百級潔凈層流手術(shù)室利用CFD 技術(shù)計(jì)算風(fēng)量

1 　概述

《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》頒布至今已經(jīng)有一年多了,《標(biāo)準(zhǔn)》對于規(guī)范潔凈手術(shù)部設(shè)計(jì)起到了重要的作用。

對于暖通空調(diào)領(lǐng)域來說,《標(biāo)準(zhǔn)》中對于不同等級的手術(shù)部的潔凈要求、送風(fēng)量要求、沉降菌濃度要求都作了明確的規(guī)定, 使設(shè)計(jì)工作有據(jù)可依。

但是, 對于百級潔凈層流手術(shù)室,《標(biāo)準(zhǔn)》中未對送風(fēng)量作出明確的規(guī)定, 只是對工作截面平均風(fēng)速提出了0 .25 ～ 0.3m/s的風(fēng)速要求, 眾所周知, 我國潔凈手術(shù)部設(shè)計(jì)是基于主流區(qū)控制理論的, 對于層流手術(shù)室送風(fēng)單元這種送風(fēng)形式, 又不可能利用射流公式進(jìn)行計(jì)算, 因此, 筆者在湘雅醫(yī)院層流手術(shù)室設(shè)計(jì)中利用CFD 技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

2 　層流手術(shù)室建模

醫(yī)院手術(shù)部建筑平面如圖1 所示, 層流手術(shù)室面積為9150×5600m² , 吊頂下層高3 .0m, 層流手術(shù)室等級為I 級, 空調(diào)氣流組織形式為頂送側(cè)回, 回風(fēng)口為8 個(gè), 底距0.1m , 風(fēng)口大小為1000×300m² , 手術(shù)臺距地1 .0m , 尺寸為0.6×1.8m² 。

考慮到手術(shù)過程中發(fā)菌是室內(nèi)發(fā)菌量的主要來源, 筆者用12 個(gè)長方柱表示12 個(gè)醫(yī)務(wù)人員。為保證模擬的準(zhǔn)確性,筆者采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法建模, 該模型的模擬結(jié)果即所謂靜態(tài)測試的結(jié)果, 建模后結(jié)果如圖2 所示。

3 　數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件

3 .1　數(shù)值計(jì)算模型

在暖通空調(diào)領(lǐng)域CFD 計(jì)算中, 普遍采的是K -e 雙方程模型, 在本模擬中也不例外, 限于篇幅, 關(guān)于該模型的詳細(xì)介紹, 本文不再贅述, 請參閱相關(guān)文獻(xiàn)[ 1] 。

在菌落模擬和濃度場模擬中有幾個(gè)假設(shè), (1)菌落都是附著于灰塵上的, 計(jì)算中用其附著的灰塵軌跡作為菌落的軌跡。(2)不考慮溫度的影響, 即忽略溫差驅(qū)動(dòng)力。(3)根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn), 地面8m² 的發(fā)塵量和發(fā)菌量一個(gè)人員的發(fā)塵發(fā)菌相當(dāng), 人靜止的發(fā)菌量為300 個(gè)/(人·min), 發(fā)塵量為105 個(gè)/min, 發(fā)塵量比例頂棚:墻面:地面=1 :5:100。(5)因?yàn)榛覊m的體積占?xì)怏w體積的比例微乎其微, 可以認(rèn)為對氣流流場沒有影響, 因此, 模擬中采用非耦合計(jì)算。模擬濃度場和菌落場的基本方程為動(dòng)量方程(X 方向)

其中F_D=18μ/(D²_pρ_pC_c)

C_c =1 +2λ/D_p[ 1 .257+0.4_exp(-1.1(D_p/2λ))]

式中　λ——— 為分子平均自由程;

u ——— 空氣速度;

u_p ——— 粒子速度;

g_x——— 重力;

ρ_p ——— 粒子密度;

ρ——— 空氣密度;

F_x ——— 其它驅(qū)動(dòng)力;

D_p ——— 粒子直徑;

μ——— 動(dòng)力粘滯系數(shù);

R_e ——— 雷諾數(shù);

3 .2　邊界條件處理

a、墻體邊界條件:

墻體速度邊界條件采用與紊流核心區(qū)不同的數(shù)學(xué)模型,將邊界層劃分為粘性底層和對數(shù)律層, 數(shù)學(xué)模型為:

式中　C_k ———Karman 常數(shù), 取0 .42

E——— 經(jīng)驗(yàn)數(shù)值, 取9 .81。

U_p ——— 網(wǎng)格點(diǎn)速度。

K_p ——— 網(wǎng)格點(diǎn)湍動(dòng)能。

y_p ——— 網(wǎng)格點(diǎn)與墻面的距離。

μ——— 流體紊流粘滯系數(shù)。

濃度場模擬中, 為簡化計(jì)算, 假設(shè)微粒和墻體之間的碰撞為彈性碰撞, 無動(dòng)量和能量損失。

b 、風(fēng)口邊界條件

送風(fēng)單元模型

嚴(yán)格來講, 送風(fēng)單元的數(shù)值模型應(yīng)該是相當(dāng)復(fù)雜的, 首先, 潔凈氣流經(jīng)送風(fēng)單元進(jìn)入房間應(yīng)該是個(gè)動(dòng)量守恒的過程, 而從另一方面考慮, 送風(fēng)單元的氣流進(jìn)入房間, 送風(fēng)斷面在離開孔板后速度應(yīng)該減小, 所以動(dòng)量似乎是減小了。這兩方面看起來是非常復(fù)雜的, 不能用不可壓的模型來描述, 而在我們暖通領(lǐng)域的模擬中, 往往不考慮氣體的可壓縮性, 所以會(huì)導(dǎo)致這種矛盾的現(xiàn)象。根據(jù)某送風(fēng)單元廠家的測試結(jié)論, 百級潔凈室送風(fēng)單元下0.3m 斷面送風(fēng)速度大致為0.47m/s, 這一結(jié)果比廠家用Q(風(fēng)量)/A(送風(fēng)單元面積)計(jì)算而得的送風(fēng)速度相差不大;為簡化模型, 筆者采用Q/ A 作為送風(fēng)單元以下的送風(fēng)速度。

