)一步研究提供了理論和技術(shù)支持。隨著生物技術(shù)的發(fā)展,培養(yǎng)箱成為許多實(shí)驗(yàn)室的重要設(shè)備,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[4-5]、微生物[6]、農(nóng)業(yè)科學(xué)[7]、藥物學(xué)[8]的研究和生產(chǎn),由于溫度是培養(yǎng)箱的重要影響因素,故許多研究者對培養(yǎng)箱溫度場進(jìn)行了分析。周峰等[9]對嬰兒培養(yǎng)箱設(shè)計(jì)了9組水平試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真,對培養(yǎng)箱內(nèi)溫度場和流場均勻性進(jìn)行了優(yōu)化;張京等[10-11]基于CFD軟件對CO2培養(yǎng)箱進(jìn)行仿真分析,研究了CO2培養(yǎng)箱內(nèi)溫度場的變化;宋文龍等[12-15]對植物培養(yǎng)箱進(jìn)行了溫度場仿真,驗(yàn)證了模型的可行性和提高了溫度場的均勻性。

研究者多使用Fluent軟件對培養(yǎng)箱溫度場進(jìn)行仿真,通過仿真結(jié)果改進(jìn)結(jié)構(gòu)的方法較少,因此,本研究使用CFD仿真研究培養(yǎng)箱溫度控制,采用Fluent軟件對培養(yǎng)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場仿真分析并進(jìn)行改進(jìn),分析安裝CO2檢測模塊對溫度場的影響,對CO2檢測模塊進(jìn)行圓角化優(yōu)化。

1 培養(yǎng)箱基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 有CO2檢測模塊的培養(yǎng)箱模型

1—同步帶;2—下底板;3—支撐板;4—外槽板;5—箱體;6—培養(yǎng)瓶;7—卡扣;8—制冷片罩蓋;9—制冷片;10—上底板;11—培養(yǎng)瓶底座;12—定位塊;13—CO2檢測模塊。圖1 有CO2檢測模塊的培養(yǎng)箱模型Fig.1 Incubator with CO2 detection module model

有CO2檢測模塊的培養(yǎng)箱模型如圖1所示,箱體外殼的長、寬、高分別為58、30.5、22 cm,箱體內(nèi)壁材料為不銹鋼,內(nèi)壁與外殼之間有接近絕熱的隔熱材料,箱內(nèi)底部區(qū)域由培養(yǎng)器下底板、前后左右支撐板和外槽板構(gòu)成,通過安裝在下底板上的4個(gè)定位塊定位,同步帶帶動(dòng)培養(yǎng)瓶轉(zhuǎn)動(dòng),其上方覆蓋了上底板,并安裝了CO2檢測模塊。培養(yǎng)箱進(jìn)出口如圖2所示,進(jìn)口位于制冷片罩蓋的下方,出口位于制冷片罩蓋的兩側(cè),正前方是前壁面,由玻璃門構(gòu)成,可打開。培養(yǎng)箱空氣流通路線如圖3所示,外界空氣從制冷片罩蓋下方進(jìn)口以一定的速度流入,進(jìn)入培養(yǎng)箱之后流經(jīng)培養(yǎng)瓶等,最后從制冷片罩蓋出口流出。持續(xù)通入一定溫度的空氣能保持培養(yǎng)箱內(nèi)部氣體溫度分布均勻。

圖3 培養(yǎng)箱空氣流通路線Fig.3 Air flow route of incubator

1.2 無CO2檢測模塊和CO2檢測模塊圓角化的培養(yǎng)箱模型

為了研究CO2檢測模塊是否對培養(yǎng)箱溫差有影響,在有CO2檢測模塊培養(yǎng)箱模型的基礎(chǔ)上,做以下兩種調(diào)整,一是將CO2檢測模塊移除,二是將CO2檢測模塊左右側(cè)面與頂面之間進(jìn)行半徑為18 mm的面倒圓,培養(yǎng)瓶分布和運(yùn)動(dòng)方式與原模型相同。無CO2檢測模塊培養(yǎng)箱模型如圖4所示,CO2檢測模塊圓角化模型如圖5所示。

圖4 無CO2檢測模塊的培養(yǎng)箱模型Fig.4 Incubator model with no CO2 detection module

圖5 CO2檢測模塊圓角化的培養(yǎng)箱模型Fig.5 Incubator model with CO2 detection module rounding

1.3 控制方程

進(jìn)出口和培養(yǎng)箱內(nèi)部流場同時(shí)具有層流、層流向湍流轉(zhuǎn)捩流、完全湍流,培養(yǎng)箱內(nèi)又有流場的內(nèi)部循環(huán),所以采用方程轉(zhuǎn)捩的k-kl-ω模型。k-kl-ω模型是一個(gè)三方程的渦流-黏性型模型:

