梁辰博 周斌 劉金祥

南京工業(yè)大學(xué)暖通工程系

手術(shù)室氣幕裝置氣流組織數(shù)值模擬與理論分析

梁辰博 周斌 劉金祥

南京工業(yè)大學(xué)暖通工程系

本文使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，基于I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)室，對(duì)帶氣幕的潔凈手術(shù)室流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并做了相應(yīng)的理論分析。得出了射流力是氣幕抗干擾能力的主要影響因素，引帶系數(shù)是氣幕隔離能力的主要影響因素的結(jié)論，對(duì)氣幕風(fēng)速、氣幕風(fēng)口尺寸、氣幕傾斜角度等工作參數(shù)的影響特性做了深入探討，并對(duì)比了相同風(fēng)量下帶氣幕與不帶氣幕送風(fēng)裝置的有效性。最后針對(duì)I級(jí)潔凈手術(shù)室內(nèi)的流場(chǎng)給出了建議氣幕設(shè)計(jì)參數(shù)。

氣幕 主流區(qū) 潔凈手術(shù)室 污染濃度

1 空態(tài)手術(shù)室數(shù)值模擬的物理和數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)潔凈室的實(shí)際條件進(jìn)行了如下假設(shè)：

①室內(nèi)氣流流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，室內(nèi)氣流為不可壓縮流體，物性為常數(shù)，忽略質(zhì)量力；

②室內(nèi)無(wú)內(nèi)熱源，圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱，對(duì)于潔凈室來(lái)說(shuō)，可假設(shè)為無(wú)溫差送風(fēng)，而且將室內(nèi)溫度場(chǎng)視為均勻溫度場(chǎng)；

③室內(nèi)污染源的發(fā)塵速率恒定。

1.1 物理模型

潔凈手術(shù)室布置圖1所示。

圖1 空態(tài)手術(shù)室布置圖

為保證工作面流速在0.2～0.3m/s[4]，中心區(qū)出口流速選為0.38m/s，對(duì)于帶氣幕的手術(shù)室具體邊界條件如表1所示。

表1 氣幕手術(shù)室送風(fēng)口與氣幕邊界件

根據(jù)Woods等人估計(jì)[5]：手術(shù)臺(tái)前手術(shù)人員散發(fā)典型碎屑平均直徑約7.5μm，因此，模擬中散發(fā)的攜帶微生物的粒子粒徑按7.5μm考慮，散發(fā)率采用2.5×104粒/s的面污染源，這與一般潔凈室設(shè)計(jì)規(guī)定在人穿著潔凈服劇烈活動(dòng)時(shí)，全身散塵率為5.6×105粒/min相比還是比較安全的。同時(shí)，污染源的位置對(duì)局部潔凈室濃度場(chǎng)有一定關(guān)系。為了更好地說(shuō)明問(wèn)題，考慮污染場(chǎng)最不利情況，選擇將面污染源放在送風(fēng)口兩側(cè)的吊頂上，這也可減少面污染源對(duì)流型的影響。

1.2 數(shù)學(xué)模型

潔凈手術(shù)室的換氣次數(shù)較大，氣流組織基本可視為強(qiáng)制對(duì)流流型且不考慮有溫差送風(fēng)，所以本文的計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)的高雷諾數(shù)k-ε二方程模型其控制方程如下：

式中：φ是普適標(biāo)量，可以表示三個(gè)速度分量u，v，w，湍流動(dòng)能k，耗散率ε；ρ是空氣密度，kg/m3；Γ為耗散項(xiàng)。

顆粒物使用拉格朗日法計(jì)算，由于分散相的總體積分?jǐn)?shù)較小，CFD采用DPM模型進(jìn)行計(jì)算。顆粒物濃度使用質(zhì)量密度，kg/m3?？拷诿嫣幉捎脡毫Ρ诿婧瘮?shù)。離散方法采用有限差分法。在劃分網(wǎng)格時(shí)，使用交錯(cuò)網(wǎng)格，使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)控制體進(jìn)行離散。在方程組求解時(shí)，對(duì)耦合方程組使用SIMPLE算法，單個(gè)方程組使用ADI逐行迭代法。

1.3 計(jì)算模型準(zhǔn)確性的比較

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將無(wú)氣幕時(shí)工作區(qū)斷面的模擬計(jì)算的速度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)一共采集30個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，斷面平均速度計(jì)算值為0.251m/s，實(shí)測(cè)值為0.234m/s，偏差率僅為7.2%，由圖2可以看出兩者數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本相同（四周高，中心低）。經(jīng)分析，誤差的主要原因是在計(jì)算中送風(fēng)口出風(fēng)假定完全均勻，但是在實(shí)際情況下送風(fēng)口出風(fēng)并非完全均勻（高效過(guò)濾器自身濾紙厚度和密度不均勻，同時(shí)均流層均流效果不足）。