濃度模擬中, 定義該邊界條件為逃逸邊界條件。

回風(fēng)口模型

回風(fēng)口為8 個(gè)1 ×0.3m² 的方型回風(fēng)口, 每個(gè)回風(fēng)口回風(fēng)量占總量的12.5 %。假設(shè)回風(fēng)口滿足充分發(fā)展段紊流出口模型。濃度模擬中, 此邊界條件也為逃逸邊界條件。

4 　計(jì)算結(jié)果分析

4 .1　速度場模擬結(jié)果分析

本模擬的主要目的是研究送風(fēng)量對工作面風(fēng)速的影響,為手術(shù)的空調(diào)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。計(jì)算時(shí)分別計(jì)算了0.41m/ s、0 .45m/ s、0 .48m/ s、0.50m/ s、0.52m/ s、0.54m/ s 時(shí)其工作面速度場分布, 模擬結(jié)果如圖3 、4、5 所示。

綜合模擬結(jié)果, 將工作面速度極值會(huì)成圖6 所示的曲線, 由模擬結(jié)果可以看出(1)在出口風(fēng)速的0.48m/ s 時(shí), 工作面平均風(fēng)速基本可以達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》中提出的0.25 ～ 0.3m/ s。(2)從曲線圖可以注意到, 隨著出口風(fēng)速的增大, 工作面風(fēng)速增大的速度逐漸減慢, 也就是說, 曲于受到手術(shù)床邊界條件的影響, 增加出口風(fēng)速來提高工作面風(fēng)速是不經(jīng)濟(jì)的, 且會(huì)造成靠近工作面附近區(qū)域速度梯度增大, 手術(shù)區(qū)上方產(chǎn)生吹風(fēng)感。(3)從送風(fēng)單元模型可以看出, 由于出口風(fēng)速的確定方法是Q/A, 而孔板送風(fēng)的送風(fēng)速度是稍大于這個(gè)風(fēng)速的,因此, 模擬風(fēng)量應(yīng)該是設(shè)計(jì)的保守風(fēng)量。

4 .2　落菌數(shù)模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果中, 顯示工作區(qū)域均滿足百級的落菌要求百級的落菌要求(5 個(gè)/m³)。由模擬結(jié)果可見, 在百級潔凈手術(shù)設(shè)計(jì)中, 落菌量已不是設(shè)計(jì)需要考慮的主要問題了, 在如此大的層流送風(fēng)環(huán)境下, 工作區(qū)甚至部分周邊區(qū)都能滿足落菌量要求。

4 .3　含塵量模擬結(jié)果分析

從模擬結(jié)果來看,(1)在送風(fēng)速度0.41m/ s 以上時(shí), 手術(shù)區(qū)工作面高度的含塵量基本都要以滿足百級要求(≥0.5μm的微粒數(shù)目小于等于35×100 個(gè))。(2)由于人員是房間主要的塵源之一, 所以, 人員對工作面濃度分布影響較大, 如圖所示, 在人員周圍較大范圍內(nèi)不能夠達(dá)到百級潔凈要求。(3)模擬結(jié)果顯示, 實(shí)際運(yùn)行過程中, 室內(nèi)濃度分布和主流區(qū)控制理論略有不同, 在手術(shù)臺和人員之間存在一個(gè)污峰區(qū), 要減少這個(gè)區(qū)域的影響, 有必要對醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行層流手術(shù)室的使用方面的培訓(xùn), 盡量減少對主流區(qū)流型的破壞。

5 　結(jié)論

(1)通過結(jié)潔凈層流手術(shù)室的數(shù)值模擬, 筆者認(rèn)為0.48m/ s 的送風(fēng)速度(風(fēng)量10782m3/h)可以滿足《標(biāo)準(zhǔn)》中對手術(shù)工作面斷面風(fēng)速的要求。

(2)在0 .48m/ s 的送風(fēng)風(fēng)速情況下, 工作區(qū)的含塵濃度和落菌量完全可以滿足百級層流手術(shù)室的潔凈度要求。

(3)由于人員對層流手術(shù)室潔凈度有很大影響, 應(yīng)對醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行必要的層流手術(shù)室使用培訓(xùn)。　

參考文獻(xiàn)

1 　顏偉.頂送四角回風(fēng)氣流組織形式的CFD 分析.建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2002(2)

2 　許鐘麟等.主流區(qū)理論———我國醫(yī)院潔凈手術(shù)要求集中布置送風(fēng)口的理論基礎(chǔ).暖通空調(diào),2001(5)

3 　張彥國等.不同送風(fēng)面積下潔凈室濃度場的數(shù)值模擬分析.建筑科學(xué), 1999(6)