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        利用CFD研究平疫轉(zhuǎn)換病房污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬

        2021-10-22 14:22:56武子煜于亞飛關(guān)承穎安瀟龍張棟梁
        安徽建筑 2021年10期

        武子煜,于亞飛,關(guān)承穎,安瀟龍,張棟梁

        (合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利學(xué)院,安徽 合肥 230009)

        1 引言

        2019年初,面對突如其來的新冠疫情,許多地區(qū)出現(xiàn)了緊迫的醫(yī)療病床短缺的情況。因此,賦予普通建筑平疫轉(zhuǎn)換的能力,即利用學(xué)校、賓館等公共建筑,在突發(fā)重大衛(wèi)生事件下經(jīng)過最小限度的改造作為傳染病隔離病房,可以從根本上解決病床數(shù)量不足的問題。

        常備不虞,為國常道。正是基于平疫結(jié)合的理念,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《新型冠狀病毒肺炎應(yīng)急救治設(shè)施設(shè)計導(dǎo)則(試行)》(以下簡稱《導(dǎo)則》),對集中收治新型冠狀病毒患者的醫(yī)療機(jī)構(gòu)或臨時建筑的改建、擴(kuò)建和新建工程項目提出規(guī)范和要求,并給出了負(fù)壓病房改造參考方案。孫麗等對負(fù)壓病房的通風(fēng)設(shè)計進(jìn)行了探討,得出較科學(xué)的新風(fēng)量;陸瓊文分析了獨立新風(fēng)變量在負(fù)壓隔離病房平疫轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用;張一鳴等人設(shè)計了負(fù)壓隔離病房中的空調(diào)通風(fēng)控制系統(tǒng)。負(fù)壓病房改造存在諸多限制,要盡量利用房間內(nèi)的床位和通風(fēng)設(shè)施,并保證原有建筑墻體完整性,須對原有的氣流組織方式進(jìn)行重新設(shè)計。

        本文參照了《導(dǎo)則》中的負(fù)壓病房改造方案,對賓館標(biāo)間進(jìn)行改造,利用CFD數(shù)值模擬方法,對四種不同工況下的污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究,試通過分析室內(nèi)污染物流線、污染物分布、出口污染物濃度變化曲線等指標(biāo),為平疫結(jié)合病房設(shè)計提出可行性方案。

        2 計算模型建立

        2.1 建筑模型

        房間模型參照賓館標(biāo)間,尺寸為4m×9m×2.9m,設(shè)有兩張床位,衛(wèi)生間門尺寸0.9m×2.5m。房間內(nèi)新風(fēng)進(jìn)口尺寸1m×0.16m。人體模型身高1.7m,頭部尺寸0.2m×0.2m。此外,為了簡化模型,假設(shè)門縫、窗縫等可能泄露氣體部位完全封閉。

        2.2 邊界條件設(shè)置

        由于房間在正常使用時采用通過窗戶縫隙自然排風(fēng),無法滿足隔離病房的排風(fēng)量和過濾要求,因此在原有窗戶縫隙封閉的情況下,有必要設(shè)置新的排風(fēng)口,新設(shè)排風(fēng)口尺寸為0.2m×0.2m。參照火神山醫(yī)院的通風(fēng)數(shù)據(jù),房間設(shè)計總排風(fēng)量700m3/h,總送風(fēng)量500m3/h,衛(wèi)生間與房間相對壓差5pa,病人口部氣體噴出速度為隨時間變化函數(shù)f()t:每間隔18s咳嗽一次,咳嗽噴出氣體速度為10m/s,咳嗽時間持續(xù)1s,其余時間保持0.3m/s呼出速度。病人口部作為含病毒空氣釋放源,相對污染物濃度設(shè)置為1,進(jìn)風(fēng)口和房間初始污染物相對濃度均為0。各邊界條件具體設(shè)置如表1所示。

        進(jìn)口和出口邊界條件 表1

        2.3 工況設(shè)置

        依據(jù)《導(dǎo)則》中氣流組織設(shè)計規(guī)范,考慮到“上送下回”、“排風(fēng)口靠近病人頭部”等原則,設(shè)置了四種不同的送排風(fēng)工況,分別為A病人頭部朝墻,排風(fēng)口位于外墻;B病人頭部朝墻,排風(fēng)口位于兩病人之間;C病人頭部朝過道,排風(fēng)口位于外墻;D打開衛(wèi)生間門,其余條件與C相同。具體布置見圖1所示。在利用Rhino軟件分別建立四個房間模型之后,導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和CFD計算。

