顶送侧回百级洁净手术室模拟设计方法

　　摘要:以标准K - ε紊流模型為(wèi)基础, 对顶送———相对两侧墙底部回风百级洁净手术室空调系统的室内流场分(fēn)布进行了CFD模拟研究, 得出流场特性分(fēn)布规律, 并提出优化设计参数。

关键词:洁净室;数值模拟;流场

对于百级洁净手术室, 《医院洁净手术部建筑技术规范》中对工作截面平均风速提出了0.25 ～ 0.3m /s的要求, 另外对回风口和排风口的风速也做出明确规定。采用(yòng)AIRPAK2.1专业软件对实际运行的百级洁净手术室的流场进行模拟, 分(fēn)析动态手术室的气流控制效果。研究送风量对工作截面风速的影响, 以验证设计是否符合规范要求, 并為(wèi)洁净手术室的空调设计提供依据。CFD(Compu ter Flu id Dynam ics)即计算流體(tǐ)动力學(xué), 是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多(duō)相流和化學(xué)反应研究的重要技术, 广泛应用(yòng)于热能(néng)动力、土木(mù)水利、暖通空调及航空航天等诸多(duō)工程领域, 空气洁净及其模拟与预测是CFD 技术应

用(yòng)的重要领域之一。

1　规范中对百级洁净手术室的相关要求^[1]

(1) Ⅰ ～ Ⅲ级洁净手术室内集中布置于手术台上方的送风口, 应使包括手术台的一定區(qū)域处于洁净气流形成的主流區(qū)内。对于百级洁净手术室, 送风口面积应不低于2.4m×2.6m =6.24m² , 并不应超过其1.2倍。

(2)下部回风口洞口上边高度不应超过地面之上0.5m, 洞口下边离地面不应低于0.1m。室内回风口速度不应大于1.6m/s。

(3)洁净手术室必须设上部排风口, 其位置宜在病人头侧的顶部。排风口进风速度应不大于2m/s。

(4)工作區(qū)截面风速的检验应符合下列要求:Ⅰ 工作面高度截面平均风速v 应為(wèi)0.25 ～0.3 m/s。v应按下式计算:。其中, vi 為(wèi)每个测点的速度;K 為(wèi)测点数。Ⅱ测点范围為(wèi)送风口正投影區(qū)边界0. 12m内的面积, 均匀布点, 测点平面布置见图1。测点高度距地0. 8m, 无手术台或工作面阻隔, 测点间距不应大于0. 3 m。当有(yǒu)不能(néng)移动的阻隔时, 测点可(kě)抬高至阻隔面之上0. 25 m。

2　数值模拟的数學(xué)模型及计算方法

2. 1　研究对象物(wù)理(lǐ)模型的建立

文(wén)献[1] 提出了利用(yòng)主流區(qū)作工作區(qū)的思路, 送风口直接布置于手术台上方。采用(yòng)局部集中送风方式, 将最洁净的空气送至关键部位。手术室模型如图2所示, 面积為(wèi)8m×6 m, 吊顶下层高3.0m。手术台距地面0.8 m, 尺寸為(wèi)0.6 m ×1.8 m。空调气流组织形式為(wèi)顶送侧回, 顶部集中布置送风口, 相对两侧墙下部均匀布置回风口。送风口為(wèi)2.6m ×2.4m, 排风口為(wèi)0.5m ×0.5m。回风口為(wèi)8个, 下部距地面0.1m, 风口大小(xiǎo)為(wèi)1.0m ×0.3m。手术台周围均匀布置8个医務(wù)人员, 模型中用(yòng)8个長(cháng)方體(tǐ)来表示。

2. 2　前提和假设^{[ 2]}

室内气流為(wèi)不可(kě)压缩常物(wù)性牛顿流體(tǐ)。围护结构绝热, 室内医務(wù)人员可(kě)作為(wèi)内热源。洁净室内的流场、压力场均视為(wèi)准稳态。