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中:kT為湍流動(dòng)能;PkT為湍流產(chǎn)生項(xiàng);R為波動(dòng)流向旁路過渡時(shí)分解為湍流的平均效應(yīng);Rnat為湍流破裂,是一個(gè)自然過渡生產(chǎn)項(xiàng);ω為逆湍流時(shí)間標(biāo)度;DT為湍流近壁耗散;v為湍流黏度;αT為湍流標(biāo)量擴(kuò)散系數(shù);αk為動(dòng)能標(biāo)量擴(kuò)散系數(shù);αω為逆湍流時(shí)間標(biāo)度標(biāo)量擴(kuò)散系數(shù);kL為層流動(dòng)能;PkL為層流產(chǎn)生項(xiàng);DL為層流近壁耗散;fω為阻尼;fW為小規(guī)模能量;Cω1、Cω2、Cω3、CωR分別為0.44、0.9、0.9、1.5。

2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算條件

2.1 網(wǎng)格劃分

培養(yǎng)箱的網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,為了著重研究培養(yǎng)瓶附近溫度,對培養(yǎng)瓶進(jìn)行網(wǎng)格加密,同時(shí)對同步帶和傳動(dòng)輪進(jìn)行加密。培養(yǎng)箱的網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 培養(yǎng)箱的網(wǎng)格劃分Fig.6 Meshing generation of incubator

2.2 邊界條件及收斂性計(jì)算

入口設(shè)置為速度進(jìn)口,v=4 m/s,出口邊界條件設(shè)置為自由流出口,培養(yǎng)瓶等其余部件皆設(shè)置為壁面。入口風(fēng)溫度設(shè)置為27 ℃,培養(yǎng)瓶溫度設(shè)置為20 ℃,培養(yǎng)箱內(nèi)初始溫度設(shè)置為23.5 ℃。

使用單精度方式求解納維-斯托克斯方程,動(dòng)量方程計(jì)算采用三階迎風(fēng)格式,能量方程計(jì)算采用二階迎風(fēng)格式,其余方程計(jì)算采用一階迎風(fēng)格式。

2.3 網(wǎng)格數(shù)無關(guān)性分析

網(wǎng)格數(shù)無關(guān)性分析見表1。由表1可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為13 487 194時(shí),平均溫度為24.228 ℃,與網(wǎng)格數(shù)為15 762 036時(shí)的平均溫度相差0.02 ℃,大約為網(wǎng)格數(shù)為15 762 036時(shí)平均溫度的0.4%;當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為17 291 167時(shí),平均溫度為24.189 ℃,與網(wǎng)格數(shù)為15 762 036時(shí)的平均溫度相差0.019 ℃,大約為網(wǎng)格數(shù)為15 762 036時(shí)平均溫度的0.38%;而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為17 291 167時(shí),計(jì)算機(jī)提示“由于網(wǎng)格過多是否顯示網(wǎng)格”,即將達(dá)到計(jì)算機(jī)極限值,會(huì)過多占用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。因此當(dāng)選擇15 762 036這一網(wǎng)格數(shù)研究時(shí),既能充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力,又能有足夠的網(wǎng)格使計(jì)算精確。

表1 網(wǎng)格數(shù)無關(guān)性分析Table 1 Grid number independence analysis

3 有無CO2檢測模塊對溫度場的影響

3.1 溫度場云圖分析

培養(yǎng)箱溫度總體情況如圖7所示,溫度在22～27 ℃(295.15～300.15 K)之間,最高點(diǎn)在進(jìn)口處,總體溫度情況為從中心向邊緣降低。由于總體圖難以看到培養(yǎng)瓶附近的溫度變化,故需取截面來觀察。在距離箱體底部高度為80 mm處截取截面,觀察截面溫度云圖。有CO2檢測模塊模型截面溫度云圖如圖8(a)所示,無CO2檢測模塊模型截面溫度云圖如圖8(b)所示。由圖8可知,培養(yǎng)箱溫度分布為中間溫度高,邊緣溫度低。相比有CO2檢測模塊模型的溫度云圖,無CO2檢測模塊模型的溫度云圖在中間培養(yǎng)瓶處無溫度降低情況。

圖8 模型截面溫度云圖Fig.8 Cross-sectional temperature cloud diagram of model

3.2 溫度場測點(diǎn)選取及分析

為了了解培養(yǎng)瓶附近的溫度變化情況,在培養(yǎng)瓶附近選取測點(diǎn)。由于培養(yǎng)箱對稱,故取5個(gè)培養(yǎng)瓶研究。在每個(gè)培養(yǎng)瓶附近取10個(gè)測點(diǎn),前后兩個(gè)面各取5個(gè)測點(diǎn)。培養(yǎng)箱附近測點(diǎn)分布如圖9所示,測點(diǎn)分布在面1(橙色面)和面2(藍(lán)色面)上。面1和面2上的測點(diǎn)如圖10所示。

