顶送侧回百级洁净手术室模拟设计方法

　　摘要:以标准K - ε紊流模型为基础, 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布进行了CFD模拟研究, 得出流场特性分布规律, 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, 并为洁净手术室的空调设计提供依据。CFD(Compu ter Flu id Dynam ics)即计算流体动力学, 是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的重要技术, 广泛应用于热能动力、土木水利、暖通空调及航空航天等诸多工程领域, 空气洁净及其模拟与预测是CFD 技术应

用的重要领域之一。

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区域处于洁净气流形成的主流区内。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)工作区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 应为0.25 ～0.3 m/s。v应按下式计算:。其中, vi 为每个测点的速度;K 为测点数。Ⅱ测点范围为送风口正投影区边界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。当有不能移动的阻隔时, 测点可抬高至阻隔面之上0. 25 m。

2　数值模拟的数学模型及计算方法

2. 1　研究对象物理模型的建立

文献[1] 提出了利用主流区作工作区的思路, 送风口直接布置于手术台上方。采用局部集中送风方式, 将最洁净的空气送至关键部位。手术室模型如图2所示, 面积为8m×6 m, 吊顶下层高3.0m。手术台距地面0.8 m, 尺寸为0.6 m ×1.8 m。空调气流组织形式为顶送侧回, 顶部集中布置送风口, 相对两侧墙下部均匀布置回风口。送风口为2.6m ×2.4m, 排风口为0.5m ×0.5m。回风口为8个, 下部距地面0.1m, 风口大小为1.0m ×0.3m。手术台周围均匀布置8个医务人员, 模型中用8个长方体来表示。

2. 2　前提和假设^{[ 2]}

室内气流为不可压缩常物性牛顿流体。围护结构绝热, 室内医务人员可作为内热源。洁净室内的流场、压力场均视为准稳态。

2. 3　基本方程和计算方法

洁净手术室内的空气流动一般为湍流, 空气的流动满足连续性方程、动量方程和能量方程。采用目前在数值模拟方面较为常用的K - ε双方程湍流模型, 通过求解湍能K 和湍能耗散率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控制体积法。控制体积法又称为有限体积法, 其基本思想是将计算区域划分为许多互不重叠的网格, 即控制体积, 然后将偏微分方程对每一个控制体积积分。这种方法的特点是所得到的解将精确地满足整个计算区域内任何一组控制体积。本次计算用到的方程如下^{[ 2]} :

(1)连续性方程

(2)动量方程

(3)紊流脉动动能方程

(4)紊流能量耗散率方程

其中, μi 为速度矢量;P 为压力, v为运动粘性系数;vt 为紊流粘性系数。i, j =1, 2, 3。C1 , C2 , Cε, Ck , Cμ,Cc均为常数, 其取值分别为:1.44 , 1.92, 1. 3, 1, 1, 0.09。

2. 4　网格的生成

A irpak中有两种类型的网格:正六面体和正四面体网格。正六面体网格适用于绝大部分情况。对于复杂的几何模型, 如球体或椭球体, 采用正四面体网格更为合适。在本次模拟中, 模型均为正方体或长方体, 所以采用了正六面体网格。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的地方的网格数。X , Y, Z 方向网格的最大长度分别设为0.5 m, 0.1m, 0.1m。相邻物体间至少划分3个网格,每个物体的每个边至少划分2个网格。此次模拟共生成72 990个节点, 66571个网格, 网格划分如图3所示。

2. 5　边界条件的处理

(1)对于固定壁面边界, 由于壁面的作用, 在离壁面很近的区域内粘性力起主要作用, 所以用低雷诺数法处理近壁区域内的紊流, 在壁面附近划分网格进行计算, 应满足Vx =Vy =Vz =0,K =0, ε=0(Vx 、Vy 、Vz 为各方向上的速度分量)。

(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为壁面外法线方向) 。

2. 6　离散求解的相关参数设定

湍流模型为标准k - ε双方程模型;流动收敛准则为0. 001;能量收敛准则为1 ×10-6 ;压力离散格式为质量力加权法;温度离散格式为二阶迎风格式;动量离散格式均为一阶迎风格式;欠松弛系数为0.3～ 1.0 ;压力AMG 求解格式为V 类型;温度(动量、k、ε)AMG 求解格式均为Flex类型。

3　数值模拟结果与分析

3. 1　不同送风速度下的工作区速度分布图

根据规范的有关规定, 将工作区定为y =1. 15m 处的xoz面。在送风速度分别为0. 35m /s、0. 4m /s、0. 45m /s、0. 5m /s时工作区速度分布分别如图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所示曲线^{[ 3]} 。需要说明的是:A IRPAK 后处理时, 可输出模型中任意指定坐标点的变量值。在本次模拟计算中, 可按照图1布置测点, 输出各点的速度值, 再求得工作区平均速度。

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

3. 2　断面流场分析

洁净手术室的气流组织与一般空调房间有所不同, 要求将最干净的空气送到操作部位, 以限制和减少对工作区的污染。因此, 要尽量减少涡流区, 避免将工作区以外的污染带入工作区;工作区的气流分布要尽量均匀。从模拟结果中选取具有代表性的断面进行分析。图6 ～图9送风速度均为0. 4 m /s。由图6和图7可以看出, 送风口正下方至手术台上方区域(主流区)范围内气流无横向扩散, 主流流线近似平行, 基本为单向流, 满足规范要求。由图8可以看出, 排风口离送风口距离较远, 且排风速度较小(0. 9 m /s), 排风对送风流场影响不大, 可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可以看出, 手术台以下区域由于回风影响, 气流方向发生了明显的倾斜。在手术台下方及医务人员身后也存在一个不稳定涡流区, 易堆积污染物, 当有人员走动时会对台面造成威胁, 因此, 可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布情况, 证实了标准中部分技术参数范围(如:送风速度、排风速度、工作面平均风速等)的可操作性和合理性。

(2)模拟结果表明, 标准k -ε双方程模型适用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为2.6m ×2.4m 时, 送风速度宜为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区增大, 可能造成污染物随气流向更大的空间扩散。

参　考　文　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[ J] . 建筑热能通风空调, 2002(6):56 ～ 62