解剖臺(tái)排風(fēng)罩流場(chǎng)及對(duì)污染氣體的控制研究

魯婧 劉澤華

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

醫(yī)學(xué)院解剖實(shí)驗(yàn)室常用甲醛溶液澆灌固定及保存人體標(biāo)本[1-2]，在解剖教學(xué)中，人體標(biāo)本會(huì)揮發(fā)大量甲醛氣體。甲醛已被世界衛(wèi)生組織確定為可疑致癌物[3]。解剖實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)上多用排風(fēng)機(jī)，排風(fēng)扇及傘形罩等降低甲醛氣體濃度[4-5]。還有一些用上送上排、側(cè)送側(cè)排等散流器或中央空調(diào)送排風(fēng)來處理甲醛污染，其效果不佳[6-9]。工業(yè)上用槽邊排風(fēng)罩，將有害氣體用設(shè)置在槽邊上的吸風(fēng)口抽走[10-11]，解剖臺(tái)運(yùn)用這一理念，在其內(nèi)側(cè)設(shè)置排風(fēng)罩，對(duì)解剖臺(tái)面上的人體標(biāo)本實(shí)現(xiàn)就近排風(fēng)。

本文利用 Fluent17.0 軟件對(duì)具有排風(fēng)功能的解剖臺(tái)進(jìn)行模擬研究，得到解剖臺(tái)內(nèi)側(cè)排風(fēng)罩的排風(fēng)氣流特性與污染氣體的濃度變化規(guī)律，并分析可能影響污染氣體濃度變化的兩種因素：排風(fēng)罩的傾斜角度和排風(fēng)速度。

1 物理模型和數(shù)值方法

1.1 物理模型

圖1 為解剖臺(tái)的物理模型，解剖臺(tái)尺寸為2 m*0.8 m*0.85 m，其內(nèi)部?jī)蓚?cè)排風(fēng)罩尺寸均為 1.9 m*0.45 m，其中排風(fēng)罩與內(nèi)側(cè)形成夾角。將尸體標(biāo)本簡(jiǎn)化為0.4 m*1.7 m 的污染源源項(xiàng)，置于解剖平臺(tái)正中間。解剖臺(tái)放置在計(jì)算域中央進(jìn)行研究，計(jì)算域尺寸為4 m*3 m*2.7 m。

圖1 物理模型

1.2 模型假設(shè)條件

為便于計(jì)算，模型進(jìn)行如下假設(shè)：

1）房間內(nèi)為不可壓縮氣流，常物性，氣流流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

2）污染源源項(xiàng)穩(wěn)態(tài)散發(fā)，甲醛濃度不隨時(shí)間的變化而變化。

3）房間所有壁面均為絕熱。

1.3 控制方程

本文采用定常不可壓縮 N-S 方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，開啟 Species Transport 組分方程，運(yùn)用SIMPLE 算法，非耦合隱式求解器對(duì)離散方程進(jìn)行了求解。

1.4 邊界條件

假設(shè)排風(fēng)罩各處速度均勻，對(duì)邊界施以速度入口（velocity inlet），速度大小為 1 m/s，并給定氣流往外流動(dòng)的速度分量。房間內(nèi)除地面以外的其他五個(gè)面，由于其界面上的速度和壓力均未知設(shè)為自由出流（outflow）。源項(xiàng)面甲醛氣體散發(fā)設(shè)為質(zhì)量流量入口（mass flow inlet），且沿z 軸正方向散發(fā)，其揮發(fā)速度為v=1e-06 kg/m3，甲醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1e-06。其余面設(shè)為壁面（wall）。

2 排風(fēng)罩排風(fēng)特性及甲醛氣體濃度數(shù)值的分析

2.1 排風(fēng)罩排風(fēng)氣流特性

圖2 為Y=2 m 截面處的流線圖，從圖中可以看出，排風(fēng)氣流主要集中在解剖臺(tái)兩側(cè)的排風(fēng)罩上，而解剖臺(tái)外部?jī)蓚?cè)存在渦流區(qū)。在解剖臺(tái)兩側(cè)排風(fēng)罩的吸風(fēng)作用下，四周氣流從解剖臺(tái)兩側(cè)的排風(fēng)罩上方流入排風(fēng)罩內(nèi)部，使得新鮮空氣先流經(jīng)人體呼吸區(qū)，到達(dá)污染源散發(fā)的半污染區(qū)，再由排風(fēng)罩吸入到解剖臺(tái)內(nèi)部的污染區(qū)經(jīng)排風(fēng)管道抽出。

