彌散供氧的實(shí)驗(yàn)及仿真研究

金 浩，廖 姣

(湖南泰瑞醫(yī)療科技有限公司 環(huán)境潔凈研究設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410221)

1 前 言

近年來，隨著生活節(jié)奏的加快，人們待在室內(nèi)的時(shí)間越來越長。醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)的氧氣濃度普遍低于室外環(huán)境，而大部分亞健康的不適表現(xiàn)與長期慢性缺氧有著密切關(guān)系[1]。隨著氧氣供應(yīng)對人體生理、病理復(fù)雜影響機(jī)制研究的不斷深化，彌散供氧在預(yù)防醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、職業(yè)病醫(yī)學(xué)、老年醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用[2]。對于繁重腦力的勞動者、老年人、孕婦和慢性病康復(fù)期病人，彌散供氧已經(jīng)成為必不可少的治療手段之一[3]。此外，隨著高原地區(qū)的開發(fā)，到高原旅游、生活、工作的人越來越多，彌散供氧也將成為人們應(yīng)對高原氧氣稀薄環(huán)境的必備產(chǎn)品[4-6]。

為了更好地進(jìn)行彌散供氧選型，首先通過實(shí)驗(yàn)研究氧氣在兩種不同面積房間內(nèi)的彌散規(guī)律，并通過Scflow V2020的仿真模型分析兩個(gè)房間的彌散氧分布隨時(shí)間的變化情況。最后通過對比，驗(yàn)證Scflow V2020的仿真模型能否模擬不同房間彌散氧濃度的分布情況。

2 實(shí)驗(yàn)及方法

本實(shí)驗(yàn)針對房間的大小，采用不同流量的制氧機(jī)制氧，并通過Φ10的PU管和型號為TR603的射燈式布氧口實(shí)現(xiàn)彌散制氧。同時(shí)采用型號為green 5(觸摸屏版)的氧氣濃度測試儀對房間的氧氣濃度進(jìn)行測定。房間內(nèi)初始氧氣濃度為20.9%，溫度為25℃。根據(jù)GB/T 35414—2017《高原地區(qū)室內(nèi)空間彌散供氧(氧調(diào))要求》，平原地區(qū)彌散供氧空間的氧氣濃度要求在23%以下，因此實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)檢測房間內(nèi)氧氣濃度達(dá)到23%之前的變化情況。

2.1 房間A彌散氧實(shí)驗(yàn)

房間A的空間為3.1 m×1.67 m×2.8 m，采用一臺10 L家用制氧機(jī)[7]和一個(gè)彌散終端對房間進(jìn)行彌散制氧，一臺氧氣濃度測試儀測試房間的氧氣濃度[8-10]。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。氧氣濃度達(dá)到23%的測試時(shí)間為40 min，測試時(shí)間間隔為10 min。

圖1 房間A實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.2 房間B彌散氧實(shí)驗(yàn)

房間B的空間為7.81 m×5.37 m×2.89 m，采用一套制氧設(shè)備對房間進(jìn)行供氧。制氧設(shè)備包括一臺80 L制氧機(jī)，一臺1.22 m3/min的螺桿空氣壓縮機(jī)，一臺型號為SE-40HA賽銀冷干式壓縮空氣干燥器冷干機(jī)，一臺0.3 m3儲氣罐以及一臺0.6 m3的儲氧罐。通過10個(gè)彌散終端對房間進(jìn)行彌散制氧，一臺氧氣濃度測試儀實(shí)時(shí)測試房間的氧氣濃度。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，彌散供氧流程如圖3所示。氧氣濃度達(dá)到23%的測試時(shí)間為30 min，測試時(shí)間間隔為10 min。

圖2 房間B實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖3 彌散供氧流程圖

3 仿真建模

Scflow V2020軟件包括前處理、求解器以及后處理3部分，可以實(shí)現(xiàn)氣體及液體的流體動力學(xué)仿真模擬。將基于Scflow V2020軟件，模擬房間A及房間B內(nèi)的氧氣彌散過程。

