手術(shù)室氣幕裝置氣流組織數(shù)值模擬與理論分析

梁辰博 周斌 劉金祥

南京工業(yè)大學(xué)暖通工程系

手術(shù)室氣幕裝置氣流組織數(shù)值模擬與理論分析

梁辰博 周斌 劉金祥

南京工業(yè)大學(xué)暖通工程系

本文使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，基于I級標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)室，對帶氣幕的潔凈手術(shù)室流場和污染物濃度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并做了相應(yīng)的理論分析。得出了射流力是氣幕抗干擾能力的主要影響因素，引帶系數(shù)是氣幕隔離能力的主要影響因素的結(jié)論，對氣幕風(fēng)速、氣幕風(fēng)口尺寸、氣幕傾斜角度等工作參數(shù)的影響特性做了深入探討，并對比了相同風(fēng)量下帶氣幕與不帶氣幕送風(fēng)裝置的有效性。最后針對I級潔凈手術(shù)室內(nèi)的流場給出了建議氣幕設(shè)計參數(shù)。

氣幕 主流區(qū) 潔凈手術(shù)室 污染濃度

1 空態(tài)手術(shù)室數(shù)值模擬的物理和數(shù)學(xué)模型

為了簡化計算，對潔凈室的實際條件進(jìn)行了如下假設(shè)：

①室內(nèi)氣流流動為穩(wěn)態(tài)流動，室內(nèi)氣流為不可壓縮流體，物性為常數(shù)，忽略質(zhì)量力；

②室內(nèi)無內(nèi)熱源，圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱，對于潔凈室來說，可假設(shè)為無溫差送風(fēng)，而且將室內(nèi)溫度場視為均勻溫度場；

③室內(nèi)污染源的發(fā)塵速率恒定。

1.1 物理模型

潔凈手術(shù)室布置圖1所示。

圖1 空態(tài)手術(shù)室布置圖

為保證工作面流速在0.2～0.3m/s[4]，中心區(qū)出口流速選為0.38m/s，對于帶氣幕的手術(shù)室具體邊界條件如表1所示。

表1 氣幕手術(shù)室送風(fēng)口與氣幕邊界件

根據(jù)Woods等人估計[5]：手術(shù)臺前手術(shù)人員散發(fā)典型碎屑平均直徑約7.5μm，因此，模擬中散發(fā)的攜帶微生物的粒子粒徑按7.5μm考慮，散發(fā)率采用2.5×104粒/s的面污染源，這與一般潔凈室設(shè)計規(guī)定在人穿著潔凈服劇烈活動時，全身散塵率為5.6×105粒/min相比還是比較安全的。同時，污染源的位置對局部潔凈室濃度場有一定關(guān)系。為了更好地說明問題，考慮污染場最不利情況，選擇將面污染源放在送風(fēng)口兩側(cè)的吊頂上，這也可減少面污染源對流型的影響。

1.2 數(shù)學(xué)模型

潔凈手術(shù)室的換氣次數(shù)較大，氣流組織基本可視為強制對流流型且不考慮有溫差送風(fēng)，所以本文的計算模型采用標(biāo)準(zhǔn)的高雷諾數(shù)k-ε二方程模型其控制方程如下：

式中：φ是普適標(biāo)量，可以表示三個速度分量u，v，w，湍流動能k，耗散率ε；ρ是空氣密度，kg/m3；Γ為耗散項。

顆粒物使用拉格朗日法計算，由于分散相的總體積分?jǐn)?shù)較小，CFD采用DPM模型進(jìn)行計算。顆粒物濃度使用質(zhì)量密度，kg/m3?？拷诿嫣幉捎脡毫Ρ诿婧瘮?shù)。離散方法采用有限差分法。在劃分網(wǎng)格時，使用交錯網(wǎng)格，使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對控制體進(jìn)行離散。在方程組求解時，對耦合方程組使用SIMPLE算法，單個方程組使用ADI逐行迭代法。

1.3 計算模型準(zhǔn)確性的比較

為驗證模型的準(zhǔn)確性，將無氣幕時工作區(qū)斷面的模擬計算的速度與實驗數(shù)據(jù)[2]進(jìn)行比較，實驗一共采集30個測點的數(shù)據(jù)，斷面平均速度計算值為0.251m/s，實測值為0.234m/s，偏差率僅為7.2%，由圖2可以看出兩者數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同（四周高，中心低）。經(jīng)分析，誤差的主要原因是在計算中送風(fēng)口出風(fēng)假定完全均勻，但是在實際情況下送風(fēng)口出風(fēng)并非完全均勻（高效過濾器自身濾紙厚度和密度不均勻，同時均流層均流效果不足）。

