頂送側(cè)回百級(jí)潔凈手術(shù)室模擬設(shè)計(jì)方法

　　摘要:以標(biāo)準(zhǔn)K - ε紊流模型為基礎(chǔ), 對(duì)頂送———相對(duì)兩側(cè)墻底部回風(fēng)百級(jí)潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行了CFD模擬研究, 得出流場(chǎng)特性分布規(guī)律, 并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

關(guān)鍵詞:潔凈室;數(shù)值模擬;流場(chǎng)

對(duì)于百級(jí)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(duì)工作截面平均風(fēng)速提出了0.25 ～ 0.3m /s的要求, 另外對(duì)回風(fēng)口和排風(fēng)口的風(fēng)速也做出明確規(guī)定。采用AIRPAK2.1專業(yè)軟件對(duì)實(shí)際運(yùn)行的百級(jí)潔凈手術(shù)室的流場(chǎng)進(jìn)行模擬, 分析動(dòng)態(tài)手術(shù)室的氣流控制效果。研究送風(fēng)量對(duì)工作截面風(fēng)速的影響, 以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范要求, 并為潔凈手術(shù)室的空調(diào)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。CFD(Compu ter Flu id Dynam ics)即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué), 是進(jìn)行“三傳”(傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞)及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的重要技術(shù), 廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)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(yù)測(cè)是CFD 技術(shù)應(yīng)

用的重要領(lǐng)域之一。

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

(1) Ⅰ ～ Ⅲ級(jí)潔凈手術(shù)室內(nèi)集中布置于手術(shù)臺(tái)上方的送風(fēng)口, 應(yīng)使包括手術(shù)臺(tái)的一定區(qū)域處于潔凈氣流形成的主流區(qū)內(nèi)。對(duì)于百級(jí)潔凈手術(shù)室, 送風(fēng)口面積應(yīng)不低于2.4m×2.6m =6.24m² , 并不應(yīng)超過(guò)其1.2倍。

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

(3)潔凈手術(shù)室必須設(shè)上部排風(fēng)口, 其位置宜在病人頭側(cè)的頂部。排風(fēng)口進(jìn)風(fēng)速度應(yīng)不大于2m/s。

(4)工作區(qū)截面風(fēng)速的檢驗(yàn)應(yīng)符合下列要求:Ⅰ 工作面高度截面平均風(fēng)速v 應(yīng)為0.25 ～0.3 m/s。v應(yīng)按下式計(jì)算:。其中, vi 為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度;K 為測(cè)點(diǎn)數(shù)。Ⅱ測(cè)點(diǎn)范圍為送風(fēng)口正投影區(qū)邊界0. 12m內(nèi)的面積, 均勻布點(diǎn), 測(cè)點(diǎn)平面布置見圖1。測(cè)點(diǎn)高度距地0. 8m, 無(wú)手術(shù)臺(tái)或工作面阻隔, 測(cè)點(diǎn)間距不應(yīng)大于0. 3 m。當(dāng)有不能移動(dòng)的阻隔時(shí), 測(cè)點(diǎn)可抬高至阻隔面之上0. 25 m。

2　數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2. 1　研究對(duì)象物理模型的建立

文獻(xiàn)[1] 提出了利用主流區(qū)作工作區(qū)的思路, 送風(fēng)口直接布置于手術(shù)臺(tái)上方。采用局部集中送風(fēng)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(tái)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(fēng)口, 相對(duì)兩側(cè)墻下部均勻布置回風(fēng)口。送風(fēng)口為2.6m ×2.4m, 排風(fēng)口為0.5m ×0.5m?；仫L(fēng)口為8個(gè), 下部距地面0.1m, 風(fēng)口大小為1.0m ×0.3m。手術(shù)臺(tái)周圍均勻布置8個(gè)醫(yī)務(wù)人員, 模型中用8個(gè)長(zhǎng)方體來(lái)表示。

2. 2　前提和假設(shè)^{[ 2]}

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

2. 3　基本方程和計(jì)算方法

潔凈手術(shù)室內(nèi)的空氣流動(dòng)一般為湍流, 空氣的流動(dòng)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)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(guò)求解湍能K 和湍能耗散率ε的輸運(yùn)方程得到湍流粘性系數(shù)。對(duì)于方程的離散和求解采用控制體積法?？刂企w積法又稱為有限體積法, 其基本思想是將計(jì)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(duì)每一個(gè)控制體積積分。這種方法的特點(diǎn)是所得到的解將精確地滿足整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)任何一組控制體積。本次計(jì)算用到的方程如下^{[ 2]} :