3.1 前處理

在Creo 4.0中對房間A及房間B進(jìn)行幾何建模，包括射燈式進(jìn)氧口等特征，隨后將所建立的幾何模型導(dǎo)入Scflow V2020的前處理模塊。對進(jìn)氧口和門創(chuàng)建0.01 m的伸出實(shí)體，選擇全部物體并抽出流體域。定義流體域內(nèi)的混合氣體成分參數(shù)(氧氣和氬氣)以及氧氣入口位置和時(shí)間周期、步長。最后根據(jù)不同零件大小定義網(wǎng)格大小得到仿真模型。

房間A內(nèi)設(shè)置環(huán)境溫度為25℃，彌散終端出氧量為10 L/min，氧氣濃度為90%，出氧壓力為0.04 MPa，時(shí)間周期為2000 s(根據(jù)彌散終端的出氧量和出氧口數(shù)量以及房間的體積換算出單個(gè)出氧口由21%達(dá)到23%氧濃度大約需要1740 s，因此設(shè)置計(jì)算時(shí)間周期為2000 s)，步長0.01 s。氧氣和氬氣參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示?；旌蠚怏w輸入設(shè)置濃度為92.1%的氧氣和濃度為7.9%的氬氣。彌散終端的網(wǎng)格大小設(shè)置為0.5 mm。房間的網(wǎng)格大小設(shè)置為30 mm。劃分的網(wǎng)格如圖4。

表1 氧氣參數(shù)設(shè)置

表2 氬氣參數(shù)設(shè)置

圖4 房間A網(wǎng)格劃分模型

房間B內(nèi)設(shè)置環(huán)境溫度為25℃，彌散終端出氧量為80 L/min，氧氣濃度為90%，出氧壓力為0.4 MPa，時(shí)間周期為2000 s(根據(jù)彌散終端的出氧量和出氧口數(shù)量，以及房間的體積換算出單個(gè)出氧口由21%達(dá)到23%氧濃度大約需要1818 s，因此設(shè)置計(jì)算時(shí)間周期為2000 s)，步長0.01 s。氧氣和氬氣參數(shù)設(shè)置與表1和表2一致。

混合氣體輸入設(shè)置濃度為92.1%的氧氣和濃度為7.9%的氬氣。彌散終端的網(wǎng)格大小設(shè)置為0.5 mm。房間的網(wǎng)格大小設(shè)置為30 mm。劃分的網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 房間B網(wǎng)格劃分模型

3.2 求解器

將前處理導(dǎo)出的Sph文件導(dǎo)入Scflow V2020的求解器模塊進(jìn)行求解，得到各參數(shù)在時(shí)間周期內(nèi)的收斂狀態(tài)曲線如圖6所示，圖中顯示了三向速率、壓力、溫度等參數(shù)相對時(shí)間的變化，并且隨著時(shí)間接近穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)計(jì)變化會變小?？v軸顯示對數(shù)刻度的變化，例如，-3表示10-3。解算器確定計(jì)算已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所有物理量的變化低于10-4，則結(jié)束計(jì)算。

圖6 收斂狀態(tài)曲線圖

3.3 后處理

將求解器導(dǎo)出的Fph文件導(dǎo)入Scflow V2020的后處理模塊，查看房間內(nèi)氧濃度分布情況。

4 結(jié)果與討論

4.1 房間A的流體分析

4.1.1房間A的實(shí)驗(yàn)分析

如圖7所示，開機(jī)40 min，觀測每隔10 min室內(nèi)氧氣濃度變化量發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)氧氣濃度最終維持在23%左右。由此可知，對于14 m3的房間采用10 L家用制氧機(jī)在40 min左右就可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度。