2. 3　基本方程和计算方法

洁净手术室内的空气流动一般為(wèi)湍流, 空气的流动满足连续性方程、动量方程和能(néng)量方程。采用(yòng)目前在数值模拟方面较為(wèi)常用(yòng)的K - ε双方程湍流模型, 通过求解湍能(néng)K 和湍能(néng)耗散率ε的输运方程得到湍流粘性系数。对于方程的离散和求解采用(yòng)控制體(tǐ)积法。控制體(tǐ)积法又(yòu)称為(wèi)有(yǒu)限體(tǐ)积法, 其基本思想是将计算區(qū)域划分(fēn)為(wèi)许多(duō)互不重叠的网格, 即控制體(tǐ)积, 然后将偏微分(fēn)方程对每一个控制體(tǐ)积积分(fēn)。这种方法的特点是所得到的解将精确地满足整个计算區(qū)域内任何一组控制體(tǐ)积。本次计算用(yòng)到的方程如下^{[ 2]} :

(1)连续性方程

(2)动量方程

(3)紊流脉动动能(néng)方程

(4)紊流能(néng)量耗散率方程

其中, μi 為(wèi)速度矢量;P 為(wèi)压力, v為(wèi)运动粘性系数;vt 為(wèi)紊流粘性系数。i, j =1, 2, 3。C1 , C2 , Cε, Ck , Cμ,Cc均為(wèi)常数, 其取值分(fēn)别為(wèi):1.44 , 1.92, 1. 3, 1, 1, 0.09。

2. 4　网格的生成

A irpak中有(yǒu)两种类型的网格:正六面體(tǐ)和正四面體(tǐ)网格。正六面體(tǐ)网格适用(yòng)于绝大部分(fēn)情况。对于复杂的几何模型, 如球體(tǐ)或椭球體(tǐ), 采用(yòng)正四面體(tǐ)网格更為(wèi)合适。在本次模拟中, 模型均為(wèi)正方體(tǐ)或長(cháng)方體(tǐ), 所以采用(yòng)了正六面體(tǐ)网格。在满足网格足够细密的基础上, 尽量减少网格数量以减少计算量, 提高收敛的稳定性, 因此, 在速度梯度大的地方, 网格要足够细密, 同时尽量减少梯度小(xiǎo)的地方的网格数。X , Y, Z 方向网格的最大長(cháng)度分(fēn)别设為(wèi)0.5 m, 0.1m, 0.1m。相邻物(wù)體(tǐ)间至少划分(fēn)3个网格,每个物(wù)體(tǐ)的每个边至少划分(fēn)2个网格。此次模拟共生成72 990个节点, 66571个网格, 网格划分(fēn)如图3所示。

2. 5　边界条件的处理(lǐ)

(1)对于固定壁面边界, 由于壁面的作用(yòng), 在离壁面很(hěn)近的區(qū)域内粘性力起主要作用(yòng), 所以用(yòng)低雷诺数法处理(lǐ)近壁區(qū)域内的紊流, 在壁面附近划分(fēn)网格进行计算, 应满足Vx =Vy =Vz =0,K =0, ε=0(Vx 、Vy 、Vz 為(wèi)各方向上的速度分(fēn)量)。

(2)送风口:Vx =Vz =0, Vy =入口风速, c =0,K =0. 04, ε=0. 008 。

(3)回风口:应满足 K / n =0; ε/ n =0; c / n =0(n為(wèi)壁面外法線(xiàn)方向) 。

2. 6　离散求解的相关参数设定

湍流模型為(wèi)标准k - ε双方程模型;流动收敛准则為(wèi)0. 001;能(néng)量收敛准则為(wèi)1 ×10-6 ;压力离散格式為(wèi)质量力加权法;温度离散格式為(wèi)二阶迎风格式;动量离散格式均為(wèi)一阶迎风格式;欠松弛系数為(wèi)0.3～ 1.0 ;压力AMG 求解格式為(wèi)V 类型;温度(动量、k、ε)AMG 求解格式均為(wèi)Flex类型。

