百级洁净层流手术室利用CFD 技术计算风量

1 　概述

《医院洁净手术部建设标准》颁布至今已经有一年多了,《标准》对于规范洁净手术部设计起到了重要的作用。

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, 使设计工作有据可依。

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, 我国洁净手术部设计是基于主流区控制理论的, 对于层流手术室送风单元这种送风形式, 又不可能利用射流公式进行计算, 因此, 笔者在湘雅医院层流手术室设计中利用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, 层流手术室面积为9150×5600m² , 吊顶下层高3 .0m, 层流手术室等级为I 级, 空调气流组织形式为顶送侧回, 回风口为8 个, 底距0.1m , 风口大小为1000×300m² , 手术台距地1 .0m , 尺寸为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, 笔者用12 个长方柱表示12 个医务人员。为保证模拟的准确性,笔者采用四面体非结构网格划分方法建模, 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, 本文不再赘述, 请参阅相关文献[ 1] 。

在菌落模拟和浓度场模拟中有几个假设, (1)菌落都是附着于灰尘上的, 计算中用其附着的灰尘轨迹作为菌落的轨迹。(2)不考虑温度的影响, 即忽略温差驱动力。(3)根据有关文献, 地面8m² 的发尘量和发菌量一个人员的发尘发菌相当, 人静止的发菌量为300 个/(人·min), 发尘量为105 个/min, 发尘量比例顶棚:墙面:地面=1 :5:100。(5)因为灰尘的体积占气体体积的比例微乎其微, 可以认为对气流流场没有影响, 因此, 模拟中采用非耦合计算。模拟浓度场和菌落场的基本方程为动量方程(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——— 为分子平均自由程;

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

a、墙体边界条件:

墙体速度边界条件采用与紊流核心区不同的数学模型,将边界层划分为粘性底层和对数律层, 数学模型为:

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。

y_p ——— 网格点与墙面的距离。

μ——— 流体紊流粘滞系数。

浓度场模拟中, 为简化计算, 假设微粒和墙体之间的碰撞为弹性碰撞, 无动量和能量损失。

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, 所以动量似乎是减小了。这两方面看起来是非常复杂的, 不能用不可压的模型来描述, 而在我们暖通领域的模拟中, 往往不考虑气体的可压缩性, 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 断面送风速度大致为0.47m/s, 这一结果比厂家用Q(风量)/A(送风单元面积)计算而得的送风速度相差不大;为简化模型, 笔者采用Q/ A 作为送风单元以下的送风速度。

浓度模拟中, 定义该边界条件为逃逸边界条件。

回风口模型

回风口为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发展段紊流出口模型。浓度模拟中, 此边界条件也为逃逸边界条件。

4 　计算结果分析

4 .1　速度场模拟结果分析

本模拟的主要目的是研究送风量对工作面风速的影响,为手术的空调设计提供依据。计算时分别计算了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 所示的曲线, 由模拟结果可以看出(1)在出口风速的0.48m/ s 时, 工作面平均风速基本可以达到《标准》中提出的0.25 ～ 0.3m/ s。(2)从曲线图可以注意到, 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区域速度梯度增大, 手术区上方产生吹风感。(3)从送风单元模型可以看出, 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　落菌数模拟结果分析

模拟结果中, 显示工作区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, 工作区甚至部分周边区都能满足落菌量要求。

4 .3　含尘量模拟结果分析

从模拟结果来看,(1)在送风速度0.41m/ s 以上时, 手术区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布影响较大, 如图所示, 在人员周围较大范围内不能够达到百级洁净要求。(3)模拟结果显示, 实际运行过程中, 室内浓度分布和主流区控制理论略有不同, 在手术台和人员之间存在一个污峰区, 要减少这个区域的影响, 有必要对医务人员进行层流手术室的使用方面的培训, 尽量减少对主流区流型的破坏。

5 　结论

(1)通过结洁净层流手术室的数值模拟, 笔者认为0.48m/ s 的送风速度(风量10782m3/h)可以满足《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, 工作区的含尘浓度和落菌量完全可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很大影响, 应对医务人员进行必要的层流手术室使用培训。　

参考文献

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

2 　许钟麟等.主流区理论———我国医院洁净手术要求集中布置送风口的理论基础.暖通空调,2001(5)

3 　张彦国等.不同送风面积下洁净室浓度场的数值模拟分析.建筑科学, 1999(6)