潔淨手術室設計中應用CFD對氣流組織分析

合理的氣流組織是醫院潔淨手術室空調係統設計的重要內容。文章以RNG K-ε湍流雙方程模型為基礎, 采用CFD 技術, 建立了相應的物理和數學模型, 對上送——相對單側牆底部回風潔淨手術室內速度場進行了數值模擬, 得到了潔淨手術室內工作麵三維速度場與二維流場的分布。

潔淨手術室的空調設計最終目的是以經濟可行的空調係統設計和合理的氣流組織, 維持手術室內氣候環境(溫濕度、氣流及汙染物濃度等的分布), 並除去空氣中的塵埃、微生物和有害氣體[ 1 , 2] 。為實現對這些環境參數的合理控製, 有必要采用CFD 技術對室內氣流組織, 進行三維分析研究。隨著計算機技術、流體力學的發展, 計算流體力學(Computa tional Fluid Dy namics , 簡稱CFD)已經廣泛應用於熱能動力、土木水利、環境化工、暖通空調及空氣淨化等諸多工程領域[ 3 -5] 。

1 　數學物理模型

1. 1 　物理模型

千級潔淨手術室屬於非單向流潔淨室, 其工作原理是通過布置在手術室頂棚的潔淨送風單元, 向下吹出潔淨氣流, 利用潔淨的氣流稀釋手術室內含塵濃度較高的空氣, 將等量的空氣從回風口排出。送風單元下的手術台及周邊區域處於潔

淨氣流的主流區, 潔淨度最高, 並且保持局部單向流[ 6] 。潔淨手術室麵積(8 ×4)m2 , 吊頂下高度3 m , 潔淨等級為千級。空調氣流組織形式為頂送風單側下回風, 送風口尺寸為2 m ×1. 2 m , 集中布置於手術台上方。回風口為4 個, 尺寸為

0. 8 m ×0. 3 m 。回風口下沿距離地麵0. 1 m , 連續布置, 手術台為1. 8 m ×0. 6 m ×0. 8 m 。

1. 2 　建立數學模型

1. 2. 1 　控製方程

潔淨手術室內的空氣流動通常處於穩態的湍流流動, 可以用不可壓縮流體的黏性流動控製微分方程來描述。暖通空調領域CFD 數值模擬常用K-ε兩方程模型, 其中K 為湍流動能, ε為湍流耗散率。本文采用RNG K-ε雙方程模型, 它是對標準K-ε雙方程模型的改進。為簡化計算, 對RNG K-ε雙方程模型作如下假設:

(1) 氣流流動為穩態湍流流動。

(2) 由於所研究的潔淨手術室內空氣流速很小, 斷麵風速小於0. 5 m / s , 所以視手術室內氣體為不可壓縮流動, 且符合Boussinesq假設[ 7] , 即認為流體密度變化僅對浮升力產生影響。

(3) 室內氣體屬於牛頓流體, 作定常流動。

(4) 不考慮漏風的影響, 即認為潔淨手術室內氣密性良好。標準K-ε模型中, 湍流動能K 及其耗散率ε是未知量, 可從下麵的輸運方程組得到

在RNG K-ε模型輸運方程中, 從控製方程中去除小尺度的運動, 得到的模型輸運方程與標準K-ε模型輸運方程有相似的形式[8] , 即

其中

RNG K-ε模型與標準K-ε模型相比, 對於近壁轉角處流動特征的描述比標準模型更細致精確, 可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動[8] 。因此, 更適合模擬手術室內這種高雷諾數的情形。

1. 2. 2 　計算區域與邊界條件

(1) 送風口邊界。假設入流速度在入口麵上是均勻分布的。在本次模擬中, 由於手術室在幾何上的結構, 切向速度vx =vy =0 , 隻有法向速度存在。法向速度vz 為

vz =ACH V/3600S

其中, ACH 為手術室換氣次數(次/h);V 為手術室體積(m3 );S 為送風口麵積(m2 )。速度方向垂直向下, T =295 K 。

(2) 回風口邊界。回風口為4 個的方形口,假設每個回風口的回風量占總回風量的25 %, 回風口滿足充分發展段紊流出口模型。

(3) 壁麵邊界。對於固定壁麵邊界, 由於壁麵的作用, 在離壁麵很近的區域內湍流的脈動影響不如分子黏性力起主要作用, 所以用壁麵函數法[7] 處理近壁區域內的紊流。

1. 2. 3 　網格生成

由於單獨建立了邊界層的數學模型, 在Fluent的前處理軟件(gambi t)中對模型進行網格劃分, 采用了均勻劃分網格的方法, 控製體為非結構正四麵體, 邊長0. 15 m , 此次模擬共生成22789個節點, 114 416 個網格。

2 　工作麵速度計算結果與分析

2. 1 　不同送風速度下的工作麵速度分布

模擬的潔淨手術室內手術台高度0. 8 m , 手術台之上的人體切口高度為0. 3 m , 所以工作麵高度設定為距離地麵1. 1 m , 位於xoy平麵, 工作麵麵積為(1. 8 ×0. 6) m2 。為獲得更準確的工作麵風速值, 將工作麵均勻劃分為(0. 15 ×0. 15) m2的區域, 測速點為各區域節點, 共有65(13 ×5)個測點, 如圖1 所示。

