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洁净手术室设计中应用CFD对气流组织分析
合理的气流组织是医院洁净手术室空调系统设计的重要内容。文章以RNG K-ε湍流双方程模型为基础, 采用CFD 技术, 建立了相应的物理和数学模型, 对上送——相对单侧墙底部回风洁净手术室内速度场进行了数值模拟, 得到了洁净手术室内工作面三维速度场与二维流场的分布。
洁净手术室的空调设计最终目的是以经济可行的空调系统设计和合理的气流组织, 维持手术室内气候环境(温湿度、气流及污染物浓度等的分布), 并除去空气中的尘埃、微生物和有害气体[ 1 , 2] 。为实现对这些环境参数的合理控制, 有必要采用CFD 技术对室内气流组织, 进行三维分析研究。随着计算机技术、流体力学的发展, 计算流体力学(Computa tional Fluid Dy namics , 简称CFD)已经广泛应用于热能动力、土木水利、环境化工、暖通空调及空气净化等诸多工程领域[ 3 -5] 。
1 数学物理模型
1. 1 物理模型
千级洁净手术室属于非单向流洁净室, 其工作原理是通过布置在手术室顶棚的洁净送风单元, 向下吹出洁净气流, 利用洁净的气流稀释手术室内含尘浓度较高的空气, 将等量的空气从回风口排出。送风单元下的手术台及周边区域处于洁
净气流的主流区, 洁净度最高, 并且保持局部单向流[ 6] 。洁净手术室面积(8 ×4)m2 , 吊顶下高度3 m , 洁净等级为千级。空调气流组织形式为顶送风单侧下回风, 送风口尺寸为2 m ×1. 2 m , 集中布置于手术台上方。回风口为4 个, 尺寸为
0. 8 m ×0. 3 m 。回风口下沿距离地面0. 1 m , 连续布置, 手术台为1. 8 m ×0. 6 m ×0. 8 m 。
1. 2 建立数学模型
1. 2. 1 控制方程
洁净手术室内的空气流动通常处于稳态的湍流流动, 可以用不可压缩流体的黏性流动控制微分方程来描述。暖通空调领域CFD 数值模拟常用K-ε两方程模型, 其中K 为湍流动能, ε为湍流耗散率。本文采用RNG K-ε双方程模型, 它是对标准K-ε双方程模型的改进。为简化计算, 对RNG K-ε双方程模型作如下假设:
(1) 气流流动为稳态湍流流动。
(2) 由于所研究的洁净手术室内空气流速很小, 断面风速小于0. 5 m / s , 所以视手术室内气体为不可压缩流动, 且符合Boussinesq假设[ 7] , 即认为流体密度变化仅对浮升力产生影响。
(3) 室内气体属于牛顿流体, 作定常流动。
(4) 不考虑漏风的影响, 即认为洁净手术室内气密性良好。标准K-ε模型中, 湍流动能K 及其耗散率ε是未知量, 可从下面的输运方程组得到
在RNG K-ε模型输运方程中, 从控制方程中去除小尺度的运动, 得到的模型输运方程与标准K-ε模型输运方程有相似的形式[8] , 即
其中
RNG K-ε模型与标准K-ε模型相比, 对于近壁转角处流动特征的描述比标准模型更细致精确, 可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动[8] 。因此, 更适合模拟手术室内这种高雷诺数的情形。
1. 2. 2 计算区域与边界条件
(1) 送风口边界。假设入流速度在入口面上是均匀分布的。在本次模拟中, 由于手术室在几何上的结构, 切向速度vx =vy =0 , 只有法向速度存在。法向速度vz 为
vz =ACH V/3600S
其中, ACH 为手术室换气次数(次/h);V 为手术室体积(m3 );S 为送风口面积(m2 )。速度方向垂直向下, T =295 K 。
(2) 回风口边界。回风口为4 个的方形口,假设每个回风口的回风量占总回风量的25 %, 回风口满足充分发展段紊流出口模型。
(3) 壁面边界。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湍流的脉动影响不如分子黏性力起主要作用, 所以用壁面函数法[7] 处理近壁区域内的紊流。
1. 2. 3 网格生成
由于单独建立了边界层的数学模型, 在Fluent的前处理软件(gambi t)中对模型进行网格划分, 采用了均匀划分网格的方法, 控制体为非结构正四面体, 边长0. 15 m , 此次模拟共生成22789个节点, 114 416 个网格。
2 工作面速度计算结果与分析
2. 1 不同送风速度下的工作面速度分布
模拟的洁净手术室内手术台高度0. 8 m , 手术台之上的人体切口高度为0. 3 m , 所以工作面高度设定为距离地面1. 1 m , 位于xoy平面, 工作面面积为(1. 8 ×0. 6) m2 。为获得更准确的工作面风速值, 将工作面均匀划分为(0. 15 ×0. 15) m2的区域, 测速点为各区域节点, 共有65(13 ×5)个测点, 如图1 所示。