圖2 0.8m高x-z斷面速度分布圖

2 數(shù)值模擬的結(jié)果與分析

2.1 氣幕速度的影響

空氣幕到達(dá)地面時(shí)才能完全發(fā)揮其隔離作用，此時(shí)由氣幕把污染區(qū)和潔凈區(qū)完全遮斷；進(jìn)一步提高空氣幕出口風(fēng)速時(shí)，隔離效果也不會(huì)再提高，在此條件下的空氣幕的出口風(fēng)速被稱(chēng)為遮斷風(fēng)速[1]。但是對(duì)于手術(shù)潔凈室，氣幕的主要作用不僅體現(xiàn)在隔離作用上，同時(shí)也體現(xiàn)在抗外界干擾能力上。此時(shí)需對(duì)氣幕速度選擇做進(jìn)一步的分析。

現(xiàn)對(duì)左側(cè)氣幕施加一橫向干擾，由圖3（a）～圖3（d）可以看出，在相同的橫向擾動(dòng)下，沒(méi)有氣幕時(shí)橫向擾動(dòng)入侵主流區(qū)十分嚴(yán)重，在相同氣幕寬度下隨著氣幕射流力的提高，氣幕射流與豎直方向的夾角減小，隔離作用在增強(qiáng)，從圖3（d）和圖3（e）可以看出在相同射流力時(shí)，寬口低速氣幕與窄口高速氣幕的射流與豎直方向的夾角差不多（射流軸線(xiàn)末端基本都在Z方向2.2m處），但窄口高速氣幕在末端已形成遮斷點(diǎn)（Z方向2.15m處），基本隔離了橫向擾動(dòng)，而寬口低速氣幕的末端卻未能形成很好的遮斷點(diǎn)。

圖3 不同射流力下流場(chǎng)速度矢量圖

根據(jù)流體射流理論，射流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各斷面的動(dòng)量保持平衡，即：

方程兩邊約τ，可得

式中：M為氣幕射流的總動(dòng)量，N·s；L0、Lx、Le為氣幕射流的出口流量、某斷面的流量、末端流量，m3/s；v0、vx、ve為氣幕射流的出口流速、某斷面的流速、末端流速，m/s；F為氣幕射流的射流力，N。

取一微元控制體，在某一斷面上對(duì)于一微元體將有

式中：dLx為微元控制體的流量，m3/s；vx,τ為微元控制體的瞬時(shí)流速，m/s；dF為微元控制體的射流力，N；dSx為微元控制體垂直于速度方向上的面積，m2。

對(duì)于微元控制體而言dSx可以認(rèn)為是一個(gè)常量，即dF是一個(gè)只與vx,τ有關(guān)的變量，斷面上的射流力實(shí)際上就是對(duì)dF在斷面范圍內(nèi)進(jìn)行的積分，即在此斷面上所有微元體所受射流力的合力。

氣幕射流在流動(dòng)過(guò)程中，軸心速度是不斷衰減的，而在采用較大v0時(shí)末端仍可保持一定速度，從而微元體獲得一定的射流力以抵抗橫向擾動(dòng)，這就是為什么在相同斷面射流力情況下，采用高速窄口氣幕時(shí)位于氣幕末端的抗干擾效果更好。

2.2 氣幕寬度的影響

手術(shù)潔凈室氣幕作用不僅體現(xiàn)在其抗橫向擾動(dòng)能力上，而且體現(xiàn)在其隔離污染物能力上。先以射流力作為單獨(dú)考量參數(shù)。

從圖4和圖5可以看出在對(duì)于不同的氣幕寬度，隨著射流力的加大氣幕內(nèi)外區(qū)的濃度比在逐漸降低。但同時(shí)在加大到一定值后，再加大對(duì)降低內(nèi)外區(qū)的濃度比的效果將不再明顯。