3　数值模拟结果与分(fēn)析

3. 1　不同送风速度下的工作區(qū)速度分(fēn)布图

根据规范的有(yǒu)关规定, 将工作區(qū)定為(wèi)y =1. 15m 处的xoz面。在送风速度分(fēn)别為(wèi)0. 35m /s、0. 4m /s、0. 45m /s、0. 5m /s时工作區(qū)速度分(fēn)布分(fēn)别如图4所示。

综合以上模拟结果, 将送风速度与相应的工作截面极值速度绘成图5所示曲線(xiàn)^{[ 3]} 。需要说明的是:A IRPAK 后处理(lǐ)时, 可(kě)输出模型中任意指定坐(zuò)标点的变量值。在本次模拟计算中, 可(kě)按照图1布置测点, 输出各点的速度值, 再求得工作區(qū)平均速度。

由图4、图5可(kě)以看出, 随着送风速度的增大, 工作區(qū)速度也随之增大。另外, 当送风速度為(wèi)0. 35 ～ 0. 45m /s时, 工作面平均风速在0. 25 ～ 0. 3 m /s, 基本可(kě)以达到规范要求。因此, 在今后的洁净手术室空调设计中, 推荐使用(yòng)此送风速度。

3. 2　断面流场分(fēn)析

洁净手术室的气流组织与一般空调房间有(yǒu)所不同, 要求将最干净的空气送到操作部位, 以限制和减少对工作區(qū)的污染。因此, 要尽量减少涡流區(qū), 避免将工作區(qū)以外的污染带入工作區(qū);工作區(qū)的气流分(fēn)布要尽量均匀。从模拟结果中选取具有(yǒu)代表性的断面进行分(fēn)析。图6 ～图9送风速度均為(wèi)0. 4 m /s。由图6和图7可(kě)以看出, 送风口正下方至手术台上方區(qū)域(主流區(qū))范围内气流无横向扩散, 主流流線(xiàn)近似平行, 基本為(wèi)单向流, 满足规范要求。由图8可(kě)以看出, 排风口离送风口距离较遠(yuǎn), 且排风速度较小(xiǎo)(0. 9 m /s), 排风对送风流场影响不大, 可(kě)见排风口布置是合适的。

在实际设计中应注意排风口与送风口的距离和排风速度, 以免发生气流短路现象。由图9可(kě)以看出, 手术台以下區(qū)域由于回风影响, 气流方向发生了明显的倾斜。在手术台下方及医務(wù)人员身后也存在一个不稳定涡流區(qū), 易堆积污染物(wù), 当有(yǒu)人员走动时会对台面造成威胁, 因此, 可(kě)在此类手术台加上工作台布。

4　结论

(1)通过对百级洁净手术室的数值模拟, 较真实地反映了该洁净手术室的流场分(fēn)布情况, 证实了标准中部分(fēn)技术参数范围(如:送风速度、排风速度、工作面平均风速等)的可(kě)操作性和合理(lǐ)性。

(2)模拟结果表明, 标准k -ε双方程模型适用(yòng)于洁净室流场的数值模拟研究。

(3)此类洁净手术室在送风口為(wèi)2.6m ×2.4m 时, 送风速度宜為(wèi)0.35 ～ 0.45m /s, 工作面平均风速基本达到规范要求, 过高的送风速度将会使室内涡流區(qū)增大, 可(kě)能(néng)造成污染物(wù)随气流向更大的空间扩散。

参　考　文(wén)　献

[1] GB50333 - 2002, 医院洁净手术部建筑技术规范[ S] .

[2] 鞠硕华, 周祖东. 上侧送风——同侧下部回风洁净室的数值模拟[ J] . 洁净与空调技术, 2000(4):6 ～ 10

[3] 颜伟. CFD技术在百级洁净手术室设计中的应用(yòng)[ J] . 建筑热能(néng)通风空调, 2002(6):56 ～ 62