圖2 0.8m高x-z斷面速度分布圖

2 數(shù)值模擬的結(jié)果與分析

2.1 氣幕速度的影響

空氣幕到達(dá)地面時才能完全發(fā)揮其隔離作用，此時由氣幕把污染區(qū)和潔凈區(qū)完全遮斷；進(jìn)一步提高空氣幕出口風(fēng)速時，隔離效果也不會再提高，在此條件下的空氣幕的出口風(fēng)速被稱為遮斷風(fēng)速[1]。但是對于手術(shù)潔凈室，氣幕的主要作用不僅體現(xiàn)在隔離作用上，同時也體現(xiàn)在抗外界干擾能力上。此時需對氣幕速度選擇做進(jìn)一步的分析。

現(xiàn)對左側(cè)氣幕施加一橫向干擾，由圖3（a）～圖3（d）可以看出，在相同的橫向擾動下，沒有氣幕時橫向擾動入侵主流區(qū)十分嚴(yán)重，在相同氣幕寬度下隨著氣幕射流力的提高，氣幕射流與豎直方向的夾角減小，隔離作用在增強，從圖3（d）和圖3（e）可以看出在相同射流力時，寬口低速氣幕與窄口高速氣幕的射流與豎直方向的夾角差不多（射流軸線末端基本都在Z方向2.2m處），但窄口高速氣幕在末端已形成遮斷點（Z方向2.15m處），基本隔離了橫向擾動，而寬口低速氣幕的末端卻未能形成很好的遮斷點。

圖3 不同射流力下流場速度矢量圖

根據(jù)流體射流理論，射流在運動過程中各斷面的動量保持平衡，即：

方程兩邊約τ，可得

式中：M為氣幕射流的總動量，N·s；L0、Lx、Le為氣幕射流的出口流量、某斷面的流量、末端流量，m3/s；v0、vx、ve為氣幕射流的出口流速、某斷面的流速、末端流速，m/s；F為氣幕射流的射流力，N。

取一微元控制體，在某一斷面上對于一微元體將有

式中：dLx為微元控制體的流量，m3/s；vx,τ為微元控制體的瞬時流速，m/s；dF為微元控制體的射流力，N；dSx為微元控制體垂直于速度方向上的面積，m2。

對于微元控制體而言dSx可以認(rèn)為是一個常量，即dF是一個只與vx,τ有關(guān)的變量，斷面上的射流力實際上就是對dF在斷面范圍內(nèi)進(jìn)行的積分，即在此斷面上所有微元體所受射流力的合力。

氣幕射流在流動過程中，軸心速度是不斷衰減的，而在采用較大v0時末端仍可保持一定速度，從而微元體獲得一定的射流力以抵抗橫向擾動，這就是為什么在相同斷面射流力情況下，采用高速窄口氣幕時位于氣幕末端的抗干擾效果更好。

2.2 氣幕寬度的影響

手術(shù)潔凈室氣幕作用不僅體現(xiàn)在其抗橫向擾動能力上，而且體現(xiàn)在其隔離污染物能力上。先以射流力作為單獨考量參數(shù)。

從圖4和圖5可以看出在對于不同的氣幕寬度，隨著射流力的加大氣幕內(nèi)外區(qū)的濃度比在逐漸降低。但同時在加大到一定值后，再加大對降低內(nèi)外區(qū)的濃度比的效果將不再明顯。