圖7 房間A平均氧氣濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律

4.1.2房間A的仿真分析

如圖8所示，從房間A的Z向氧氣濃度分布云圖來看，計(jì)算2000 s后，Z=-0.718的截面氧氣濃度從出氧口至房間底部呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，平均濃度約為23%。Z=-0.021的截面氧氣濃度從出氧口至房間底部呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，其中出氧口濃度最高可達(dá)30%，房間兩側(cè)濃度略有升高，平均濃度約為24%。

如圖9所示，從房間A的X向氧氣濃度分布云圖來看，計(jì)算2000 s后，X=-1.2236的截面氧氣濃度從出氧口至房間底部呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，房間兩側(cè)濃度略有升高，平均濃度約為23%。X=-0.105的截面氧氣濃度從出氧口下端約0.5 m位置至房間底部呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，其中出氧口濃度最高可達(dá)30%，房間兩側(cè)濃度略有升高，平均濃度約為24%。X=1.211的截面氧氣濃度從出氧口至房間底部呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，平均濃度約為23%。

如圖10所示，通過對比每10 min的室內(nèi)氧氣平均濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度均有上升趨勢且仿真濃度略低于實(shí)驗(yàn)濃度值，仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本持平。

圖8 房間A的Z向氧氣濃度分布云圖

圖9 房間A的X向氧氣濃度分布云圖

圖10 房間A平均氧氣濃度實(shí)驗(yàn)與仿真的比較

4.2 房間B的流體分析

4.2.1房間B的實(shí)驗(yàn)分析

如圖11所示，開機(jī)30 min，觀測每隔10 min室內(nèi)氧氣濃度變化量發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)氧氣濃度最終維持在23%左右。由此可知，對于120 m3的房間采用80 L家用制氧機(jī)在30 min左右就可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度。

圖11 房間B平均氧氣濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律

4.2.2房間B的仿真分析

如圖12所示，從房間B的Z向氧氣濃度分布云圖來看，計(jì)算30 min后，Z=1.690 46的截面氧氣濃度從出氧口至房間底部呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，其中房間兩側(cè)濃度最高可達(dá)23%。平均濃度約為22%。Z=-0.105的截面氧氣濃度從出氧口至房間底部呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，其中房間兩側(cè)濃度最高，約為23%，平均濃度約為22%。

圖12 房間B的Z向氧氣濃度分布云圖

如圖13所示，從房間B的X向氧氣濃度分布云圖來看，計(jì)算30 min后，X=2.460 73的截面氧氣濃度從出氧口下端約1.5 m位置至四周呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，房間底部兩側(cè)濃度最高可達(dá)23%，平均濃度約為22%。X=-0.384 327的截面氧氣濃度從出氧口位置至房間底部呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，其中房間內(nèi)側(cè)濃度略高于外側(cè)濃度，兩側(cè)濃度最高可達(dá)22%，平均濃度約為23%。X=-2.775 22的截面氧氣濃度從出氧口下端約1.5 m位置至四周呈階梯狀分布，且濃度依次遞增，房間底部兩側(cè)濃度最高可達(dá)23%，平均濃度約為22%。

圖13 房間B的X向氧氣濃度分布云圖

如圖14所示，通過對比每10 min的室內(nèi)氧氣平均濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度均有上升趨勢。前15 min仿真濃度略高于實(shí)驗(yàn)濃度值，15 min之后仿真濃度略低于實(shí)驗(yàn)濃度值，仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本持平。

圖14 房間B平均氧氣濃度實(shí)驗(yàn)與仿真的比較

綜合以上實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果來看，Scflow V2020可以較好地模擬房間內(nèi)氧氣濃度達(dá)到23%的彌散過程，對實(shí)際彌散供氧過程的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 論

基于Scflow V2020分別建立了面積為3.1 m×1.67 m×2.8 m和7.81 m×5.37 m×2.89 m兩個(gè)彌散供氧房間的仿真模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性。該仿真模型為不同面積的房間，在氧氣達(dá)到指定濃度所需的時(shí)間和對應(yīng)規(guī)格的制氧機(jī)的型號提供了理論依據(jù)。