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        解剖臺排風(fēng)罩流場及對污染氣體的控制研究

        2021-11-03 12:14:00魯婧劉澤華
        關(guān)鍵詞:排風(fēng)污染源云圖

        魯婧 劉澤華

        南華大學(xué)土木工程學(xué)院

        0 引言

        醫(yī)學(xué)院解剖實(shí)驗(yàn)室常用甲醛溶液澆灌固定及保存人體標(biāo)本[1-2],在解剖教學(xué)中,人體標(biāo)本會揮發(fā)大量甲醛氣體。甲醛已被世界衛(wèi)生組織確定為可疑致癌物[3]。解剖實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)上多用排風(fēng)機(jī),排風(fēng)扇及傘形罩等降低甲醛氣體濃度[4-5]。還有一些用上送上排、側(cè)送側(cè)排等散流器或中央空調(diào)送排風(fēng)來處理甲醛污染,其效果不佳[6-9]。工業(yè)上用槽邊排風(fēng)罩,將有害氣體用設(shè)置在槽邊上的吸風(fēng)口抽走[10-11],解剖臺運(yùn)用這一理念,在其內(nèi)側(cè)設(shè)置排風(fēng)罩,對解剖臺面上的人體標(biāo)本實(shí)現(xiàn)就近排風(fēng)。

        本文利用 Fluent17.0 軟件對具有排風(fēng)功能的解剖臺進(jìn)行模擬研究,得到解剖臺內(nèi)側(cè)排風(fēng)罩的排風(fēng)氣流特性與污染氣體的濃度變化規(guī)律,并分析可能影響污染氣體濃度變化的兩種因素:排風(fēng)罩的傾斜角度和排風(fēng)速度。

        1 物理模型和數(shù)值方法

        1.1 物理模型

        圖1 為解剖臺的物理模型,解剖臺尺寸為2 m*0.8 m*0.85 m,其內(nèi)部兩側(cè)排風(fēng)罩尺寸均為 1.9 m*0.45 m,其中排風(fēng)罩與內(nèi)側(cè)形成夾角。將尸體標(biāo)本簡化為0.4 m*1.7 m 的污染源源項,置于解剖平臺正中間。解剖臺放置在計算域中央進(jìn)行研究,計算域尺寸為4 m*3 m*2.7 m。

        圖1 物理模型

        1.2 模型假設(shè)條件

        為便于計算,模型進(jìn)行如下假設(shè):

        1)房間內(nèi)為不可壓縮氣流,常物性,氣流流動為穩(wěn)態(tài)流動。

        2)污染源源項穩(wěn)態(tài)散發(fā),甲醛濃度不隨時間的變化而變化。

        3)房間所有壁面均為絕熱。

        1.3 控制方程

        本文采用定常不可壓縮 N-S 方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,開啟 Species Transport 組分方程,運(yùn)用SIMPLE 算法,非耦合隱式求解器對離散方程進(jìn)行了求解。

        1.4 邊界條件

        假設(shè)排風(fēng)罩各處速度均勻,對邊界施以速度入口(velocity inlet),速度大小為 1 m/s,并給定氣流往外流動的速度分量。房間內(nèi)除地面以外的其他五個面,由于其界面上的速度和壓力均未知設(shè)為自由出流(outflow)。源項面甲醛氣體散發(fā)設(shè)為質(zhì)量流量入口(mass flow inlet),且沿z 軸正方向散發(fā),其揮發(fā)速度為v=1e-06 kg/m3,甲醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1e-06。其余面設(shè)為壁面(wall)。

        2 排風(fēng)罩排風(fēng)特性及甲醛氣體濃度數(shù)值的分析

        2.1 排風(fēng)罩排風(fēng)氣流特性

        圖2 為Y=2 m 截面處的流線圖,從圖中可以看出,排風(fēng)氣流主要集中在解剖臺兩側(cè)的排風(fēng)罩上,而解剖臺外部兩側(cè)存在渦流區(qū)。在解剖臺兩側(cè)排風(fēng)罩的吸風(fēng)作用下,四周氣流從解剖臺兩側(cè)的排風(fēng)罩上方流入排風(fēng)罩內(nèi)部,使得新鮮空氣先流經(jīng)人體呼吸區(qū),到達(dá)污染源散發(fā)的半污染區(qū),再由排風(fēng)罩吸入到解剖臺內(nèi)部的污染區(qū)經(jīng)排風(fēng)管道抽出。

