合理的氣流組織是醫院潔凈手術(shù)室空調系統設計的重要內容。文章以RNG K-ε湍流雙方程模型為基礎, 采用CFD 技術(shù), 建立了相應的物理和數學(xué)模型, 對上送——相對單側墻底部回風(fēng)潔凈手術(shù)室內速度場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬, 得到了潔凈手術(shù)室內工作面三維速度場(chǎng)與二維流場(chǎng)的分布。

潔凈手術(shù)室的空調設計最終目的是以經(jīng)濟可行的空調系統設計和合理的氣流組織, 維持手術(shù)室內氣候環(huán)境(溫濕度、氣流及污染物濃度等的分布), 并除去空氣中的塵埃、微生物和有害氣體[ 1 , 2] 。為實(shí)現對這些環(huán)境參數的合理控制, 有必要采用CFD 技術(shù)對室內氣流組織, 進(jìn)行三維分析研究。隨著(zhù)計算機技術(shù)、流體力學(xué)的發(fā)展, 計算流體力學(xué)(Computa tional Fluid Dy namics , 簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)已經(jīng)廣泛應用于熱能動(dòng)力、土木水利、環(huán)境化工、暖通空調及空氣凈化等諸多工程領(lǐng)域[ 3 -5] 。

1 　數學(xué)物理模型

1. 1 　物理模型

千級潔凈手術(shù)室屬于非單向流潔凈室, 其工作原理是通過(guò)布置在手術(shù)室頂棚的潔凈送風(fēng)單元, 向下吹出潔凈氣流, 利用潔凈的氣流稀釋手術(shù)室內含塵濃度較高的空氣, 將等量的空氣從回風(fēng)口排出。送風(fēng)單元下的手術(shù)臺及周邊區域處于潔

凈氣流的主流區, 潔凈度最高, 并且保持局部單向流[ 6] 。潔凈手術(shù)室面積(8 ×4)m2 , 吊頂下高度3 m , 潔凈等級為千級。空調氣流組織形式為頂送風(fēng)單側下回風(fēng), 送風(fēng)口尺寸為2 m ×1. 2 m , 集中布置于手術(shù)臺上方。回風(fēng)口為4 個(gè), 尺寸為

0. 8 m ×0. 3 m 。回風(fēng)口下沿距離地面0. 1 m , 連續布置, 手術(shù)臺為1. 8 m ×0. 6 m ×0. 8 m 。

1. 2 　建立數學(xué)模型

1. 2. 1 　控制方程

潔凈手術(shù)室內的空氣流動(dòng)通常處于穩態(tài)的湍流流動(dòng), 可以用不可壓縮流體的黏性流動(dòng)控制微分方程來(lái)描述。暖通空調領(lǐng)域CFD 數值模擬常用K-ε兩方程模型, 其中K 為湍流動(dòng)能, ε為湍流耗散率。本文采用RNG K-ε雙方程模型, 它是對標準K-ε雙方程模型的改進(jìn)。為簡(jiǎn)化計算, 對RNG K-ε雙方程模型作如下假設:

(1) 氣流流動(dòng)為穩態(tài)湍流流動(dòng)。

(2) 由于所研究的潔凈手術(shù)室內空氣流速很小, 斷面風(fēng)速小于0. 5 m / s , 所以視手術(shù)室內氣體為不可壓縮流動(dòng), 且符合Boussinesq假設[ 7] , 即認為流體密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響。

(3) 室內氣體屬于牛頓流體, 作定常流動(dòng)。

(4) 不考慮漏風(fēng)的影響, 即認為潔凈手術(shù)室內氣密性良好。標準K-ε模型中, 湍流動(dòng)能K 及其耗散率ε是未知量, 可從下面的輸運方程組得到

在RNG K-ε模型輸運方程中, 從控制方程中去除小尺度的運動(dòng), 得到的模型輸運方程與標準K-ε模型輸運方程有相似的形式[8] , 即

其中

RNG K-ε模型與標準K-ε模型相比, 對于近壁轉角處流動(dòng)特征的描述比標準模型更細致精確, 可以更好地處理高應變率及流線(xiàn)彎曲程度較大的流動(dòng)[8] 。因此, 更適合模擬手術(shù)室內這種高雷諾數的情形。