根据建立的手术室模型, 分别模拟计算了15 次/h 、20 次/h 、25 次/h 、30 次/h 、35 次/h 、40 次/h 、45 次/h 、50 次/h 不同换气次数下空态工作面的风速。利用Fluent 的后处理功能获得工作面的风速, 将所获各测试点风速值由MA TLAB软件进行三维可视化处理, 使工作面速度场更加形象直观。
由于15 ～ 50 次/h 不同换气次数下工作面风速三维分布图形状基本相同, 仅列出50 次/h 、35 次/h 、15 次/h 换气次数下工作面风速三维分布图, 如图2 所示。图中W 、L 分别表示工作面宽度、长度;v 表示工作面风速。
图2 工作面风速三维分布图
从图2a ～ 图2c 可以看出, 不同换气次数下,工作面的速度场均呈现四周风速高于工作面中心区域风速, 成“漏斗状” 。速度场四周呈“锯齿状”分布, 表明工作面边缘风速分布不均匀, 模拟的洁净手术室属于乱流洁净室。如果工作面速度场的分布不均匀, 风速极大值与极小值之间相差较大,会造成工作面有明显旋涡。因此, 有必要计算工作面的速度场的乱流度β, 乱流度β 愈小则表明速度分布愈均匀。综合数值模拟结果, 其工作面风速及乱流度与不同换气次数下对应的送风速度关系如图3 所示, 图3 中v送、v工分别表示送风速度和工作面的风速。
从图3a 、3b 可以看出, 随着换气次数的增大,工作面风速的极大值与极小值之差也随之增大,从0. 04 m / s 增加到0. 14 m / s 。15次/h 、20 次/h换气次数下的乱流度β 分别是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的换气次数乱流度β 基本保持在0. 1 左右。15 次/h、20 次/h 换气次数下的送风速度较小, 只有0. 17 ～ 0. 22 m / s , 空气流动动量较小, 速度衰减加快, 造成乱流度β 高于其他换气次数下的乱流度。因此, 推荐25 次/h 换气次数作为此类洁净手术室的最小换气次数。
2. 2 工作面断面流场分析
Fluent 的后处理功能可以将模拟结果以矢量图、流线图、等值线图等形式输出。在分析了工作面的三维速度场分布后, 有必要进一步分析工作面所在的断面的流场, 选取具有代表的x =0 ,y-z 断面的流场进行分析。由于15 ～ 50 次/h 不同换气次数下断面流场速度矢量图形状基本相同, 限于篇幅, 仅列出50 次/h 、35 次/h 、15 次/h换气次数下断面速度矢量图, 如图4 所示。
对图4a ～ 图4c 分析, 可以看出:
(1) 整个断面流场的分布呈主流区、涡流区和回风口区分布。从送风口垂直向下送出的气流在手术台上方基本保持垂直向下的流线, 使工作面处于主流区的保护之下。沿送风单元中心轴线, 手术台上方区域流场呈对称分布。由于是上送———相对单侧墙底部回风, 在手术台的左右两侧区域, 流线发生较大倾斜, 形成了三角形的涡流区, 在靠近墙壁区域的涡流呈不对称分布。由于受墙壁的限制, 流场右上方形成受限射流, 形成较大的旋涡。旋涡直径在0. 5 ～ 0. 7 m , 旋涡中心高度在2. 1 ～ 2. 3 m , 顺时针旋转。在回风口附近,流线曲率变化加剧, 流速加大。
(2) 工作面上方空气流线基本保持垂直, 与水平方向的倾斜角度大于65°, 按照文献[9] 的研究结果, 洁净室手术室内人员产生的尘粒不会落在工作面上。在手术台的边缘, 由于手术台的阻碍作用, 流线发生较大弯曲。因此, 工作面的速度场在四周呈“锯齿状”分布。
(3) 回风口与送风口之间的距离对洁净手术室气流流线影响不大。
3 结 论
计算流体力学(CFD)技术在暖通空调行业的应用将越来越广, 成为洁净空调设计工程中不可缺少的工具之一。本文以基于RNG K-ε湍流双方程模型为基础, 通过数值模拟得到千级洁净手术室工作面高度截面的三维速度场和二维室内流场的分布, 工作面流场处于主流区且保持单向流。数值模拟结果表明:
(1) 换气次数分别在15 ～ 25 次/h 、30 ～ 50次/h 之间, 工作面的平均风速在0. 1 ～ 0. 16 m /s 、0. 20 ～ 0. 33 m /s 之间。
(2) 15 次/h 、20 次/h 换气次数下工作面的乱流度β 分别是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的换气次数乱流度β在0. 1 左右, 因此建议25 次/h 换气次数作为千级洁净手术室的最小换气次数。
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