圖2 Y=2 m 截面處流線圖

圖 3 和圖 4 為排風(fēng)罩排風(fēng)時(shí)不同截面的速度矢量圖和速度云圖，從圖3 可以看出，在Z=1.2 m 截面處解剖臺(tái)兩側(cè)排風(fēng)罩附近的氣流流動(dòng)特性，即四周氣流均向中心流動(dòng)，以解剖臺(tái)兩側(cè)排風(fēng)罩為中心向四周的等值線越來越稀疏，速度分布呈對(duì)稱趨勢(shì)。且解剖臺(tái)上方速度大，其四周的速度逐步降低。從圖4 可以看出，越靠近解剖臺(tái)排風(fēng)罩處的等值線越密集，在排風(fēng)罩正上方的速度明顯大于其他區(qū)域，排風(fēng)風(fēng)速隨Z 軸高度的增加而減小。

圖3 Z=1.2 m 截面處速度矢量圖及速度云圖

圖4 X=1.5 m 截面處速度矢量圖與速度云圖

2.2 甲醛氣體濃度變化分析

圖5 為排風(fēng)罩排風(fēng)時(shí)不同截面的濃度云圖，從圖5 可知，污染源向上散發(fā)甲醛氣體，在抽風(fēng)作用下解剖臺(tái)上方甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，甲醛濃度與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比，所以甲醛濃度在不斷降低，此時(shí)甲醛污染得到了控制?？紤]到解剖人員在解剖操作時(shí)的站姿和坐姿，人體的呼吸區(qū)距離地面大約在 1.2 m 左右，截取Z=1.2 m 截面處的甲醛濃度云圖圖 5（c），從圖中可以看出，在排風(fēng)作用下，解剖臺(tái)正上方甲醛濃度較高，其他地方甲醛濃度較低。因此污染源處就近排風(fēng)能將污染氣體控制在一定范圍內(nèi)。

圖5 排風(fēng)罩排風(fēng)的濃度云圖

圖6 為排風(fēng)罩在不同x 截面呼吸區(qū)控制點(diǎn)的甲醛濃度圖，控制點(diǎn)的坐標(biāo)為Z=1.2 m、Y=1～3 m，從圖中可知，X=1.5 m 截面處空氣中的甲醛濃度最高，而X=1.4 m 與X=1.6 m 截面處甲醛濃度大致相同，但是都低于X=1.5 m 截面處的甲醛濃度，所以離解剖臺(tái)兩側(cè)排風(fēng)罩越近時(shí)（X=1.4m 及X=1.6 m），其呼吸區(qū)甲醛濃度較低。

圖6 Z=1.2 m 截面處控制點(diǎn)甲醛濃度圖

圖7 為排風(fēng)罩在不同 Y 截面呼吸區(qū)控制點(diǎn)的甲醛濃度圖，控制點(diǎn)坐標(biāo)為（X=1.5 m，Z=0.8～1.4 m，Y=1.2、1.8、2.4、2.8 m），由圖中可知，隨著控制點(diǎn)高度的增加，不同 Y 截面的甲醛濃度依次降低，并且在對(duì)稱位置（Y=1.2 m 與Y=2.8 m、Y=1.8 m 與Y=2.4 m）處的控制點(diǎn)甲醛濃度分布基本相同。兩邊位置上（Y=1.2 m 與Y=2.8 m）控制點(diǎn)的甲醛濃度均低于中間位置（Y=1.8 m與Y=2.4 m），主要是中間位置左右兩側(cè)受污染氣體的影響較大，而兩邊位置僅有一側(cè)受污染氣體的影響較大。因此在局部解剖時(shí)，站立在解剖臺(tái)帶有排風(fēng)罩一側(cè)的中間位置時(shí)，解剖人員所受污染較重。