根據建立的手術室模型, 分別模擬計算了15 次/h 、20 次/h 、25 次/h 、30 次/h 、35 次/h 、40 次/h 、45 次/h 、50 次/h 不同換氣次數下空態工作麵的風速。利用Fluent 的後處理功能獲得工作麵的風速, 將所獲各測試點風速值由MA TLAB軟件進行三維可視化處理, 使工作麵速度場更加形象直觀。

由於15 ～ 50 次/h 不同換氣次數下工作麵風速三維分布圖形狀基本相同, 僅列出50 次/h 、35 次/h 、15 次/h 換氣次數下工作麵風速三維分布圖, 如圖2 所示。圖中W 、L 分別表示工作麵寬度、長度;v 表示工作麵風速。

圖2 　工作麵風速三維分布圖

從圖2a ～ 圖2c 可以看出, 不同換氣次數下,工作麵的速度場均呈現四周風速高於工作麵中心區域風速, 成“漏鬥狀” 。速度場四周呈“鋸齒狀”分布, 表明工作麵邊緣風速分布不均勻, 模擬的潔淨手術室屬於亂流。如果工作麵速度場的分布不均勻, 風速極大值與極小值之間相差較大,會造成工作麵有明顯旋渦。因此, 有必要計算工作麵的速度場的亂流度β, 亂流度β 愈小則表明速度分布愈均勻。綜合數值模擬結果, 其工作麵風速及亂流度與不同換氣次數下對應的送風速度關係如圖3 所示, 圖3 中v送、v工分別表示送風速度和工作麵的風速。

從圖3a 、3b 可以看出, 隨著換氣次數的增大,工作麵風速的極大值與極小值之差也隨之增大,從0. 04 m / s 增加到0. 14 m / s 。15次/h 、20 次/h換氣次數下的亂流度β 分別是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的換氣次數亂流度β 基本保持在0. 1 左右。15 次/h、20 次/h 換氣次數下的送風速度較小, 隻有0. 17 ～ 0. 22 m / s , 空氣流動動量較小, 速度衰減加快, 造成亂流度β 高於其他換氣次數下的亂流度。因此, 推薦25 次/h 換氣次數作為此類潔淨手術室的最小換氣次數。

2. 2 　工作麵斷麵流場分析

Fluent 的後處理功能可以將模擬結果以矢量圖、流線圖、等值線圖等形式輸出。在分析了工作麵的三維速度場分布後, 有必要進一步分析工作麵所在的斷麵的流場, 選取具有代表的x =0 ,y-z 斷麵的流場進行分析。由於15 ～ 50 次/h 不同換氣次數下斷麵流場速度矢量圖形狀基本相同, 限於篇幅, 僅列出50 次/h 、35 次/h 、15 次/h換氣次數下斷麵速度矢量圖, 如圖4 所示。

對圖4a ～ 圖4c 分析, 可以看出:

(1) 整個斷麵流場的分布呈主流區、渦流區和回風口區分布。從送風口垂直向下送出的氣流在手術台上方基本保持垂直向下的流線, 使工作麵處於主流區的保護之下。沿送風單元中心軸線, 手術台上方區域流場呈對稱分布。由於是上送———相對單側牆底部回風, 在手術台的左右兩側區域, 流線發生較大傾斜, 形成了三角形的渦流區, 在靠近牆壁區域的渦流呈不對稱分布。由於受牆壁的限製, 流場右上方形成受限射流, 形成較大的旋渦。旋渦直徑在0. 5 ～ 0. 7 m , 旋渦中心高度在2. 1 ～ 2. 3 m , 順時針旋轉。在回風口附近,流線曲率變化加劇, 流速加大。

(2) 工作麵上方空氣流線基本保持垂直, 與水平方向的傾斜角度大於65°, 按照文獻[9] 的研究結果, 潔淨室手術室內人員產生的塵粒不會落在工作麵上。在手術台的邊緣, 由於手術台的阻礙作用, 流線發生較大彎曲。因此, 工作麵的速度場在四周呈“鋸齒狀”分布。

(3) 回風口與送風口之間的距離對潔淨手術室氣流流線影響不大。

3 　結　　論

計算流體力學(CFD)技術在暖通空調行業的應用將越來越廣, 成為潔淨空調設計工程中不可缺少的工具之一。本文以基於RNG K-ε湍流雙方程模型為基礎, 通過數值模擬得到千級潔淨手術室工作麵高度截麵的三維速度場和二維室內流場的分布, 工作麵流場處於主流區且保持單向流。數值模擬結果表明:

(1) 換氣次數分別在15 ～ 25 次/h 、30 ～ 50次/h 之間, 工作麵的平均風速在0. 1 ～ 0. 16 m /s 、0. 20 ～ 0. 33 m /s 之間。

(2) 15 次/h 、20 次/h 換氣次數下工作麵的亂流度β 分別是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的換氣次數亂流度β在0. 1 左右, 因此建議25 次/h 換氣次數作為千級潔淨手術室的最小換氣次數。