圖4 75mm寬度氣幕射流力與內(nèi)外區(qū)濃度比圖

圖5 150mm寬度氣幕射流力與內(nèi)外區(qū)濃度比圖

從圖6可以看出在射流力相同時(shí)內(nèi)外區(qū)的濃度比隨著氣幕寬度的增加而減少，結(jié)合圖4與圖5可以發(fā)現(xiàn)盡管射流力表達(dá)式從形式上綜合考慮了流量與流速，但這不能使射流力作為氣幕設(shè)計(jì)的一個(gè)獨(dú)立參數(shù)。因?yàn)榭諝饽坏母綦x作用并不是像固體壁一樣阻擋微粒的穿透，而是由它不斷卷吸兩側(cè)空氣，不斷去稀釋和帶走卷吸進(jìn)來(lái)的臟空氣（因?yàn)榭諝饽粐娍谒统龅囊彩菨崈艨諝猓?，使得微粒不能穿透氣幕，只有少?shù)微?？赡苡蓺饬鞯臋M向脈動(dòng)進(jìn)入中心區(qū)[1]。增加氣幕速度的作用之一就是加大稀釋的風(fēng)量使卷吸進(jìn)來(lái)的臟空氣更快地被帶走，但是通過(guò)增加氣幕出口速度的方式來(lái)加大風(fēng)量的同時(shí)勢(shì)必會(huì)使氣幕射流的卷吸作用加劇，卷吸進(jìn)氣幕的臟空氣的量會(huì)大大增加，這就解釋了為什么在氣幕寬度一定時(shí)增加射流力到一定程度氣幕的隔離效果便不會(huì)顯著提高，而在射流力相同時(shí)增加氣幕寬度卻可以顯著提高氣幕的隔離效果，雖然兩者都是增加風(fēng)量，但后一種方法由于采用了較低的射流速度，故引起的卷吸作用較小。

圖6 相同氣幕射流力時(shí)寬度與內(nèi)外區(qū)濃度比圖

氣幕的隔離效果可由下式計(jì)算[1]：

式中：Na為主流區(qū)含塵濃度，粒/L；Nb為渦流區(qū)含塵濃度，粒/L；Ns為主流區(qū)與氣幕區(qū)送風(fēng)濃度，粒/L；f為氣幕潔凈棚隔離效果固有特性項(xiàng)。

式中：α為氣幕區(qū)送風(fēng)量與主流區(qū)送風(fēng)量之比；φ1為空氣幕對(duì)主流區(qū)側(cè)引帶系數(shù)；φ2為空氣幕對(duì)渦流區(qū)側(cè)引帶系數(shù)。

當(dāng)渦流區(qū)的含塵濃度較大時(shí)，Ns/Nb會(huì)遠(yuǎn)小于1，由式（6）可以看出決定氣幕內(nèi)外區(qū)含塵濃度比的主要因素是f，而α是一個(gè)恒定的值且對(duì)于氣幕裝置而言其數(shù)量級(jí)基本遠(yuǎn)低于10-1，φ1、φ2數(shù)量級(jí)一般也不會(huì)低于10-1[1]，所以當(dāng)φ1、φ2降低時(shí)便會(huì)大大降低氣幕的內(nèi)外濃度比。在采用低速寬口氣幕時(shí)可以降低φ1、φ2，使得f降低，從而獲得較好的隔離效果。

2.3 氣幕射流的出流角度影響

分析φ1、φ2產(chǎn)生的原因，主要是由于氣幕射流與周?chē)h(huán)境空氣有速度差，導(dǎo)致整個(gè)空間內(nèi)速度場(chǎng)不均勻，而速度場(chǎng)的不均勻性必然會(huì)產(chǎn)生局部渦流，進(jìn)而發(fā)生卷吸引帶的現(xiàn)象。即要想使得φ1、φ2降低必須減少空間內(nèi)速度場(chǎng)的不均勻性。

對(duì)于潔凈手術(shù)室中的氣幕射流，其并非獨(dú)立的大空間淹沒(méi)射流，而是存在于潔凈手術(shù)室的通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的伴隨射流，基于這種情況，除了改變氣幕射流的出口速度，還可以通過(guò)改變氣幕射流的出口角度來(lái)獲得整個(gè)空間內(nèi)不同的氣流組織。

對(duì)于工作區(qū)流場(chǎng)，氣流速度不均勻度越大，說(shuō)明氣流速度分布越不均勻，容易產(chǎn)生局部渦流。根據(jù)文獻(xiàn)[6]要求，在主流區(qū)內(nèi)距地0.8m，共取16個(gè)采樣點(diǎn)均勻布置。

氣流速度的不均勻度按下式定義：

式中：β為不均勻度；ui為工作區(qū)各點(diǎn)速度，m/s；u為工作區(qū)平均速度，m/s；k為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

對(duì)150mm寬，出口速度為1.21m/s的氣幕在方向上不同的夾角進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表2所示，工作區(qū)內(nèi)速度不均勻度與氣幕內(nèi)外區(qū)的顆粒濃度比基本成正相關(guān)，在夾角為5°時(shí)工作區(qū)內(nèi)不均勻度最低，雖然是夾角在10°時(shí)內(nèi)外濃度比最低，但在5°時(shí)內(nèi)區(qū)的顆粒物濃度是最低的，同時(shí)根據(jù)亂流度和單向流自?xún)魰r(shí)間之間的關(guān)系：速度不均勻度≤0.3時(shí)，實(shí)際自?xún)魰r(shí)間為1min。根據(jù)《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》要求β≤0.25。氣幕射流夾角為5°時(shí)的工作區(qū)風(fēng)速不均勻度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表2 不同夾角下速度不均勻度、內(nèi)外區(qū)顆粒物濃度與濃度比比較