圖4 75mm寬度氣幕射流力與內(nèi)外區(qū)濃度比圖

圖5 150mm寬度氣幕射流力與內(nèi)外區(qū)濃度比圖

從圖6可以看出在射流力相同時內(nèi)外區(qū)的濃度比隨著氣幕寬度的增加而減少，結(jié)合圖4與圖5可以發(fā)現(xiàn)盡管射流力表達(dá)式從形式上綜合考慮了流量與流速，但這不能使射流力作為氣幕設(shè)計的一個獨立參數(shù)。因為空氣幕的隔離作用并不是像固體壁一樣阻擋微粒的穿透，而是由它不斷卷吸兩側(cè)空氣，不斷去稀釋和帶走卷吸進(jìn)來的臟空氣（因為空氣幕噴口送出的也是潔凈空氣），使得微粒不能穿透氣幕，只有少數(shù)微?？赡苡蓺饬鞯臋M向脈動進(jìn)入中心區(qū)[1]。增加氣幕速度的作用之一就是加大稀釋的風(fēng)量使卷吸進(jìn)來的臟空氣更快地被帶走，但是通過增加氣幕出口速度的方式來加大風(fēng)量的同時勢必會使氣幕射流的卷吸作用加劇，卷吸進(jìn)氣幕的臟空氣的量會大大增加，這就解釋了為什么在氣幕寬度一定時增加射流力到一定程度氣幕的隔離效果便不會顯著提高，而在射流力相同時增加氣幕寬度卻可以顯著提高氣幕的隔離效果，雖然兩者都是增加風(fēng)量，但后一種方法由于采用了較低的射流速度，故引起的卷吸作用較小。

圖6 相同氣幕射流力時寬度與內(nèi)外區(qū)濃度比圖

氣幕的隔離效果可由下式計算[1]：

式中：Na為主流區(qū)含塵濃度，粒/L；Nb為渦流區(qū)含塵濃度，粒/L；Ns為主流區(qū)與氣幕區(qū)送風(fēng)濃度，粒/L；f為氣幕潔凈棚隔離效果固有特性項。

式中：α為氣幕區(qū)送風(fēng)量與主流區(qū)送風(fēng)量之比；φ1為空氣幕對主流區(qū)側(cè)引帶系數(shù)；φ2為空氣幕對渦流區(qū)側(cè)引帶系數(shù)。

當(dāng)渦流區(qū)的含塵濃度較大時，Ns/Nb會遠(yuǎn)小于1，由式（6）可以看出決定氣幕內(nèi)外區(qū)含塵濃度比的主要因素是f，而α是一個恒定的值且對于氣幕裝置而言其數(shù)量級基本遠(yuǎn)低于10-1，φ1、φ2數(shù)量級一般也不會低于10-1[1]，所以當(dāng)φ1、φ2降低時便會大大降低氣幕的內(nèi)外濃度比。在采用低速寬口氣幕時可以降低φ1、φ2，使得f降低，從而獲得較好的隔離效果。

2.3 氣幕射流的出流角度影響

分析φ1、φ2產(chǎn)生的原因，主要是由于氣幕射流與周圍環(huán)境空氣有速度差，導(dǎo)致整個空間內(nèi)速度場不均勻，而速度場的不均勻性必然會產(chǎn)生局部渦流，進(jìn)而發(fā)生卷吸引帶的現(xiàn)象。即要想使得φ1、φ2降低必須減少空間內(nèi)速度場的不均勻性。

對于潔凈手術(shù)室中的氣幕射流，其并非獨立的大空間淹沒射流，而是存在于潔凈手術(shù)室的通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的伴隨射流，基于這種情況，除了改變氣幕射流的出口速度，還可以通過改變氣幕射流的出口角度來獲得整個空間內(nèi)不同的氣流組織。

對于工作區(qū)流場，氣流速度不均勻度越大，說明氣流速度分布越不均勻，容易產(chǎn)生局部渦流。根據(jù)文獻(xiàn)[6]要求，在主流區(qū)內(nèi)距地0.8m，共取16個采樣點均勻布置。

氣流速度的不均勻度按下式定義：

式中：β為不均勻度；ui為工作區(qū)各點速度，m/s；u為工作區(qū)平均速度，m/s；k為測點個數(shù)。

對150mm寬，出口速度為1.21m/s的氣幕在方向上不同的夾角進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表2所示，工作區(qū)內(nèi)速度不均勻度與氣幕內(nèi)外區(qū)的顆粒濃度比基本成正相關(guān)，在夾角為5°時工作區(qū)內(nèi)不均勻度最低，雖然是夾角在10°時內(nèi)外濃度比最低，但在5°時內(nèi)區(qū)的顆粒物濃度是最低的，同時根據(jù)亂流度和單向流自凈時間之間的關(guān)系：速度不均勻度≤0.3時，實際自凈時間為1min。根據(jù)《潔凈室施工及驗收規(guī)范》要求β≤0.25。氣幕射流夾角為5°時的工作區(qū)風(fēng)速不均勻度滿足規(guī)范要求。