圖9 培養(yǎng)箱附近測點(diǎn)分布Fig.9 Distribution of measuring points near incubator

圖10 面1和面2上的測點(diǎn)Fig.10 Measurement point diagram on face 1 and face 2

測點(diǎn)溫度曲線如圖11所示,從圖中可以看出,無CO2檢測模塊后,培養(yǎng)瓶1附近測點(diǎn)2處的溫度無陡降,且培養(yǎng)瓶1附近的溫差有所減小;培養(yǎng)瓶2和培養(yǎng)瓶3附近溫差也明顯有所減小;培養(yǎng)瓶4附近溫度變化微小;培養(yǎng)瓶5處溫差有所增大。由此得到,無CO2檢測模塊時(shí),多數(shù)培養(yǎng)瓶附近溫差減小,雖有少部分培養(yǎng)瓶附近溫差變大,但總體溫差有所減小。由于CO2檢測模塊需安裝在培養(yǎng)箱內(nèi),故需改進(jìn)CO2檢測模塊使培養(yǎng)箱內(nèi)溫差不會(huì)因有CO2檢測模塊而增大。

圖11 測點(diǎn)溫度曲線Fig.11 Temperature curves of measuring points

4 CO2檢測模塊圓角化對溫度場的影響

為解決有CO2檢測模塊使培養(yǎng)箱內(nèi)溫差增大的情況,本研究采用CO2檢測模塊圓角化的方法。

4.1 溫度場云圖分析

與3.1節(jié)取相同截面觀察,CO2檢測模塊圓角化的培養(yǎng)箱模型截面溫度云圖如圖12所示。由圖12可知,CO2檢測模塊圓角化的培養(yǎng)箱模型與有CO2檢測模塊的培養(yǎng)箱模型和無CO2檢測模塊的培養(yǎng)箱模型溫度分布類似,中間溫度高,從中心向邊緣溫度逐漸降低,但中間培養(yǎng)瓶處溫度突變不明顯。

圖12 CO2檢測模塊圓角化模型截面溫度云圖Fig.12 Cross-sectional temperature cloud diagram ofCO2 detection module rounding model

4.2 溫度場測點(diǎn)選取與分析

溫度場的測點(diǎn)選取方法與3.2節(jié)相同。加上CO2檢測模塊圓角化數(shù)據(jù)的測點(diǎn)溫度曲線如圖13所示。由圖13可知,CO2檢測模塊圓角化后,培養(yǎng)瓶1～3附近溫差相比原模型(有CO2檢測模塊)明顯減小,與無CO2檢測模塊的模型溫差相差極小;培養(yǎng)瓶4附近溫差與有CO2檢測模塊的原模型和無CO2檢測模塊模型皆相差極小;培養(yǎng)瓶5附近溫差相比原模型略微增大,但明顯小于無CO2檢測模塊。由此可得,CO2檢測模塊圓角化可以消減有CO2檢測模塊所帶來的溫差增大,僅有個(gè)別培養(yǎng)瓶附近溫度略微大于原模型,可以忽略不計(jì)。本研究考慮的是靜態(tài)情況,由于培養(yǎng)箱內(nèi)有同步帶帶動(dòng)培養(yǎng)瓶轉(zhuǎn)動(dòng),所以實(shí)際每個(gè)培養(yǎng)瓶的溫差會(huì)比靜態(tài)時(shí)更小。

圖13 測點(diǎn)溫度曲線Fig.13 Temperature curves of measuring points

5 結(jié) 語

本研究對生物培養(yǎng)箱內(nèi)溫度場進(jìn)行了仿真分析,同時(shí)對模型進(jìn)行了兩種方案的改進(jìn)。培養(yǎng)箱內(nèi)無CO2檢測模塊模型相比有CO2檢測模塊模型在多數(shù)培養(yǎng)瓶附近溫差有所減小,少數(shù)培養(yǎng)瓶附近有所增大;CO2檢測模塊圓角化培養(yǎng)箱模型在多數(shù)培養(yǎng)瓶附近溫差相比原設(shè)計(jì)模型有所減小,少數(shù)培養(yǎng)瓶附近溫差僅略微增加(可以忽略不計(jì)),比無CO2檢測模塊時(shí)溫差更小。因此,CO2檢測模塊圓角化方案最佳。本研究對培養(yǎng)箱結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化方案且取得了較好的效果,之后可以進(jìn)一步研究圓角化程度對培養(yǎng)箱溫度場分布的影響。