頂送側(cè)回百級潔凈手術(shù)室模擬設計方法

　　摘要:以標準K - ε紊流模型為基礎, 對頂送———相對兩側(cè)墻底部回風百級潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)流場分布進行了CFD模擬研究, 得出流場特性分布規(guī)律, 并提出優(yōu)化設計參數(shù)。

關(guān)鍵詞:潔凈室;數(shù)值模擬;流場

對于百級潔凈手術(shù)室, 《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》中對工作截面平均風速提出了0.25 ～ 0.3m /s的要求, 另外對回風口和排風口的風速也做出明確規(guī)定。采用AIRPAK2.1專業(yè)軟件對實際運行的百級潔凈手術(shù)室的流場進行模擬, 分析動態(tài)手術(shù)室的氣流控制效果。研究送風量對工作截面風速的影響, 以驗證設計是否符合規(guī)范要求, 并為潔凈手術(shù)室的空調(diào)設計提供依據(jù)。CFD(Compu ter Flu id Dynam ics)即計算流體動力學, 是進行“三傳”(傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞)及燃燒、多相流和化學反應研究的重要技術(shù), 廣泛應用于熱能動力、土木水利、暖通空調(diào)及航空航天等諸多工程領(lǐng)域, 空氣潔凈及其模擬與預測是CFD 技術(shù)應

用的重要領(lǐng)域之一。

1　規(guī)范中對百級潔凈手術(shù)室的相關(guān)要求^[1]

(1) Ⅰ ～ Ⅲ級潔凈手術(shù)室內(nèi)集中布置于手術(shù)臺上方的送風口, 應使包括手術(shù)臺的一定區(qū)域處于潔凈氣流形成的主流區(qū)內(nèi)。對于百級潔凈手術(shù)室, 送風口面積應不低于2.4m×2.6m =6.24m² , 并不應超過其1.2倍。

(2)下部回風口洞口上邊高度不應超過地面之上0.5m, 洞口下邊離地面不應低于0.1m。室內(nèi)回風口速度不應大于1.6m/s。

(3)潔凈手術(shù)室必須設上部排風口, 其位置宜在病人頭側(cè)的頂部。排風口進風速度應不大于2m/s。

(4)工作區(qū)截面風速的檢驗應符合下列要求:Ⅰ 工作面高度截面平均風速v 應為0.25 ～0.3 m/s。v應按下式計算:。其中, vi 為每個測點的速度;K 為測點數(shù)。Ⅱ測點范圍為送風口正投影區(qū)邊界0. 12m內(nèi)的面積, 均勻布點, 測點平面布置見圖1。測點高度距地0. 8m, 無手術(shù)臺或工作面阻隔, 測點間距不應大于0. 3 m。當有不能移動的阻隔時, 測點可抬高至阻隔面之上0. 25 m。

2　數(shù)值模擬的數(shù)學模型及計算方法

2. 1　研究對象物理模型的建立

文獻[1] 提出了利用主流區(qū)作工作區(qū)的思路, 送風口直接布置于手術(shù)臺上方。采用局部集中送風方式, 將最潔凈的空氣送至關(guān)鍵部位。手術(shù)室模型如圖2所示, 面積為8m×6 m, 吊頂下層高3.0m。手術(shù)臺距地面0.8 m, 尺寸為0.6 m ×1.8 m?？照{(diào)氣流組織形式為頂送側(cè)回, 頂部集中布置送風口, 相對兩側(cè)墻下部均勻布置回風口。送風口為2.6m ×2.4m, 排風口為0.5m ×0.5m?；仫L口為8個, 下部距地面0.1m, 風口大小為1.0m ×0.3m。手術(shù)臺周圍均勻布置8個醫(yī)務人員, 模型中用8個長方體來表示。

2. 2　前提和假設^{[ 2]}

室內(nèi)氣流為不可壓縮常物性牛頓流體。圍護結(jié)構(gòu)絕熱, 室內(nèi)醫(yī)務人員可作為內(nèi)熱源。潔凈室內(nèi)的流場、壓力場均視為準穩(wěn)態(tài)。

2. 3　基本方程和計算方法

潔凈手術(shù)室內(nèi)的空氣流動一般為湍流, 空氣的流動滿足連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。采用目前在數(shù)值模擬方面較為常用的K - ε雙方程湍流模型, 通過求解湍能K 和湍能耗散率ε的輸運方程得到湍流粘性系數(shù)。對于方程的離散和求解采用控制體積法。控制體積法又稱為有限體積法, 其基本思想是將計算區(qū)域劃分為許多互不重疊的網(wǎng)格, 即控制體積, 然后將偏微分方程對每一個控制體積積分。這種方法的特點是所得到的解將精確地滿足整個計算區(qū)域內(nèi)任何一組控制體積。本次計算用到的方程如下^{[ 2]} :

(1)連續(xù)性方程

(2)動量方程

(3)紊流脈動動能方程

(4)紊流能量耗散率方程

其中, μi 為速度矢量;P 為壓力, v為運動粘性系數(shù);vt 為紊流粘性系數(shù)。i, j =1, 2, 3。C1 , C2 , Cε, Ck , Cμ,Cc均為常數(shù), 其取值分別為:1.44 , 1.92, 1. 3, 1, 1, 0.09。

