摘 要：通過采用數(shù)值模擬的方式，對(duì)半面罩式動(dòng)力送風(fēng)呼吸防護(hù)裝置的呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)展開研究，采用控制變量方法，研究了進(jìn)氣口數(shù)量和進(jìn)氣口角度對(duì)呼吸腔內(nèi)CO2濃度、氣流速度、壓力、CO2吸入量產(chǎn)生的影響。并對(duì)呼吸腔內(nèi)部CO2濃度場(chǎng)和氣流速度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)合不同進(jìn)氣口數(shù)量及角度下的面罩內(nèi)CO2濃度分布云圖和氣流速度曲線，結(jié)果表明：在雙進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)下、進(jìn)氣口方向朝向面罩前端，角度在20°～25°范圍內(nèi)，既能滿足安全要求，又有利于呼吸腔內(nèi)氣體交換，人體佩戴舒適度良好，為半面罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：半面罩；內(nèi)流場(chǎng)；進(jìn)氣口數(shù)量；進(jìn)氣角度

DOI：10.15938/j.jhust.2024.04.008

中圖分類號(hào)： TH771

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2024）04-0069-11

Analysis of the Influence of Air Inlet Parameters on Positive Pressure

Respiratory Protection Device with Half-face Mask

ZHAO Xintong， TANG Yichang， SHEN Wenli， GUAN Jianhui

（School of Mechanical Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：This article focuses on the study of the flow field inside the breathing chamber of a half-face power supply respiratory protection device. The research method is numerical simulation， and the control variables are used to study the effects of the number and angle of air intakes on the CO2 concentration， airflow velocity， pressure， and CO2 inhalation in the breathing chamber. The simulation analysis of the CO2 concentration field and airflow velocity field in the breathing chamber was carried out， and combined with the CO2 concentration distribution nephogram and airflow velocity curve in the mask under different inlet numbers and angles. It was concluded that under the dual inlet structure， the air inlet was facing the front end of the mask， and the angle within 20°-25° could not only meet the safety requirements， but also be conducive to the gas exchange in the breathing chamber. The human body was comfortable to wear providing relevant theoretical basis for optimizing the structure of the half-face mask.

Keywords：half-face mask; internal flow field; number of air intakes; inlet angle

0 引 言

動(dòng)力送風(fēng)正壓呼吸防護(hù)裝置相對(duì)于自吸式呼吸防護(hù)裝置而言，不需要適合性檢驗(yàn)，可以提高佩戴者的安全系數(shù)，避免面部壓瘡、過濾效果下降等問題^［1-2］?，F(xiàn)有的動(dòng)力送風(fēng)正壓防護(hù)面罩覆蓋整個(gè)面部，對(duì)視野、聽力等會(huì)有不同程度的影響^［3-5］。半面罩式正壓防護(hù)裝置在保證呼吸安全的條件下，相比于全面罩而言眼睛不被遮擋可以更好地觀察事物，雙方交流時(shí)面部表情等可以更好的傳遞給對(duì)方，耳朵不被遮擋使得聽力更清楚、頭部運(yùn)動(dòng)更加方便，不僅可以運(yùn)用在醫(yī)療工作者身上，也可以在個(gè)人日常生活呼吸防護(hù)方面發(fā)揮作用。