1. 2. 2 　計算區域與邊界條件

(1) 送風(fēng)口邊界。假設入流速度在入口面上是均勻分布的。在本次模擬中, 由于手術(shù)室在幾何上的結構, 切向速度vx =vy =0 , 只有法向速度存在。法向速度vz 為

vz =ACH V/3600S

其中, ACH 為手術(shù)室換氣次數(次/h);V 為手術(shù)室體積(m3 );S 為送風(fēng)口面積(m2 )。速度方向垂直向下, T =295 K 。

(2) 回風(fēng)口邊界。回風(fēng)口為4 個(gè)的方形口,假設每個(gè)回風(fēng)口的回風(fēng)量占總回風(fēng)量的25 %, 回風(fēng)口滿(mǎn)足充分發(fā)展段紊流出口模型。

(3) 壁面邊界。對于固定壁面邊界, 由于壁面的作用, 在離壁面很近的區域內湍流的脈動(dòng)影響不如分子黏性力起主要作用, 所以用壁面函數法[7] 處理近壁區域內的紊流。

1. 2. 3 　網(wǎng)格生成

由于單獨建立了邊界層的數學(xué)模型, 在Fluent的前處理軟件(gambi t)中對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 采用了均勻劃分網(wǎng)格的方法, 控制體為非結構正四面體, 邊長(cháng)0. 15 m , 此次模擬共生成22789個(gè)節點(diǎn), 114 416 個(gè)網(wǎng)格。

2 　工作面速度計算結果與分析

2. 1 　不同送風(fēng)速度下的工作面速度分布

模擬的潔凈手術(shù)室內手術(shù)臺高度0. 8 m , 手術(shù)臺之上的人體切口高度為0. 3 m , 所以工作面高度設定為距離地面1. 1 m , 位于xoy平面, 工作面面積為(1. 8 ×0. 6) m2 。為獲得更準確的工作面風(fēng)速值, 將工作面均勻劃分為(0. 15 ×0. 15) m2的區域, 測速點(diǎn)為各區域節點(diǎn), 共有65(13 ×5)個(gè)測點(diǎn), 如圖1 所示。

根據建立的手術(shù)室模型, 分別模擬計算了15 次/h 、20 次/h 、25 次/h 、30 次/h 、35 次/h 、40 次/h 、45 次/h 、50 次/h 不同換氣次數下空態(tài)工作面的風(fēng)速。利用Fluent 的后處理功能獲得工作面的風(fēng)速, 將所獲各測試點(diǎn)風(fēng)速值由MA TLAB軟件進(jìn)行三維可視化處理, 使工作面速度場(chǎng)更加形象直觀(guān)。

由于15 ～ 50 次/h 不同換氣次數下工作面風(fēng)速三維分布圖形狀基本相同, 僅列出50 次/h 、35 次/h 、15 次/h 換氣次數下工作面風(fēng)速三維分布圖, 如圖2 所示。圖中W 、L 分別表示工作面寬度、長(cháng)度;v 表示工作面風(fēng)速。

圖2 　工作面風(fēng)速三維分布圖

從圖2a ～ 圖2c 可以看出, 不同換氣次數下,工作面的速度場(chǎng)均呈現四周風(fēng)速高于工作面中心區域風(fēng)速, 成“漏斗狀” 。速度場(chǎng)四周呈“鋸齒狀”分布, 表明工作面邊緣風(fēng)速分布不均勻, 模擬的潔凈手術(shù)室屬于亂流。如果工作面速度場(chǎng)的分布不均勻, 風(fēng)速極大值與極小值之間相差較大,會(huì )造成工作面有明顯旋渦。因此, 有必要計算工作面的速度場(chǎng)的亂流度β, 亂流度β 愈小則表明速度分布愈均勻。綜合數值模擬結果, 其工作面風(fēng)速及亂流度與不同換氣次數下對應的送風(fēng)速度關(guān)系如圖3 所示, 圖3 中v送、v工分別表示送風(fēng)速度和工作面的風(fēng)速。

