頂送側回百級潔凈手術室模擬設計方法

　　摘要:以標準K - ε紊流模型為基礎, 對頂送———相對兩側墻底部回風百級潔凈手術室空調系統的室內流場分布進行了CFD模擬研究, 得出流場特性分布規律, 并提出優化設計參數。

關鍵詞:潔凈室;數值模擬;流場

對于百級潔凈手術室, 《醫院潔凈手術部建筑技術規范》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定。采用AIRPAK2.1專業軟件對實際運行的百級潔凈手術室的流場進行模擬, 分析動態手術室的氣流控制效果。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范要求, 并為潔凈手術室的空調設計提供依據。CFD(Compu ter Flu id Dynam ics)即計算流體動力學, 是進行“三傳”(傳熱、傳質、動量傳遞)及燃燒、多相流和化學反應研究的重要技術, 廣泛應用于熱能動力、土木水利、暖通空調及航空航天等諸多工程領域, 空氣潔凈及其模擬與預測是CFD 技術應

用的重要領域之一。

1　規范中對百級潔凈手術室的相關要求^[1]

(1) Ⅰ ～ Ⅲ級潔凈手術室內集中布置于手術臺上方的送風口, 應使包括手術臺的一定區域處于潔凈氣流形成的主流區內。對于百級潔凈手術室, 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。室內回風口速度不應大于1.6m/s。

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

(4)工作區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。Ⅱ測點范圍為送風口正投影區邊界0. 12m內的面積, 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　數值模擬的數學模型及計算方法

2. 1　研究對象物理模型的建立

文獻[1] 提出了利用主流區作工作區的思路, 送風口直接布置于手術臺上方。采用局部集中送風方式, 將最潔凈的空氣送至關鍵部位。手術室模型如圖2所示, 面積為8m×6 m, 吊頂下層高3.0m。手術臺距地面0.8 m, 尺寸為0.6 m ×1.8 m。空調氣流組織形式為頂送側回, 頂部集中布置送風口, 相對兩側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。回風口為8個, 下部距地面0.1m, 風口大小為1.0m ×0.3m。手術臺周圍均勻布置8個醫務人員, 模型中用8個長方體來表示。

2. 2　前提和假設^{[ 2]}

室內氣流為不可壓縮常物性牛頓流體。圍護結構絕熱, 室內醫務人員可作為內熱源。潔凈室內的流場、壓力場均視為準穩態。

2. 3　基本方程和計算方法

潔凈手術室內的空氣流動一般為湍流, 空氣的流動滿足連續性方程、動量方程和能量方程。采用目前在數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。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域劃分為許多互不重疊的網格, 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域內任何一組控制體積。本次計算用到的方程如下^{[ 2]} :

(1)連續性方程

(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;vt 為紊流粘性系數。i, j =1, 2, 3。C1 , C2 , Cε, Ck , Cμ,Cc均為常數, 其取值分別為:1.44 , 1.92, 1. 3, 1, 1, 0.09。

2. 4　網格的生成

A irpak中有兩種類型的網格:正六面體和正四面體網格。正六面體網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格。在滿足網格足夠細密的基礎上, 盡量減少網格數量以減少計算量, 提高收斂的穩定性, 因此, 在速度梯度大的地方, 網格要足夠細密, 同時盡量減少梯度小的地方的網格數。X , Y, Z 方向網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個網格,每個物體的每個邊至少劃分2個網格。此次模擬共生成72 990個節點, 66571個網格, 網格劃分如圖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, 在離壁面很近的區域內粘性力起主要作用, 所以用低雷諾數法處理近壁區域內的紊流, 在壁面附近劃分網格進行計算, 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　離散求解的相關參數設定

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 ;壓力離散格式為質量力加權法;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　數值模擬結果與分析

3. 1　不同送風速度下的工作區速度分布圖

根據規范的有關規定, 將工作區定為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時工作區速度分布分別如圖4所示。

綜合以上模擬結果, 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, 基本可以達到規范要求。因此, 在今后的潔凈手術室空調設計中, 推薦使用此送風速度。

3. 2　斷面流場分析

潔凈手術室的氣流組織與一般空調房間有所不同, 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的污染。因此, 要盡量減少渦流區, 避免將工作區以外的污染帶入工作區;工作區的氣流分布要盡量均勻。從模擬結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臺上方區域(主流區)范圍內氣流無橫向擴散, 主流流線近似平行, 基本為單向流, 滿足規范要求。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, 以免發生氣流短路現象。由圖9可以看出, 手術臺以下區域由于回風影響, 氣流方向發生了明顯的傾斜。在手術臺下方及醫務人員身后也存在一個不穩定渦流區, 易堆積污染物, 當有人員走動時會對臺面造成威脅, 因此, 可在此類手術臺加上工作臺布。

4　結論

(1)通過對百級潔凈手術室的數值模擬, 較真實地反映了該潔凈手術室的流場分布情況, 證實了標準中部分技術參數范圍(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)模擬結果表明, 標準k -ε雙方程模型適用于潔凈室流場的數值模擬研究。

(3)此類潔凈手術室在送風口為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范要求, 過高的送風速度將會使室內渦流區增大, 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, 醫院潔凈手術部建筑技術規范[ S] .

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

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