現(xiàn)有呼吸防護(hù)裝置內(nèi)流場(chǎng)的研究主要集中在面罩內(nèi)氣流速度、壓力等方面，通過對(duì)流場(chǎng)特性的研究，相應(yīng)的調(diào)整進(jìn)氣角度、速度、面罩結(jié)構(gòu)等，進(jìn)而提高防護(hù)裝置的安全性和舒適性。張靜^［6］對(duì)呼吸防護(hù)半面罩裝置的氣流幾何模型進(jìn)行流體力學(xué)分析，得到呼吸阻力、空腔氣壓分布等呼吸氣流參數(shù)，對(duì)呼吸面罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。張廣源^［7］針對(duì)送藥速度和送藥溫度對(duì)半面罩式霧化面罩的呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)展開研究，結(jié)果表示送藥速度對(duì)內(nèi)流場(chǎng)影響較大，而送藥溫度對(duì)藥物利用率影響較小，并通過控制送藥速度提高了藥物利用率。Zhang^［8，9］等通過調(diào)節(jié)改進(jìn)的過濾式面罩（FFR）送風(fēng)角度，發(fā)現(xiàn)能降低面罩死區(qū)空間的CO2濃度和提高溫度舒適度。Birgersson等^［10］在FFR上安裝主動(dòng)排氣系統(tǒng)（AVS），并對(duì)比有無AVS的FFR的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示帶有AVS的FFR能顯著降低人體吸入的CO2量。黃威^［11］對(duì)防毒面具內(nèi)氣流分布進(jìn)行探究，結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的改變對(duì)面罩內(nèi)氣流產(chǎn)生影響，氣體流速跟隨吸氣強(qiáng)度發(fā)生變化，通過仿真云圖對(duì)呼吸腔氣流分布和流動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)面罩結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。Hussain等^［12］設(shè)計(jì)了一種帶有過濾裝置的新型半面罩，通過對(duì)呼吸腔氣流仿真分析發(fā)現(xiàn)，過濾器呈方形結(jié)構(gòu)時(shí)，濾料內(nèi)風(fēng)速呈方波出現(xiàn)，濾壁周邊氣流流速增大，迫使病毒顆粒撞擊過濾器壁，有效防止病毒進(jìn)入。Shakked等^［13］對(duì)霧化面罩內(nèi)氣流和氣霧劑分布進(jìn)行仿真分析，并對(duì)氣流軌跡的控制方程進(jìn)行求解，結(jié)果顯示氣流速度、顆粒運(yùn)動(dòng)取決于嬰兒呼吸、生理狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)的再優(yōu)化、提升霧化給藥效果提供參考。

現(xiàn)有研究的呼吸防護(hù)半面罩按密合方式主要密閉式，需要較大拉力使面罩密封圍裙與臉部緊密貼合形成密封，對(duì)臉部舒適性有很大影響。而對(duì)于開放式半面罩正壓呼吸防護(hù)裝置則是研究較少，本文所述開放式半面罩是指密封圍裙與臉部之間是寬松間隙配合，通過外部松緊帶和內(nèi)部的固定支撐結(jié)構(gòu)使面罩與頭部固定，通過通入大流量氣體使面罩內(nèi)部產(chǎn)生正壓形成密封。本文通過模擬不同進(jìn)氣口數(shù)量和不同進(jìn)氣口角度對(duì)呼吸腔內(nèi)CO2濃度場(chǎng)、氣流速度、壓力數(shù)值的情況變化，分析不同影響因素對(duì)呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)環(huán)境的影響，得出合理的進(jìn)氣口數(shù)量和進(jìn)氣口角度范圍，為開放型半面罩正壓呼吸防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

1 呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)建模及相關(guān)參數(shù)研究

呼吸腔內(nèi)保持正壓是正壓防護(hù)裝置必須滿足的基本條件^［14-15］。對(duì)正壓呼吸防護(hù)裝置的組成和工作原理進(jìn)行敘述，對(duì)呼吸腔內(nèi)流體特性進(jìn)行研究分析，建立呼吸氣流速度和呼吸腔流場(chǎng)模型。為正壓防護(hù)面罩模型的設(shè)計(jì)建立理論基礎(chǔ)。

1.1 動(dòng)力送風(fēng)正壓呼吸面罩工作原理

通過送風(fēng)裝置內(nèi)的離心風(fēng)機(jī)，將外界的氣體吸入，并經(jīng)過送風(fēng)裝置內(nèi)嵌的濾芯過濾后經(jīng)過氣流管路進(jìn)入呼吸腔內(nèi)，為佩戴者提供過濾好的干凈氣體^［16-17］。同時(shí)人體呼出的部分廢氣會(huì)隨著多余的氣體由泄漏口排出，如圖1所示。由于面罩內(nèi)的壓力始終大于外界氣壓，人體不會(huì)呼吸到周圍環(huán)境中的有害氣體，使佩戴者的呼吸安全得到了保證。