2. 4　網(wǎng)格的生成

A irpak中有兩種類型的網(wǎng)格:正六面體和正四面體網(wǎng)格。正六面體網(wǎng)格適用于絕大部分情況。對于復雜的幾何模型, 如球體或橢球體, 采用正四面體網(wǎng)格更為合適。在本次模擬中, 模型均為正方體或長方體, 所以采用了正六面體網(wǎng)格。在滿足網(wǎng)格足夠細密的基礎上, 盡量減少網(wǎng)格數(shù)量以減少計算量, 提高收斂的穩(wěn)定性, 因此, 在速度梯度大的地方, 網(wǎng)格要足夠細密, 同時盡量減少梯度小的地方的網(wǎng)格數(shù)。X , Y, Z 方向網(wǎng)格的最大長度分別設為0.5 m, 0.1m, 0.1m。相鄰物體間至少劃分3個網(wǎng)格,每個物體的每個邊至少劃分2個網(wǎng)格。此次模擬共生成72 990個節(jié)點, 66571個網(wǎng)格, 網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2. 5　邊界條件的處理

(1)對于固定壁面邊界, 由于壁面的作用, 在離壁面很近的區(qū)域內(nèi)粘性力起主要作用, 所以用低雷諾數(shù)法處理近壁區(qū)域內(nèi)的紊流, 在壁面附近劃分網(wǎng)格進行計算, 應滿足Vx =Vy =Vz =0,K =0, ε=0(Vx 、Vy 、Vz 為各方向上的速度分量)。

(2)送風口:Vx =Vz =0, Vy =入口風速, c =0,K =0. 04, ε=0. 008 。

(3)回風口:應滿足 K / n =0; ε/ n =0; c / n =0(n為壁面外法線方向) 。

2. 6　離散求解的相關(guān)參數(shù)設定

湍流模型為標準k - ε雙方程模型;流動收斂準則為0. 001;能量收斂準則為1 ×10-6 ;壓力離散格式為質(zhì)量力加權(quán)法;溫度離散格式為二階迎風格式;動量離散格式均為一階迎風格式;欠松弛系數(shù)為0.3～ 1.0 ;壓力AMG 求解格式為V 類型;溫度(動量、k、ε)AMG 求解格式均為Flex類型。

3　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3. 1　不同送風速度下的工作區(qū)速度分布圖

根據(jù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定, 將工作區(qū)定為y =1. 15m 處的xoz面。在送風速度分別為0. 35m /s、0. 4m /s、0. 45m /s、0. 5m /s時工作區(qū)速度分布分別如圖4所示。

綜合以上模擬結(jié)果, 將送風速度與相應的工作截面極值速度繪成圖5所示曲線^{[ 3]} 。需要說明的是:A IRPAK 后處理時, 可輸出模型中任意指定坐標點的變量值。在本次模擬計算中, 可按照圖1布置測點, 輸出各點的速度值, 再求得工作區(qū)平均速度。

由圖4、圖5可以看出, 隨著送風速度的增大, 工作區(qū)速度也隨之增大。另外, 當送風速度為0. 35 ～ 0. 45m /s時, 工作面平均風速在0. 25 ～ 0. 3 m /s, 基本可以達到規(guī)范要求。因此, 在今后的潔凈手術(shù)室空調(diào)設計中, 推薦使用此送風速度。

3. 2　斷面流場分析

潔凈手術(shù)室的氣流組織與一般空調(diào)房間有所不同, 要求將最干凈的空氣送到操作部位, 以限制和減少對工作區(qū)的污染。因此, 要盡量減少渦流區(qū), 避免將工作區(qū)以外的污染帶入工作區(qū);工作區(qū)的氣流分布要盡量均勻。從模擬結(jié)果中選取具有代表性的斷面進行分析。圖6 ～圖9送風速度均為0. 4 m /s。由圖6和圖7可以看出, 送風口正下方至手術(shù)臺上方區(qū)域(主流區(qū))范圍內(nèi)氣流無橫向擴散, 主流流線近似平行, 基本為單向流, 滿足規(guī)范要求。由圖8可以看出, 排風口離送風口距離較遠, 且排風速度較小(0. 9 m /s), 排風對送風流場影響不大, 可見排風口布置是合適的。

在實際設計中應注意排風口與送風口的距離和排風速度, 以免發(fā)生氣流短路現(xiàn)象。由圖9可以看出, 手術(shù)臺以下區(qū)域由于回風影響, 氣流方向發(fā)生了明顯的傾斜。在手術(shù)臺下方及醫(yī)務人員身后也存在一個不穩(wěn)定渦流區(qū), 易堆積污染物, 當有人員走動時會對臺面造成威脅, 因此, 可在此類手術(shù)臺加上工作臺布。

4　結(jié)論

(1)通過對百級潔凈手術(shù)室的數(shù)值模擬, 較真實地反映了該潔凈手術(shù)室的流場分布情況, 證實了標準中部分技術(shù)參數(shù)范圍(如:送風速度、排風速度、工作面平均風速等)的可操作性和合理性。

(2)模擬結(jié)果表明, 標準k -ε雙方程模型適用于潔凈室流場的數(shù)值模擬研究。

(3)此類潔凈手術(shù)室在送風口為2.6m ×2.4m 時, 送風速度宜為0.35 ～ 0.45m /s, 工作面平均風速基本達到規(guī)范要求, 過高的送風速度將會使室內(nèi)渦流區(qū)增大, 可能造成污染物隨氣流向更大的空間擴散。

參　考　文　獻

[1] GB50333 - 2002, 醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范[ S] .

[2] 鞠碩華, 周祖東. 上側(cè)送風——同側(cè)下部回風潔凈室的數(shù)值模擬[ J] . 潔凈與空調(diào)技術(shù), 2000(4):6 ～ 10

[3] 顏偉. CFD技術(shù)在百級潔凈手術(shù)室設計中的應用[ J] . 建筑熱能通風空調(diào), 2002(6):56 ～ 62