        圖2 Y=2 m 截面處流線圖

        圖 3 和圖 4 為排風(fēng)罩排風(fēng)時不同截面的速度矢量圖和速度云圖,從圖3 可以看出,在Z=1.2 m 截面處解剖臺兩側(cè)排風(fēng)罩附近的氣流流動特性,即四周氣流均向中心流動,以解剖臺兩側(cè)排風(fēng)罩為中心向四周的等值線越來越稀疏,速度分布呈對稱趨勢。且解剖臺上方速度大,其四周的速度逐步降低。從圖4 可以看出,越靠近解剖臺排風(fēng)罩處的等值線越密集,在排風(fēng)罩正上方的速度明顯大于其他區(qū)域,排風(fēng)風(fēng)速隨Z 軸高度的增加而減小。

        圖3 Z=1.2 m 截面處速度矢量圖及速度云圖

        圖4 X=1.5 m 截面處速度矢量圖與速度云圖

        2.2 甲醛氣體濃度變化分析

        圖5 為排風(fēng)罩排風(fēng)時不同截面的濃度云圖,從圖5 可知,污染源向上散發(fā)甲醛氣體,在抽風(fēng)作用下解剖臺上方甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小,甲醛濃度與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比,所以甲醛濃度在不斷降低,此時甲醛污染得到了控制。考慮到解剖人員在解剖操作時的站姿和坐姿,人體的呼吸區(qū)距離地面大約在 1.2 m 左右,截取Z=1.2 m 截面處的甲醛濃度云圖圖 5(c),從圖中可以看出,在排風(fēng)作用下,解剖臺正上方甲醛濃度較高,其他地方甲醛濃度較低。因此污染源處就近排風(fēng)能將污染氣體控制在一定范圍內(nèi)。

        圖5 排風(fēng)罩排風(fēng)的濃度云圖

        圖6 為排風(fēng)罩在不同x 截面呼吸區(qū)控制點(diǎn)的甲醛濃度圖,控制點(diǎn)的坐標(biāo)為Z=1.2 m、Y=1~3 m,從圖中可知,X=1.5 m 截面處空氣中的甲醛濃度最高,而X=1.4 m 與X=1.6 m 截面處甲醛濃度大致相同,但是都低于X=1.5 m 截面處的甲醛濃度,所以離解剖臺兩側(cè)排風(fēng)罩越近時(X=1.4m 及X=1.6 m),其呼吸區(qū)甲醛濃度較低。

        圖6 Z=1.2 m 截面處控制點(diǎn)甲醛濃度圖

        圖7 為排風(fēng)罩在不同 Y 截面呼吸區(qū)控制點(diǎn)的甲醛濃度圖,控制點(diǎn)坐標(biāo)為(X=1.5 m,Z=0.8~1.4 m,Y=1.2、1.8、2.4、2.8 m),由圖中可知,隨著控制點(diǎn)高度的增加,不同 Y 截面的甲醛濃度依次降低,并且在對稱位置(Y=1.2 m 與Y=2.8 m、Y=1.8 m 與Y=2.4 m)處的控制點(diǎn)甲醛濃度分布基本相同。兩邊位置上(Y=1.2 m 與Y=2.8 m)控制點(diǎn)的甲醛濃度均低于中間位置(Y=1.8 m與Y=2.4 m),主要是中間位置左右兩側(cè)受污染氣體的影響較大,而兩邊位置僅有一側(cè)受污染氣體的影響較大。因此在局部解剖時,站立在解剖臺帶有排風(fēng)罩一側(cè)的中間位置時,解剖人員所受污染較重。