2.4 氣幕送風(fēng)裝置的有效性比較

為驗(yàn)證帶氣幕的送風(fēng)裝置的有效性，在相同風(fēng)量，相同散塵量時(shí)將帶氣幕與不帶氣幕的送風(fēng)裝置進(jìn)行比較，二者參數(shù)如表3。

表3 不同送風(fēng)裝置的尺寸與送風(fēng)參數(shù)

經(jīng)過(guò)模擬，帶氣幕的送風(fēng)裝置下，在工作面（距地面高度0.8m）的顆粒物濃度為2.156×10-9kg/m3，不帶氣幕的工作面顆粒物濃度為1.253×10-8kg/m3，同時(shí)由圖7可以看出，不帶氣幕的送風(fēng)裝置下的顆粒物在工作面上的分布要比帶氣幕的多很多，不利于顆粒物的排出，增加了顆粒物入侵主流區(qū)的可能，同時(shí)雖然兩者的潔凈區(qū)域是差不多的（基本在X方向2到4m處），但帶氣幕的送風(fēng)裝置送風(fēng)面積只是不帶氣幕的64.4%。

圖7 不同送風(fēng)裝置工作面顆粒物分布圖（kg/m3）

3 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬的方法分析了氣幕各參數(shù)對(duì)氣幕抗干擾能力與顆粒物隔離能力的影響，可以得到以下結(jié)論：

1）射流力對(duì)于氣幕的抗橫向干擾能力有著重要影響，但并非是隔離能力的決定因素，氣幕的出口流速對(duì)于射流力的影響更為重要。

2）氣幕顆粒物隔離能力的決定因素為氣幕射流的引帶比，采用寬口低速的氣幕由于可以更有效地降低引帶比，故隔離效果比窄口高速氣幕更好。

3）對(duì)于潔凈手術(shù)室流場(chǎng)采用一定角度的射流可以有效降低工作區(qū)流場(chǎng)的不均勻度從而可以降低引帶比增加氣幕的隔離效果。

4）對(duì)于I級(jí)潔凈手術(shù)室，若采用氣幕隔離方式擴(kuò)大主流區(qū)建議的氣幕參數(shù)寬度為150mm，出口流速為1.10～1.24m/s，射流角度為5°。

[1]許鐘麟.潔凈空氣技術(shù)原理(第4版)[M].北京:科學(xué)出版社, 2013

[2]凌繼紅.手術(shù)室空氣凈化效果的研究[D].天津:天津大學(xué),2005

[3]沈晉明,俞衛(wèi)剛.國(guó)外醫(yī)院建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展對(duì)我國(guó)醫(yī)院手術(shù)部建設(shè)的啟發(fā)與思考[J].中國(guó)醫(yī)院建筑與裝備,2013,(2):62-66

[4]中國(guó)衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)醫(yī)療衛(wèi)生建筑專(zhuān)業(yè)委員會(huì).醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范(GB 50333-2002)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2002

[5]Woods J E,Braymen D T.Ventilation requirements in hospital operating rooms-Part I:control of airborne particles[J].ASHRAE, Transactions,1986,92(2A):396-426

[6]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范(GB50591-2010) [S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)版社,2010

Num e ric a l Sim ula tion a nd The ore tic a l Ana lys is of Air Supply De vic e w ith Air Curta in in Ope ra ting Room

LIANG Chen-bo,ZHOU Bin,LIU Jin-xiang
Department of HVAC Engineering,Nanjing Tech University HVAC Engineering,Nanjing,China

Based on a Class I standard operating room,the flow field and the pollutant concentration field in the clean operating room with air curtain was simulated by standard k-ε turbulence model,and the corresponding theoretical analysis for the air curtain was performed.It concludes that the jet force is main factors affecting the anti-jamming ability of air curtain,and gubernaculum coefficient is the main factors affecting air curtain isolation ability.An in-depth discussion of the influence to air curtain’s working parameters including the inlet velocity,the size and the tilt angle was made.Finally,the recommendation of air curtain design parameters for the Class I standard operating room was given.

air curtain,mainstream area,clean operating room,pollution concentration

1003-0344（2015）05-083-5

2014-5-19

梁辰博（1988～），男，碩士研究生；南京市中山北路200號(hào)南京工業(yè)大學(xué)暖通工程系（210009）；E-mail:330910703@qq.com

江蘇省自然科學(xué)基金（No.BK20130946）；南京工業(yè)大學(xué)科研啟動(dòng)基金（No.39114111）；

江蘇省省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（No.BY2012032）