運血車血庫氣流組織與溫度分布的仿真分析

段德光，李 昊，蘇 琛*，王懿男，孟令帥

（1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100071）

0 引言

運血車是一種在冷藏條件下由一個中心血站向另一個中心血站或用血單位集中輸送冷藏血液的運載工具[1]。在反恐應(yīng)急、疾病防控、突發(fā)自然災(zāi)害救援、訓(xùn)練演習(xí)等重大活動中，運血車發(fā)揮了至關(guān)重要的保障作用。在運輸血液的過程中，血庫內(nèi)溫度是影響血液運輸后輸注質(zhì)量的重要因素[2]。當運血車貯運全血或懸浮紅細胞時，要求血庫溫度必須控制在（4±2）℃，如果高于或低于此溫度范圍，會使血液產(chǎn)生色澤異常、溶血、凝塊、重度乳糜等情況[3-4]，不滿足GB 18469—2012《全血及成分血質(zhì)量要求》的相關(guān)規(guī)定[5]，造成血液的浪費。

運血車血庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計、蒸發(fā)器布局、血筐位置等共同形成了血庫內(nèi)的氣流組織形式，直接決定了血庫內(nèi)的溫度分布情況[6-7]。因此，運血車血庫內(nèi)部的氣流組織與溫度分布是保證運輸過程中血液質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。本文以研制的某型運血車[8]為例，應(yīng)用計算流體動力學(xué)和傳熱學(xué)方法對運血車血庫內(nèi)的氣流組織與溫度分布進行仿真模擬和數(shù)值計算，為改善與優(yōu)化血庫內(nèi)部蒸發(fā)器及血筐的布局、保障血液運輸過程中的質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 血庫結(jié)構(gòu)及布局

運血車車廂為冷藏、保溫廂式車結(jié)構(gòu)，采用大板粘接成型工藝，在蒙皮和內(nèi)部骨架間采用隔熱措施，防止產(chǎn)生“冷熱橋”。車廂中部設(shè)有隔板，分為前后兩部分，分別作為前血庫和后血庫。前血庫內(nèi)部尺寸為1 100 mm×2 034 mm×1 100 mm，有效容積 2.4 m3；后血庫內(nèi)部尺寸為987 mm×2 034 mm×1 455 mm，有效容積2.8 m3。前、后血庫均設(shè)有12個血筐，血筐尺寸為660 mm×300 mm×200 mm。制冷機2個室內(nèi)機組（蒸發(fā)器）分別放置在前、后血庫內(nèi)頂部。前后血庫內(nèi)部布局如圖1所示。

圖1 運血車血庫結(jié)構(gòu)及布局

2 血庫氣流組織模型建立及數(shù)值分析

為建立血庫內(nèi)空氣流動與傳熱學(xué)模型，對血庫進行如下假設(shè)：血庫內(nèi)空氣不可壓縮，空氣密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響；流動為穩(wěn)態(tài)紊流；氣體為低速不可壓縮流動，忽略流體黏性力做功引起的耗散熱；認為血庫氣密性良好，不考慮漏風(fēng)影響。因此，血庫內(nèi)空氣流動的控制方程可簡化為下列形式[9-11]：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

其中，ρ為流體密度，t為時間，ui為組分i的空氣流速，uj為組分j的空氣流速，p為壓力，μ為動力黏性，fi為體積力，H為焓，K為導(dǎo)熱系數(shù)，cp為比熱容，SH為源項。

血庫內(nèi)的空氣流動可以簡化為湍流運動，因此，應(yīng)用k-ε紊流方程模型[12]對血庫內(nèi)的空氣流場與溫度場進行三維數(shù)值仿真計算與分析。設(shè)定環(huán)境溫度為46℃，蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度為4℃，車廂壁板的傳熱系數(shù)為0.4 W/（m2·K）。在近壁區(qū)域考慮分子黏性的影響，計算空氣與固體表面間的傳熱，應(yīng)用壁面函數(shù)進行處理[13]。送風(fēng)口處采用速度入口，已知所選制冷機組的蒸發(fā)器總送風(fēng)量為760 m3/h，出風(fēng)口風(fēng)速為3.3 m/s。