從圖3a 、3b 可以看出, 隨著(zhù)換氣次數的增大,工作面風(fēng)速的極大值與極小值之差也隨之增大,從0. 04 m / s 增加到0. 14 m / s 。15次/h 、20 次/h換氣次數下的亂流度β 分別是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的換氣次數亂流度β 基本保持在0. 1 左右。15 次/h、20 次/h 換氣次數下的送風(fēng)速度較小, 只有0. 17 ～ 0. 22 m / s , 空氣流動(dòng)動(dòng)量較小, 速度衰減加快, 造成亂流度β 高于其他換氣次數下的亂流度。因此, 推薦25 次/h 換氣次數作為此類(lèi)潔凈手術(shù)室的最小換氣次數。

2. 2 　工作面斷面流場(chǎng)分析

Fluent 的后處理功能可以將模擬結果以矢量圖、流線(xiàn)圖、等值線(xiàn)圖等形式輸出。在分析了工作面的三維速度場(chǎng)分布后, 有必要進(jìn)一步分析工作面所在的斷面的流場(chǎng), 選取具有代表的x =0 ,y-z 斷面的流場(chǎng)進(jìn)行分析。由于15 ～ 50 次/h 不同換氣次數下斷面流場(chǎng)速度矢量圖形狀基本相同, 限于篇幅, 僅列出50 次/h 、35 次/h 、15 次/h換氣次數下斷面速度矢量圖, 如圖4 所示。

對圖4a ～ 圖4c 分析, 可以看出:

(1) 整個(gè)斷面流場(chǎng)的分布呈主流區、渦流區和回風(fēng)口區分布。從送風(fēng)口垂直向下送出的氣流在手術(shù)臺上方基本保持垂直向下的流線(xiàn), 使工作面處于主流區的保護之下。沿送風(fēng)單元中心軸線(xiàn), 手術(shù)臺上方區域流場(chǎng)呈對稱(chēng)分布。由于是上送———相對單側墻底部回風(fēng), 在手術(shù)臺的左右兩側區域, 流線(xiàn)發(fā)生較大傾斜, 形成了三角形的渦流區, 在靠近墻壁區域的渦流呈不對稱(chēng)分布。由于受墻壁的限制, 流場(chǎng)右上方形成受限射流, 形成較大的旋渦。旋渦直徑在0. 5 ～ 0. 7 m , 旋渦中心高度在2. 1 ～ 2. 3 m , 順時(shí)針旋轉。在回風(fēng)口附近,流線(xiàn)曲率變化加劇, 流速加大。

(2) 工作面上方空氣流線(xiàn)基本保持垂直, 與水平方向的傾斜角度大于65°, 按照文獻[9] 的研究結果, 潔凈室手術(shù)室內人員產(chǎn)生的塵粒不會(huì )落在工作面上。在手術(shù)臺的邊緣, 由于手術(shù)臺的阻礙作用, 流線(xiàn)發(fā)生較大彎曲。因此, 工作面的速度場(chǎng)在四周呈“鋸齒狀”分布。

(3) 回風(fēng)口與送風(fēng)口之間的距離對潔凈手術(shù)室氣流流線(xiàn)影響不大。

3 　結　　論

計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)在暖通空調行業(yè)的應用將越來(lái)越廣, 成為潔凈空調設計工程中不可缺少的工具之一。本文以基于RNG K-ε湍流雙方程模型為基礎, 通過(guò)數值模擬得到千級潔凈手術(shù)室工作面高度截面的三維速度場(chǎng)和二維室內流場(chǎng)的分布, 工作面流場(chǎng)處于主流區且保持單向流。數值模擬結果表明:

(1) 換氣次數分別在15 ～ 25 次/h 、30 ～ 50次/h 之間, 工作面的平均風(fēng)速在0. 1 ～ 0. 16 m /s 、0. 20 ～ 0. 33 m /s 之間。

(2) 15 次/h 、20 次/h 換氣次數下工作面的亂流度β 分別是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的換氣次數亂流度β在0. 1 左右, 因此建議25 次/h 換氣次數作為千級潔凈手術(shù)室的最小換氣次數。