百级洁净层流手术室利用(yòng)CFD 技术计算风量

1 　概述

《医院洁净手术部建设标准》颁布至今已经有(yǒu)一年多(duō)了,《标准》对于规范洁净手术部设计起到了重要的作用(yòng)。

对于暖通空调领域来说,《标准》中对于不同等级的手术部的洁净要求、送风量要求、沉降菌浓度要求都作了明确的规定, 使设计工作有(yǒu)据可(kě)依。

但是, 对于百级洁净层流手术室,《标准》中未对送风量作出明确的规定, 只是对工作截面平均风速提出了0 .25 ～ 0.3m/s的风速要求, 众所周知, 我國(guó)洁净手术部设计是基于主流區(qū)控制理(lǐ)论的, 对于层流手术室送风单元这种送风形式, 又(yòu)不可(kě)能(néng)利用(yòng)射流公式进行计算, 因此, 筆(bǐ)者在湘雅医院层流手术室设计中利用(yòng)CFD 技术进行数值模拟计算。

2 　层流手术室建模

医院手术部建筑平面如图1 所示, 层流手术室面积為(wèi)9150×5600m² , 吊顶下层高3 .0m, 层流手术室等级為(wèi)I 级, 空调气流组织形式為(wèi)顶送侧回, 回风口為(wèi)8 个, 底距0.1m , 风口大小(xiǎo)為(wèi)1000×300m² , 手术台距地1 .0m , 尺寸為(wèi)0.6×1.8m² 。

考虑到手术过程中发菌是室内发菌量的主要来源, 筆(bǐ)者用(yòng)12 个長(cháng)方柱表示12 个医務(wù)人员。為(wèi)保证模拟的准确性,筆(bǐ)者采用(yòng)四面體(tǐ)非结构网格划分(fēn)方法建模, 该模型的模拟结果即所谓静态测试的结果, 建模后结果如图2 所示。

3 　数值计算模型及边界条件

3 .1　数值计算模型

在暖通空调领域CFD 计算中, 普遍采的是K -e 双方程模型, 在本模拟中也不例外, 限于篇幅, 关于该模型的详细介绍, 本文(wén)不再赘述, 请参阅相关文(wén)献[ 1] 。

在菌落模拟和浓度场模拟中有(yǒu)几个假设, (1)菌落都是附着于灰尘上的, 计算中用(yòng)其附着的灰尘轨迹作為(wèi)菌落的轨迹。(2)不考虑温度的影响, 即忽略温差驱动力。(3)根据有(yǒu)关文(wén)献, 地面8m² 的发尘量和发菌量一个人员的发尘发菌相当, 人静止的发菌量為(wèi)300 个/(人·min), 发尘量為(wèi)105 个/min, 发尘量比例顶棚:墙面:地面=1 :5:100。(5)因為(wèi)灰尘的體(tǐ)积占气體(tǐ)體(tǐ)积的比例微乎其微, 可(kě)以认為(wèi)对气流流场没有(yǒu)影响, 因此, 模拟中采用(yòng)非耦合计算。模拟浓度场和菌落场的基本方程為(wèi)动量方程(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(wèi)分(fēn)子平均自由程;

u ——— 空气速度;

u_p ——— 粒子速度;

g_x——— 重力;

ρ_p ——— 粒子密度;

ρ——— 空气密度;

F_x ——— 其它驱动力;

D_p ——— 粒子直径;

μ——— 动力粘滞系数;

R_e ——— 雷诺数;

3 .2　边界条件处理(lǐ)

a、墙體(tǐ)边界条件:

墙體(tǐ)速度边界条件采用(yòng)与紊流核心區(qū)不同的数學(xué)模型,将边界层划分(fēn)為(wèi)粘性底层和对数律层, 数學(xué)模型為(wèi):

式中　C_k ———Karman 常数, 取0 .42

E——— 经验数值, 取9 .81。

U_p ——— 网格点速度。

K_p ——— 网格点湍动能(néng)。

y_p ——— 网格点与墙面的距离。

μ——— 流體(tǐ)紊流粘滞系数。

浓度场模拟中, 為(wèi)简化计算, 假设微粒和墙體(tǐ)之间的碰撞為(wèi)弹性碰撞, 无动量和能(néng)量损失。

b 、风口边界条件

送风单元模型

严格来讲, 送风单元的数值模型应该是相当复杂的, 首先, 洁净气流经送风单元进入房间应该是个动量守恒的过程, 而从另一方面考虑, 送风单元的气流进入房间, 送风断面在离开孔板后速度应该减小(xiǎo), 所以动量似乎是减小(xiǎo)了。这两方面看起来是非常复杂的, 不能(néng)用(yòng)不可(kě)压的模型来描述, 而在我们暖通领域的模拟中, 往往不考虑气體(tǐ)的可(kě)压缩性, 所以会导致这种矛盾的现象。根据某送风单元厂家的测试结论, 百级洁净室送风单元下0.3m 断面送风速度大致為(wèi)0.47m/s, 这一结果比厂家用(yòng)Q(风量)/A(送风单元面积)计算而得的送风速度相差不大;為(wèi)简化模型, 筆(bǐ)者采用(yòng)Q/ A 作為(wèi)送风单元以下的送风速度。

