段德光，李 昊，蘇 琛*，王懿男，孟令帥

（1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100071）

0 引言

運(yùn)血車是一種在冷藏條件下由一個(gè)中心血站向另一個(gè)中心血站或用血單位集中輸送冷藏血液的運(yùn)載工具[1]。在反恐應(yīng)急、疾病防控、突發(fā)自然災(zāi)害救援、訓(xùn)練演習(xí)等重大活動(dòng)中，運(yùn)血車發(fā)揮了至關(guān)重要的保障作用。在運(yùn)輸血液的過程中，血庫內(nèi)溫度是影響血液運(yùn)輸后輸注質(zhì)量的重要因素[2]。當(dāng)運(yùn)血車貯運(yùn)全血或懸浮紅細(xì)胞時(shí)，要求血庫溫度必須控制在（4±2）℃，如果高于或低于此溫度范圍，會(huì)使血液產(chǎn)生色澤異常、溶血、凝塊、重度乳糜等情況[3-4]，不滿足GB 18469—2012《全血及成分血質(zhì)量要求》的相關(guān)規(guī)定[5]，造成血液的浪費(fèi)。

運(yùn)血車血庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、蒸發(fā)器布局、血筐位置等共同形成了血庫內(nèi)的氣流組織形式，直接決定了血庫內(nèi)的溫度分布情況[6-7]。因此，運(yùn)血車血庫內(nèi)部的氣流組織與溫度分布是保證運(yùn)輸過程中血液質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。本文以研制的某型運(yùn)血車[8]為例，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)方法對(duì)運(yùn)血車血庫內(nèi)的氣流組織與溫度分布進(jìn)行仿真模擬和數(shù)值計(jì)算，為改善與優(yōu)化血庫內(nèi)部蒸發(fā)器及血筐的布局、保障血液運(yùn)輸過程中的質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 血庫結(jié)構(gòu)及布局

運(yùn)血車車廂為冷藏、保溫廂式車結(jié)構(gòu)，采用大板粘接成型工藝，在蒙皮和內(nèi)部骨架間采用隔熱措施，防止產(chǎn)生“冷熱橋”。車廂中部設(shè)有隔板，分為前后兩部分，分別作為前血庫和后血庫。前血庫內(nèi)部尺寸為1 100 mm×2 034 mm×1 100 mm，有效容積 2.4 m3；后血庫內(nèi)部尺寸為987 mm×2 034 mm×1 455 mm，有效容積2.8 m3。前、后血庫均設(shè)有12個(gè)血筐，血筐尺寸為660 mm×300 mm×200 mm。制冷機(jī)2個(gè)室內(nèi)機(jī)組（蒸發(fā)器）分別放置在前、后血庫內(nèi)頂部。前后血庫內(nèi)部布局如圖1所示。

圖1 運(yùn)血車血庫結(jié)構(gòu)及布局

2 血庫氣流組織模型建立及數(shù)值分析

為建立血庫內(nèi)空氣流動(dòng)與傳熱學(xué)模型，對(duì)血庫進(jìn)行如下假設(shè)：血庫內(nèi)空氣不可壓縮，空氣密度變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響；流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流；氣體為低速不可壓縮流動(dòng)，忽略流體黏性力做功引起的耗散熱；認(rèn)為血庫氣密性良好，不考慮漏風(fēng)影響。因此，血庫內(nèi)空氣流動(dòng)的控制方程可簡(jiǎn)化為下列形式[9-11]：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

其中，ρ為流體密度，t為時(shí)間，ui為組分i的空氣流速，uj為組分j的空氣流速，p為壓力，μ為動(dòng)力黏性，fi為體積力，H為焓，K為導(dǎo)熱系數(shù)，cp為比熱容，SH為源項(xiàng)。

血庫內(nèi)的空氣流動(dòng)可以簡(jiǎn)化為湍流運(yùn)動(dòng)，因此，應(yīng)用k-ε紊流方程模型[12]對(duì)血庫內(nèi)的空氣流場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值仿真計(jì)算與分析。設(shè)定環(huán)境溫度為46℃，蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度為4℃，車廂壁板的傳熱系數(shù)為0.4 W/（m2·K）。在近壁區(qū)域考慮分子黏性的影響，計(jì)算空氣與固體表面間的傳熱，應(yīng)用壁面函數(shù)進(jìn)行處理[13]。送風(fēng)口處采用速度入口，已知所選制冷機(jī)組的蒸發(fā)器總送風(fēng)量為760 m3/h，出風(fēng)口風(fēng)速為3.3 m/s。