(1)連續(xù)性方程

(2)動(dòng)量方程

(3)紊流脈動(dòng)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(duì)于復(fù)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(zhǎng)方體, 所以采用了正六面體網(wǎng)格。在滿足網(wǎng)格足夠細(xì)密的基礎(chǔ)上, 盡量減少網(wǎng)格數(shù)量以減少計(jì)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(xì)密, 同時(shí)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(zhǎng)度分別設(shè)為0.5 m, 0.1m, 0.1m。相鄰物體間至少劃分3個(gè)網(wǎng)格,每個(gè)物體的每個(gè)邊至少劃分2個(gè)網(wǎng)格。此次模擬共生成72 990個(gè)節(jié)點(diǎn), 66571個(gè)網(wǎng)格, 網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2. 5　邊界條件的處理

(1)對(duì)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(jìn)行計(jì)算, 應(yīng)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(fēng)口:Vx =Vz =0, Vy =入口風(fēng)速, c =0,K =0. 04, ε=0. 008 。

(3)回風(fēng)口:應(yīng)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(shè)定

湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k - ε雙方程模型;流動(dòng)收斂準(zhǔn)則為0. 001;能量收斂準(zhǔn)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(fēng)格式;動(dòng)量離散格式均為一階迎風(fēng)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(dòng)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(fēng)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(fēng)速度分別為0. 35m /s、0. 4m /s、0. 45m /s、0. 5m /s時(shí)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(fēng)速度與相應(yīng)的工作截面極值速度繪成圖5所示曲線^{[ 3]} 。需要說(shuō)明的是:A IRPAK 后處理時(shí), 可輸出模型中任意指定坐標(biāo)點(diǎn)的變量值。在本次模擬計(jì)算中, 可按照?qǐng)D1布置測(cè)點(diǎn), 輸出各點(diǎn)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(fēng)速度的增大, 工作區(qū)速度也隨之增大。另外, 當(dāng)送風(fēng)速度為0. 35 ～ 0. 45m /s時(shí), 工作面平均風(fēng)速在0. 25 ～ 0. 3 m /s, 基本可以達(dá)到規(guī)范要求。因此, 在今后的潔凈手術(shù)室空調(diào)設(shè)計(jì)中, 推薦使用此送風(fēng)速度。

3. 2　斷面流場(chǎng)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(duì)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(jìn)行分析。圖6 ～圖9送風(fēng)速度均為0. 4 m /s。由圖6和圖7可以看出, 送風(fēng)口正下方至手術(shù)臺(tái)上方區(qū)域(主流區(qū))范圍內(nèi)氣流無(wú)橫向擴(kuò)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(fēng)口離送風(fēng)口距離較遠(yuǎn), 且排風(fēng)速度較小(0. 9 m /s), 排風(fēng)對(duì)送風(fēng)流場(chǎng)影響不大, 可見排風(fēng)口布置是合適的。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意排風(fēng)口與送風(fēng)口的距離和排風(fēng)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(tái)以下區(qū)域由于回風(fēng)影響, 氣流方向發(fā)生了明顯的傾斜。在手術(shù)臺(tái)下方及醫(yī)務(wù)人員身后也存在一個(gè)不穩(wěn)定渦流區(qū), 易堆積污染物, 當(dāng)有人員走動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)臺(tái)面造成威脅, 因此, 可在此類手術(shù)臺(tái)加上工作臺(tái)布。

4　結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)百級(jí)潔凈手術(shù)室的數(shù)值模擬, 較真實(shí)地反映了該潔凈手術(shù)室的流場(chǎng)分布情況, 證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)中部分技術(shù)參數(shù)范圍(如:送風(fēng)速度、排風(fēng)速度、工作面平均風(fēng)速等)的可操作性和合理性。

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

(3)此類潔凈手術(shù)室在送風(fēng)口為2.6m ×2.4m 時(shí), 送風(fēng)速度宜為0.35 ～ 0.45m /s, 工作面平均風(fēng)速基本達(dá)到規(guī)范要求, 過(guò)高的送風(fēng)速度將會(huì)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(kuò)散。

參　考　文　獻(xiàn)

[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(fēng)——同側(cè)下部回風(fēng)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(jí)潔凈手術(shù)室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[ J] . 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2002(6):56 ～ 62