浓度模拟中, 定义该边界条件為(wèi)逃逸边界条件。

回风口模型

回风口為(wèi)8 个1 ×0.3m² 的方型回风口, 每个回风口回风量占总量的12.5 %。假设回风口满足充分(fēn)发展段紊流出口模型。浓度模拟中, 此边界条件也為(wèi)逃逸边界条件。

4 　计算结果分(fēn)析

4 .1　速度场模拟结果分(fēn)析

本模拟的主要目的是研究送风量对工作面风速的影响,為(wèi)手术的空调设计提供依据。计算时分(fēn)别计算了0.41m/ s、0 .45m/ s、0 .48m/ s、0.50m/ s、0.52m/ s、0.54m/ s 时其工作面速度场分(fēn)布, 模拟结果如图3 、4、5 所示。

综合模拟结果, 将工作面速度极值会成图6 所示的曲線(xiàn), 由模拟结果可(kě)以看出(1)在出口风速的0.48m/ s 时, 工作面平均风速基本可(kě)以达到《标准》中提出的0.25 ～ 0.3m/ s。(2)从曲線(xiàn)图可(kě)以注意到, 随着出口风速的增大, 工作面风速增大的速度逐渐减慢, 也就是说, 曲于受到手术床边界条件的影响, 增加出口风速来提高工作面风速是不经济的, 且会造成靠近工作面附近區(qū)域速度梯度增大, 手术區(qū)上方产生吹风感。(3)从送风单元模型可(kě)以看出, 由于出口风速的确定方法是Q/A, 而孔板送风的送风速度是稍大于这个风速的,因此, 模拟风量应该是设计的保守风量。

4 .2　落菌数模拟结果分(fēn)析

模拟结果中, 显示工作區(qū)域均满足百级的落菌要求百级的落菌要求(5 个/m³)。由模拟结果可(kě)见, 在百级洁净手术设计中, 落菌量已不是设计需要考虑的主要问题了, 在如此大的层流送风环境下, 工作區(qū)甚至部分(fēn)周边區(qū)都能(néng)满足落菌量要求。

4 .3　含尘量模拟结果分(fēn)析

从模拟结果来看,(1)在送风速度0.41m/ s 以上时, 手术區(qū)工作面高度的含尘量基本都要以满足百级要求(≥0.5μm的微粒数目小(xiǎo)于等于35×100 个)。(2)由于人员是房间主要的尘源之一, 所以, 人员对工作面浓度分(fēn)布影响较大, 如图所示, 在人员周围较大范围内不能(néng)够达到百级洁净要求。(3)模拟结果显示, 实际运行过程中, 室内浓度分(fēn)布和主流區(qū)控制理(lǐ)论略有(yǒu)不同, 在手术台和人员之间存在一个污峰區(qū), 要减少这个區(qū)域的影响, 有(yǒu)必要对医務(wù)人员进行层流手术室的使用(yòng)方面的培训, 尽量减少对主流區(qū)流型的破坏。

5 　结论

(1)通过结洁净层流手术室的数值模拟, 筆(bǐ)者认為(wèi)0.48m/ s 的送风速度(风量10782m3/h)可(kě)以满足《标准》中对手术工作面断面风速的要求。

(2)在0 .48m/ s 的送风风速情况下, 工作區(qū)的含尘浓度和落菌量完全可(kě)以满足百级层流手术室的洁净度要求。

(3)由于人员对层流手术室洁净度有(yǒu)很(hěn)大影响, 应对医務(wù)人员进行必要的层流手术室使用(yòng)培训。　

参考文(wén)献

1 　颜伟.顶送四角回风气流组织形式的CFD 分(fēn)析.建筑热能(néng)通风空调, 2002(2)

2 　许钟麟等.主流區(qū)理(lǐ)论———我國(guó)医院洁净手术要求集中布置送风口的理(lǐ)论基础.暖通空调,2001(5)

3 　张彦國(guó)等.不同送风面积下洁净室浓度场的数值模拟分(fēn)析.建筑科(kē)學(xué), 1999(6)