表2 不同夾角下速度不均勻度、內(nèi)外區(qū)顆粒物濃度與濃度比比較

2.4 氣幕送風(fēng)裝置的有效性比較

為驗證帶氣幕的送風(fēng)裝置的有效性，在相同風(fēng)量，相同散塵量時將帶氣幕與不帶氣幕的送風(fēng)裝置進(jìn)行比較，二者參數(shù)如表3。

表3 不同送風(fēng)裝置的尺寸與送風(fēng)參數(shù)

經(jīng)過模擬，帶氣幕的送風(fēng)裝置下，在工作面（距地面高度0.8m）的顆粒物濃度為2.156×10-9kg/m3，不帶氣幕的工作面顆粒物濃度為1.253×10-8kg/m3，同時由圖7可以看出，不帶氣幕的送風(fēng)裝置下的顆粒物在工作面上的分布要比帶氣幕的多很多，不利于顆粒物的排出，增加了顆粒物入侵主流區(qū)的可能，同時雖然兩者的潔凈區(qū)域是差不多的（基本在X方向2到4m處），但帶氣幕的送風(fēng)裝置送風(fēng)面積只是不帶氣幕的64.4%。

圖7 不同送風(fēng)裝置工作面顆粒物分布圖（kg/m3）

3 結(jié)論

本文通過理論分析與數(shù)值模擬的方法分析了氣幕各參數(shù)對氣幕抗干擾能力與顆粒物隔離能力的影響，可以得到以下結(jié)論：

1）射流力對于氣幕的抗橫向干擾能力有著重要影響，但并非是隔離能力的決定因素，氣幕的出口流速對于射流力的影響更為重要。

2）氣幕顆粒物隔離能力的決定因素為氣幕射流的引帶比，采用寬口低速的氣幕由于可以更有效地降低引帶比，故隔離效果比窄口高速氣幕更好。

3）對于潔凈手術(shù)室流場采用一定角度的射流可以有效降低工作區(qū)流場的不均勻度從而可以降低引帶比增加氣幕的隔離效果。

4）對于I級潔凈手術(shù)室，若采用氣幕隔離方式擴大主流區(qū)建議的氣幕參數(shù)寬度為150mm，出口流速為1.10～1.24m/s，射流角度為5°。

[1]許鐘麟.潔凈空氣技術(shù)原理(第4版)[M].北京:科學(xué)出版社, 2013

[2]凌繼紅.手術(shù)室空氣凈化效果的研究[D].天津:天津大學(xué),2005

[3]沈晉明,俞衛(wèi)剛.國外醫(yī)院建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展對我國醫(yī)院手術(shù)部建設(shè)的啟發(fā)與思考[J].中國醫(yī)院建筑與裝備,2013,(2):62-66

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[6]中國建筑科學(xué)研究院.潔凈室施工及驗收規(guī)范(GB50591-2010) [S].北京:中國建筑工業(yè)版社,2010

Num e ric a l Sim ula tion a nd The ore tic a l Ana lys is of Air Supply De vic e w ith Air Curta in in Ope ra ting Room

LIANG Chen-bo,ZHOU Bin,LIU Jin-xiang
Department of HVAC Engineering,Nanjing Tech University HVAC Engineering,Nanjing,China

Based on a Class I standard operating room,the flow field and the pollutant concentration field in the clean operating room with air curtain was simulated by standard k-ε turbulence model,and the corresponding theoretical analysis for the air curtain was performed.It concludes that the jet force is main factors affecting the anti-jamming ability of air curtain,and gubernaculum coefficient is the main factors affecting air curtain isolation ability.An in-depth discussion of the influence to air curtain’s working parameters including the inlet velocity,the size and the tilt angle was made.Finally,the recommendation of air curtain design parameters for the Class I standard operating room was given.

air curtain,mainstream area,clean operating room,pollution concentration

1003-0344（2015）05-083-5

2014-5-19

梁辰博（1988～），男，碩士研究生；南京市中山北路200號南京工業(yè)大學(xué)暖通工程系（210009）；E-mail:330910703@qq.com

江蘇省自然科學(xué)基金（No.BK20130946）；南京工業(yè)大學(xué)科研啟動基金（No.39114111）；

江蘇省省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目（No.BY2012032）