百級潔淨層流手術室利用CFD 技術計算風量

1 　概述

《醫院潔淨手術部建設標準》頒布至今已經有一年多了,《標準》對於(yu) 規範潔淨手術部設計起到了重要的作用。

對於(yu) 暖通空調領域來說,《標準》中對於(yu) 不同等級的手術部的潔淨要求、送風量要求、沉降菌濃度要求都作了明確的規定, 使設計工作有據可依。

但是, 對於(yu) 百級潔淨層流手術室,《標準》中未對送風量作出明確的規定, 隻是對工作截麵平均風速提出了0 .25 ～ 0.3m/s的風速要求, 眾(zhong) 所周知, 我國潔淨手術部設計是基於(yu) 主流區控製理論的, 對於(yu) 層流手術室送風單元這種送風形式, 又不可能利用射流公式進行計算, 因此, 筆者在湘雅醫院層流手術室設計中利用CFD 技術進行數值模擬計算。

2 　層流手術室建模

醫院手術部建築平麵如圖1 所示, 層流手術室麵積為(wei) 9150×5600m2 , 吊頂下層高3 .0m, 層流手術室等級為(wei) I 級, 空調氣流組織形式為(wei) 頂送側(ce) 回, 回風口為(wei) 8 個(ge) , 底距0.1m , 風口大小為(wei) 1000×300m2 , 手術台距地1 .0m , 尺寸為(wei) 0.6×1.8m2 。

考慮到手術過程中發菌是室內(nei) 發菌量的主要來源, 筆者用12 個(ge) 長方柱表示12 個(ge) 醫務人員。為(wei) 保證模擬的準確性,筆者采用四麵體(ti) 非結構網格劃分方法建模, 該模型的模擬結果即所謂靜態測試的結果, 建模後結果如圖2 所示。

3 　數值計算模型及邊界條件

3 .1　數值計算模型

在暖通空調領域CFD 計算中, 普遍采的是K -e 雙方程模型, 在本模擬中也不例外, 限於(yu) 篇幅, 關(guan) 於(yu) 該模型的詳細介紹, 本文不再贅述,請參閱相關(guan) 文獻[ 1] 。

在菌落模擬和濃度場模擬中有幾個(ge) 假設, (1)菌落都是附著於(yu) 灰塵上的, 計算中用其附著的灰塵軌跡作為(wei) 菌落的軌跡。(2)不考慮溫度的影響, 即忽略溫差驅動力。(3)根據有關(guan) 文獻, 地麵8m2 的發塵量和發菌量一個(ge) 人員的發塵發菌相當, 人靜止的發菌量為(wei) 300 個(ge) /(人?min), 發塵量為(wei) 105 個(ge) /min, 發塵量比例頂棚:牆麵:地麵=1 :5:100。(5)因為(wei) 灰塵的體(ti) 積占氣體(ti) 體(ti) 積的比例微乎其微, 可以認為(wei) 對氣流流場沒有影響, 因此, 模擬中采用非耦合計算。模擬濃度場和菌落場的基本方程為(wei) 動量方程(X 方向)

其中FD=18μ/(D2pρpCc)

Cc =1 +2λ/Dp[ 1 .257+0.4exp(-1.1(Dp/2λ))]

式中　λ——— 為(wei) 分子平均自由程;

u ——— 空氣速度;

up ——— 粒子速度;

gx ——— 重力;

ρp ——— 粒子密度;

ρ——— 空氣密度;

Fx ——— 其它驅動力;

Dp ——— 粒子直徑;

μ——— 動力粘滯係數;

Re ——— 雷諾數;

3 .2　邊界條件處理

a、牆體(ti) 邊界條件:

牆體(ti) 速度邊界條件采用與(yu) 紊流核心區不同的數學模型,將邊界層劃分為(wei) 粘性底層和對數律層, 數學模型為(wei) :