分析數(shù)值模擬的結(jié)果時，在每個方向上分別選擇血庫內(nèi)血筐的最外側(cè)兩端邊截面和血庫中截面進行分析。

3 血庫氣流組織和溫度分布的數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

3.1 血庫內(nèi)氣流組織數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

前后血庫內(nèi)氣流組織形式的數(shù)值模擬結(jié)果如圖2、3所示。由圖2、3可以看出，由于將前后血庫制冷機組的蒸發(fā)器分別橫向放置在前后血庫內(nèi)頂部，血庫內(nèi)頂部的氣流速度略高，為1.3~1.8 m/s；血庫內(nèi)底部的氣流速度最低，為0.6~1.0 m/s。受血筐的布置影響，前后血庫內(nèi)的左右兩側(cè)的氣流組織形式具有對稱性，且血筐中間區(qū)域形成的漩渦能有效地帶動其周圍空氣流動。前后血庫內(nèi)氣流速度整體分布較為均勻。同時發(fā)現(xiàn)，在血庫內(nèi)蒸發(fā)器的斜對稱位置，由于離蒸發(fā)器距離最遠，且血庫內(nèi)壁與血庫地板的夾角為直角，氣流組織受到影響，速度已降低至0.3 m/s左右。如果在血庫內(nèi)增加氣流攪拌風(fēng)扇或?qū)⒀獛靸?nèi)壁與血庫地板的夾角改進為圓弧形過渡角，會進一步提高血庫內(nèi)的氣體流動。

3.2 血庫內(nèi)溫度分布數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

前后血庫內(nèi)溫度均衡性仿真結(jié)果如圖4、5所示。由圖4、5可以看出，外界環(huán)境溫度設(shè)定為46℃且蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度為4℃時，當血庫內(nèi)溫度達到平衡狀態(tài)后，前后血庫內(nèi)除了特別靠近內(nèi)壁區(qū)域的溫度略高外，血筐所處區(qū)域的溫度分布均勻，在X、Y、Z3個方向上無明顯的溫度梯度，溫度偏差小于1℃，滿足全血或懸浮紅細胞存儲標準要求。

圖2 前血庫氣流組織仿真結(jié)果

4 結(jié)論

依據(jù)運血車血庫結(jié)構(gòu)及布局的設(shè)計方案，建立血庫三維空氣流動與傳熱計算的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計算流體動力學(xué)方法對血庫內(nèi)氣流組織形式與溫度分布均衡性進行仿真計算，對仿真結(jié)果進行分析可知：該運血車采用前后2個血庫設(shè)計布局，將制冷機2個室內(nèi)機組（蒸發(fā)器）分別橫向放置在前、后血庫內(nèi)頂部，使蒸發(fā)器送風(fēng)口射出的高速氣流到達血庫壁板后折向血庫下部，經(jīng)血筐底部后回到回風(fēng)口。血庫內(nèi)氣流速度分布較為均勻，平均在1 m/s左右，兩血筐中間區(qū)域形成的漩渦能有效地帶動血筐周圍空氣流動。從溫度分布結(jié)果可以看出，血庫溫度分布均勻，血筐所在區(qū)域溫度偏差小于1℃，滿足全血或懸浮紅細胞存儲標準要求。因此，該運血車血庫內(nèi)部蒸發(fā)器及血筐的布局合理，能有效保證運輸過程中全血或懸浮紅細胞的質(zhì)量。

圖3 后血庫氣流組織仿真結(jié)果

圖4 前血庫溫度均衡性仿真結(jié)果

圖5 后血庫溫度均衡性仿真結(jié)果