分析數(shù)值模擬的結(jié)果時(shí)，在每個(gè)方向上分別選擇血庫內(nèi)血筐的最外側(cè)兩端邊截面和血庫中截面進(jìn)行分析。

3 血庫氣流組織和溫度分布的數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

3.1 血庫內(nèi)氣流組織數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

前后血庫內(nèi)氣流組織形式的數(shù)值模擬結(jié)果如圖2、3所示。由圖2、3可以看出，由于將前后血庫制冷機(jī)組的蒸發(fā)器分別橫向放置在前后血庫內(nèi)頂部，血庫內(nèi)頂部的氣流速度略高，為1.3~1.8 m/s；血庫內(nèi)底部的氣流速度最低，為0.6~1.0 m/s。受血筐的布置影響，前后血庫內(nèi)的左右兩側(cè)的氣流組織形式具有對(duì)稱性，且血筐中間區(qū)域形成的漩渦能有效地帶動(dòng)其周圍空氣流動(dòng)。前后血庫內(nèi)氣流速度整體分布較為均勻。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在血庫內(nèi)蒸發(fā)器的斜對(duì)稱位置，由于離蒸發(fā)器距離最遠(yuǎn)，且血庫內(nèi)壁與血庫地板的夾角為直角，氣流組織受到影響，速度已降低至0.3 m/s左右。如果在血庫內(nèi)增加氣流攪拌風(fēng)扇或?qū)⒀獛靸?nèi)壁與血庫地板的夾角改進(jìn)為圓弧形過渡角，會(huì)進(jìn)一步提高血庫內(nèi)的氣體流動(dòng)。

3.2 血庫內(nèi)溫度分布數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

前后血庫內(nèi)溫度均衡性仿真結(jié)果如圖4、5所示。由圖4、5可以看出，外界環(huán)境溫度設(shè)定為46℃且蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度為4℃時(shí)，當(dāng)血庫內(nèi)溫度達(dá)到平衡狀態(tài)后，前后血庫內(nèi)除了特別靠近內(nèi)壁區(qū)域的溫度略高外，血筐所處區(qū)域的溫度分布均勻，在X、Y、Z3個(gè)方向上無明顯的溫度梯度，溫度偏差小于1℃，滿足全血或懸浮紅細(xì)胞存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 前血庫氣流組織仿真結(jié)果

4 結(jié)論

依據(jù)運(yùn)血車血庫結(jié)構(gòu)及布局的設(shè)計(jì)方案，建立血庫三維空氣流動(dòng)與傳熱計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)血庫內(nèi)氣流組織形式與溫度分布均衡性進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析可知：該運(yùn)血車采用前后2個(gè)血庫設(shè)計(jì)布局，將制冷機(jī)2個(gè)室內(nèi)機(jī)組（蒸發(fā)器）分別橫向放置在前、后血庫內(nèi)頂部，使蒸發(fā)器送風(fēng)口射出的高速氣流到達(dá)血庫壁板后折向血庫下部，經(jīng)血筐底部后回到回風(fēng)口。血庫內(nèi)氣流速度分布較為均勻，平均在1 m/s左右，兩血筐中間區(qū)域形成的漩渦能有效地帶動(dòng)血筐周圍空氣流動(dòng)。從溫度分布結(jié)果可以看出，血庫溫度分布均勻，血筐所在區(qū)域溫度偏差小于1℃，滿足全血或懸浮紅細(xì)胞存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，該運(yùn)血車血庫內(nèi)部蒸發(fā)器及血筐的布局合理，能有效保證運(yùn)輸過程中全血或懸浮紅細(xì)胞的質(zhì)量。

圖3 后血庫氣流組織仿真結(jié)果

圖4 前血庫溫度均衡性仿真結(jié)果

圖5 后血庫溫度均衡性仿真結(jié)果