        圖1 模型平面布置圖

        2.4 計算條件設(shè)置

        假設(shè)房間內(nèi)氣流組織形式為不可壓縮氣體的湍流模型,忽略分子粘性影響,因而選擇計算迅速、精度較高的k-ε模型,開啟組分運(yùn)輸,并考慮重力作用。為了兼顧計算的準(zhǔn)確性和高效性,采用四邊形網(wǎng)格,房間內(nèi)主體網(wǎng)格尺寸為0.1m,并在送排風(fēng)口和衛(wèi)生間門處進(jìn)行網(wǎng)格加密,加密尺寸分別為0.02m和0.05m,最終網(wǎng)格數(shù)量約為80萬。采用瞬態(tài)計算,時間步長設(shè)置為0.05s,每步長內(nèi)最大迭代次數(shù)20次,計算總時長180s。

        3 結(jié)果分析

        3.1 氣流流動軌跡

        利用CFD-Post后處理軟件,得出如圖2四種工況下從病人口部呼出氣體的氣流流動軌跡。工況A中,污染物氣體首先垂直向上噴出,在送風(fēng)口氣流推動下于靠內(nèi)病人頭部上方形成渦流,而后隨著送風(fēng)口氣體吹送至排風(fēng)口處,整體屬于混合流動。工況B中,在排風(fēng)口抽吸作用下,污染物氣體從口部呼出后,均向排風(fēng)口移動,送風(fēng)口氣流在到達(dá)外墻之后,再循環(huán)至排風(fēng)口處。工況C中,由于病人頭部靠近送風(fēng)口,污染物氣體排出后與新風(fēng)氣體混合后,到達(dá)外墻處的排風(fēng)口,送風(fēng)口氣流在外墻頂部反射后,在房間內(nèi)形成環(huán)繞氣流。工況D中,氣流流動軌跡與工況C大致相同,由于房間內(nèi)為負(fù)壓,外部氣流從衛(wèi)生間門流入,加劇了污染物氣體的渦流。

        圖2 四種工況污染物氣流流動軌跡

        通過分析可得,工況B對污染物氣體排放處理結(jié)果較好,能以最近距離排出,無法擴(kuò)散至醫(yī)生工作區(qū)域。工況C對新風(fēng)氣體循環(huán)處理結(jié)果較好,新鮮氣流在房間內(nèi)混合較充分,不會產(chǎn)生氣體滯留區(qū)。

        3.2 污染物濃度分布

        通過分析四種工況下排風(fēng)口的污染物氣體濃度變化曲線,可以看出污染物濃度曲線均隨病人每隔18s的咳嗽而發(fā)生突增,隨后污染物被迅速排出而下降,并在90s左右,即室內(nèi)空氣充分循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定波動的狀態(tài)。其中工況B排出污染物效率最高,而工況A效率最低,工況C和D大致相同,D工況在從衛(wèi)生間流入的氣流影響下,氣體在室內(nèi)形成更大的渦流,因此波動幅度較工況C大,另外有微量氣體從衛(wèi)生間門處排出。

        為了更好地分析房間內(nèi)污染物對醫(yī)生的影響,計劃在醫(yī)生面部高度位置(1.7m)處設(shè)置5個監(jiān)測點用于檢測污染物濃度。其中監(jiān)測點2、4、5位于醫(yī)生經(jīng)常走動的工作區(qū),監(jiān)測點1、3位于病人活動區(qū)。可以發(fā)現(xiàn)工況B較其他工況污染物濃度更低,只有在兩病人床位之間處濃度較高,醫(yī)生在工作時應(yīng)避免此區(qū)域。另外在工況C和D中,衛(wèi)生間門流入氣體對污染物濃度的稀釋作用很微弱,并且衛(wèi)生間門長時間開啟會影響房間內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài),應(yīng)該盡量避免此類工況。

        各監(jiān)測點相對污染物濃度對比 表2

        4 結(jié)語

        本文通過對比分析,對四種工況下的污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究。綜合比較,當(dāng)病人頭部靠墻時,將排風(fēng)口設(shè)置在兩病人床位之間的工況B排出污染物效果最好,在醫(yī)生站立高度污染物濃度均較低。送風(fēng)口新鮮氣體先流過走廊,再經(jīng)過病人面部被排出,有效地防止了污染物氣體向醫(yī)生工作區(qū)的擴(kuò)散。此外,開啟衛(wèi)生間門無法有效降低房間內(nèi)污染物濃度,反而會加劇污染物氣體在房間內(nèi)的渦流,應(yīng)保持衛(wèi)生間門的關(guān)閉。

        圖3 排風(fēng)口濃度隨時間變化曲線

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