式中　Ck ———Karman 常數, 取0 .42

E——— 經驗數值, 取9 .81。

Up ——— 網格點速度。

Kp ——— 網格點湍動能。

yp ——— 網格點與(yu) 牆麵的距離。

μ——— 流體(ti) 紊流粘滯係數。

濃度場模擬中, 為(wei) 簡化計算, 假設微粒和牆體(ti) 之間的碰撞為(wei) 彈性碰撞, 無動量和能量損失。

b 、風口邊界條件

送風單元模型

嚴(yan) 格來講, 送風單元的數值模型應該是相當複雜的, 首先, 潔淨氣流經送風單元進入房間應該是個(ge) 動量守恒的過程, 而從(cong) 另一方麵考慮, 送風單元的氣流進入房間, 送風斷麵在離開孔板後速度應該減小, 所以動量似乎是減小了。這兩(liang) 方麵看起來是非常複雜的, 不能用不可壓的模型來描述, 而在我們(men) 暖通領域的模擬中, 往往不考慮氣體(ti) 的可壓縮性, 所以會(hui) 導致這種矛盾的現象。根據某送風單元廠家的測試結論, 百級送風單元(www..com)

濃度模擬中, 定義(yi) 該邊界條件為(wei) 逃逸邊界條件。

回風口模型

回風口為(wei) 8 個(ge) 1 ×0.3m2 的方型回風口, 每個(ge) 回風口回風量占總量的12.5 %。假設回風口滿足充分發展段紊流出口模型。濃度模擬中,此邊界條件也為(wei) 逃逸邊界條件。

4 　計算結果分析

4 .1　速度場模擬結果分析

本模擬的主要目的是研究送風量對工作麵風速的影響,為(wei) 手術的空調設計提供依據。計算時分別計算了0.41m/ s、0 .45m/ s、0 .48m/ s、0.50m/ s、0.52m/ s、0.54m/ s 時其工作麵速度場分布, 模擬結果如圖3 、4、5 所示。

綜合模擬結果, 將工作麵速度極值會(hui) 成圖6 所示的曲線, 由模擬結果可以看出(1)在出口風速的0.48m/ s 時, 工作麵平均風速基本可以達到《標準》中提出的0.25 ～ 0.3m/ s。(2)從(cong) 曲線圖可以注意到, 隨著出口風速的增大, 工作麵風速增大的速度逐漸減慢, 也就是說, 曲於(yu) 受到手術床邊界條件的影響, 增加出口風速來提高工作麵風速是不經濟的, 且會(hui) 造成靠近工作麵附近區域速度梯度增大, 手術區上方產(chan) 生吹風感。(3)從(cong) 送風單元模型可以看出, 由於(yu) 出口風速的確定方法是Q/A, 而孔板送風的送風速度是稍大於(yu) 這個(ge) 風速的,因此,模擬風量應該是設計的保守風量。

4 .2　落菌數模擬結果分析

模擬結果中, 顯示工作區域均滿足百級的落菌要求百級的落菌要求(5 個(ge) /m3)。由模擬結果可見, 在百級潔淨手術設計中, 落菌量已不是設計需要考慮的主要問題了, 在如此大的層流送風環境下, 工作區甚至部分周邊區都能滿足落菌量要求。

4 .3　含塵量模擬結果分析

從(cong) 模擬結果來看,(1)在送風速度0.41m/ s 以上時, 手術區工作麵高度的含塵量基本都要以滿足百級要求(≥0.5μm的微粒數目小於(yu) 等於(yu) 35×100 個(ge) )。(2)由於(yu) 人員是房間主要的塵源之一, 所以, 人員對工作麵濃度分布影響較大, 如圖所示, 在人員周圍較大範圍內(nei) 不能夠達到百級潔淨要求。(3)模擬結果顯示, 實際運行過程中, 室內(nei) 濃度分布和主流區控製理論略有不同, 在手術台和人員之間存在一個(ge) 汙峰區, 要減少這個(ge) 區域的影響, 有必要對醫務人員進行層流手術室的使用方麵的培訓, 盡量減少對主流區流型的破壞。

5 　結論

(1)通過結潔淨層流手術室的數值模擬, 筆者認為(wei) 0.48m/ s 的送風速度(風量10782m3/h)可以滿足《標準》中對手術工作麵斷麵風速的要求。

(2)在0 .48m/ s 的送風風速情況下, 工作區的含塵濃度和落菌量完全可以滿足百級層流手術室的潔淨度要求。

(3)由於(yu) 人員對層流手術室潔淨度有很大影響, 應對醫務人員進行必要的層流手術室使用培訓。