        圖7 X=1.5 m 截面處控制點(diǎn)甲醛濃度圖

        3 污染源散發(fā)甲醛氣體的濃度大小的影響因素

        假定污染源散發(fā)的甲醛氣體濃度為固定值,且排風(fēng)罩的位置及尺寸固定,通過模擬分析影響污染源散發(fā)甲醛氣體濃度值大小的因素:1)排風(fēng)罩傾斜角度。2)排風(fēng)罩風(fēng)速。

        3.1 排風(fēng)罩傾斜角度的影響

        目前市面上解剖臺排風(fēng)罩角度多為向內(nèi)傾斜 90°或35°,為探究其差異性及對甲醛氣體濃度大小的影響,對這兩種傾斜角度下呼吸區(qū)控制點(diǎn)甲醛濃度進(jìn)行對比分析。

        圖8 分別為X=1.4 m、1.5 m、1.6 m 截面時,排風(fēng)罩向內(nèi)傾斜 35° 和排風(fēng)罩向內(nèi)傾斜 90° 下呼吸區(qū)不同控制點(diǎn)的甲醛濃度圖,控制點(diǎn)坐標(biāo)為Y=1~3 m、Z=1.2 m,如圖 8 所示,兩種傾斜角度排風(fēng)罩下控制點(diǎn)的甲醛濃度均具有一定的波動性,并且總體上呈對稱趨勢,中間濃度高、兩邊濃度低。在同一高度不同X 截面處,隨 Y 軸坐標(biāo)的增加,兩種排風(fēng)罩下的甲醛濃度值均是先增加、趨于平穩(wěn)后再減小,且 35° 排風(fēng)罩處的甲醛濃度總是大于 90° 排風(fēng)罩處的甲醛濃度,在Y=1.4~2.6 m 處,兩者差別較明顯。綜上所述,90° 排風(fēng)罩對甲醛污染的控制效果稍優(yōu)于35°排風(fēng)罩。

        圖8 排風(fēng)罩呼吸區(qū)控制點(diǎn)甲醛濃度圖

        3.2 排風(fēng)罩風(fēng)速大小的影響

        圖9 為不同排風(fēng)量下即排風(fēng)罩風(fēng)速分別為V=0.5、1、2 m/s 下,呼吸區(qū)不同控制點(diǎn)的甲醛濃度圖,控制點(diǎn)坐標(biāo)為X=1.5 m、Y=1~3 m、Z=1.2 m,從圖 9 可以看出,隨著風(fēng)速的增加,呼吸區(qū)甲醛濃度逐漸降低,且在V=2 m/s 時甲醛濃度下降最明顯。

        圖9 排風(fēng)罩呼吸區(qū)控制點(diǎn)甲醛濃度圖

        4 結(jié)論

        本文運(yùn)用CFD 數(shù)值模擬方法,分析了解剖臺內(nèi)部雙側(cè)排風(fēng)罩的排風(fēng)性能和甲醛氣體的控制效果,以及影響甲醛氣體濃度場的兩個因素:排風(fēng)罩傾斜角度和排風(fēng)罩風(fēng)速,得到結(jié)論如下:

        1)解剖臺兩側(cè)排風(fēng)罩將氣流從四周吸入排風(fēng)罩內(nèi),通過其內(nèi)部的抽風(fēng)管道排出室外,這樣使得新鮮空氣先流經(jīng)人體呼吸區(qū),有益于人體健康。

        2)僅有排風(fēng)罩的排風(fēng)作用下,在一定程度上能夠降低甲醛氣體濃度,而且離解剖臺兩側(cè)排風(fēng)罩越近時,其呼吸區(qū)甲醛濃度較低。解剖臺帶有排風(fēng)罩一側(cè)的中間位置相較于兩邊位置,解剖人員所受污染相對較重。

        3)解剖臺內(nèi)部排風(fēng)罩向內(nèi)傾斜角度為90° 時相較于35°,在排風(fēng)作用下其呼吸區(qū)甲醛濃度值稍低一點(diǎn)。除此之外,隨著排風(fēng)罩風(fēng)速的增加,甲醛氣體濃度呈逐漸下降的趨勢。

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