圖7 X=1.5 m 截面處控制點(diǎn)甲醛濃度圖

3 污染源散發(fā)甲醛氣體的濃度大小的影響因素

假定污染源散發(fā)的甲醛氣體濃度為固定值，且排風(fēng)罩的位置及尺寸固定，通過模擬分析影響污染源散發(fā)甲醛氣體濃度值大小的因素：1）排風(fēng)罩傾斜角度。2）排風(fēng)罩風(fēng)速。

3.1 排風(fēng)罩傾斜角度的影響

目前市面上解剖臺(tái)排風(fēng)罩角度多為向內(nèi)傾斜 90°或35°，為探究其差異性及對(duì)甲醛氣體濃度大小的影響，對(duì)這兩種傾斜角度下呼吸區(qū)控制點(diǎn)甲醛濃度進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8 分別為X=1.4 m、1.5 m、1.6 m 截面時(shí)，排風(fēng)罩向內(nèi)傾斜 35° 和排風(fēng)罩向內(nèi)傾斜 90° 下呼吸區(qū)不同控制點(diǎn)的甲醛濃度圖，控制點(diǎn)坐標(biāo)為Y=1～3 m、Z=1.2 m，如圖 8 所示，兩種傾斜角度排風(fēng)罩下控制點(diǎn)的甲醛濃度均具有一定的波動(dòng)性，并且總體上呈對(duì)稱趨勢(shì)，中間濃度高、兩邊濃度低。在同一高度不同X 截面處，隨 Y 軸坐標(biāo)的增加，兩種排風(fēng)罩下的甲醛濃度值均是先增加、趨于平穩(wěn)后再減小，且 35° 排風(fēng)罩處的甲醛濃度總是大于 90° 排風(fēng)罩處的甲醛濃度，在Y=1.4～2.6 m 處，兩者差別較明顯。綜上所述，90° 排風(fēng)罩對(duì)甲醛污染的控制效果稍優(yōu)于35°排風(fēng)罩。

圖8 排風(fēng)罩呼吸區(qū)控制點(diǎn)甲醛濃度圖

3.2 排風(fēng)罩風(fēng)速大小的影響

圖9 為不同排風(fēng)量下即排風(fēng)罩風(fēng)速分別為V=0.5、1、2 m/s 下，呼吸區(qū)不同控制點(diǎn)的甲醛濃度圖，控制點(diǎn)坐標(biāo)為X=1.5 m、Y=1～3 m、Z=1.2 m，從圖 9 可以看出，隨著風(fēng)速的增加，呼吸區(qū)甲醛濃度逐漸降低，且在V=2 m/s 時(shí)甲醛濃度下降最明顯。

圖9 排風(fēng)罩呼吸區(qū)控制點(diǎn)甲醛濃度圖

4 結(jié)論

本文運(yùn)用CFD 數(shù)值模擬方法，分析了解剖臺(tái)內(nèi)部雙側(cè)排風(fēng)罩的排風(fēng)性能和甲醛氣體的控制效果，以及影響甲醛氣體濃度場(chǎng)的兩個(gè)因素：排風(fēng)罩傾斜角度和排風(fēng)罩風(fēng)速，得到結(jié)論如下:

1）解剖臺(tái)兩側(cè)排風(fēng)罩將氣流從四周吸入排風(fēng)罩內(nèi)，通過其內(nèi)部的抽風(fēng)管道排出室外，這樣使得新鮮空氣先流經(jīng)人體呼吸區(qū)，有益于人體健康。

2）僅有排風(fēng)罩的排風(fēng)作用下，在一定程度上能夠降低甲醛氣體濃度，而且離解剖臺(tái)兩側(cè)排風(fēng)罩越近時(shí)，其呼吸區(qū)甲醛濃度較低。解剖臺(tái)帶有排風(fēng)罩一側(cè)的中間位置相較于兩邊位置，解剖人員所受污染相對(duì)較重。

3）解剖臺(tái)內(nèi)部排風(fēng)罩向內(nèi)傾斜角度為90° 時(shí)相較于35°，在排風(fēng)作用下其呼吸區(qū)甲醛濃度值稍低一點(diǎn)。除此之外，隨著排風(fēng)罩風(fēng)速的增加，甲醛氣體濃度呈逐漸下降的趨勢(shì)。