動(dòng)力送風(fēng)半面罩式呼吸防護(hù)裝置主要由動(dòng)力送風(fēng)裝置、固定裝置、氣流管路及防護(hù)面罩等組成，圖2為動(dòng)力送風(fēng)半面罩式呼吸防護(hù)裝置的構(gòu)成圖，當(dāng)人體佩戴此裝置后，呼吸面罩與臉部形成一個(gè)半密封的呼吸空間，稱之為呼吸腔，簡(jiǎn)化呼吸腔流體域如圖3所示。

1.2 呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)流體特性

人體佩戴半面罩后，面罩與臉部之間構(gòu)成呼吸腔，其中氣體的流動(dòng)狀態(tài)，壓力以及CO2濃度等物理參數(shù)，對(duì)人體的生理活動(dòng)影響顯著。

1）氣體壓縮性

氣體流動(dòng)分為壓縮和不可壓縮流動(dòng)，工程上把氣流低于0.3馬赫數(shù)，即氣流速度低于100m/s，可以把氣流近似處理為不可壓縮流。在正壓式呼吸防護(hù)設(shè)備中，進(jìn)氣口的氣流速度不超過100m/s，因此馬赫數(shù)遠(yuǎn)低于0.3，流體可認(rèn)為是不可壓縮流體。

Ma=vc（1）

式中：c為當(dāng)?shù)芈曀?，m/s。

2）呼吸腔流體流動(dòng)狀態(tài)

一般采用雷諾數(shù)來判斷氣體流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算為

Re=ρvdη（2）

式中：ρ為空氣在293.15K時(shí)的密度，1.195kg·m^-3；v為進(jìn)氣口的氣流速度，m/s；d為進(jìn)氣口直徑，m；η為空氣的黏度系數(shù)，1.81×10^-5pa·s。

本呼吸面罩最低進(jìn)氣流速取中等勞動(dòng)強(qiáng)度下PIFR^［18］為120L/min，進(jìn)氣口直徑d取25mm，風(fēng)速v計(jì)算為4.074m/s，計(jì)算得出面罩進(jìn)風(fēng)口圓管內(nèi)雷諾數(shù)為6724.35，對(duì)于圓管流動(dòng)，Re＞4000，管流為湍流，可知呼吸腔進(jìn)氣氣流為湍流，又因?yàn)槿四槻刻卣鲝?fù)雜，致使呼吸腔流體域形狀不規(guī)則，內(nèi)部氣流流動(dòng)混亂，可認(rèn)為呼吸腔內(nèi)氣體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流流動(dòng)。

1.3 人體呼吸數(shù)學(xué)模型建立

人體佩戴正壓送風(fēng)呼吸防護(hù)面罩時(shí)，呼吸腔內(nèi)壓力、CO2濃度等會(huì)受人體呼吸的影響，因此后續(xù)對(duì)呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行探究時(shí)，需要考慮人體呼吸作用，而在不同的工作場(chǎng)合下人體勞動(dòng)強(qiáng)度有所差異，導(dǎo)致人體呼吸頻率及強(qiáng)度等產(chǎn)生變化，本文所研究的防護(hù)裝置適用于中、輕等勞動(dòng)強(qiáng)度條件，故按照中等勞動(dòng)強(qiáng)度下人體生理指標(biāo)建立呼吸模型。

呼吸實(shí)驗(yàn)研究中，人體呼吸速度曲線一般采用正弦曲線來表達(dá)^［19］。對(duì)人體呼吸的瞬時(shí)流量進(jìn)行簡(jiǎn)化，令其為關(guān)于時(shí)間的正弦曲線^［20］，表示為

Qt=Nsin（ωt）（3）

ω=2πT=πBF360（4）

式中：Qt為人體呼吸的瞬時(shí)流量，L/s；N為人體呼吸在一個(gè)呼吸周期內(nèi)的最大流量，L/s；T為呼吸周期，s；ω為周期系數(shù)。同時(shí)將人體呼吸強(qiáng)度描述為

Mv=TVBF（5）

聯(lián)立計(jì)算后可得到：

Tv=MVBF=∫^30BF0Nsin（ωt）dt=N60BFπ（6）

人體呼吸瞬時(shí)流量表達(dá)式經(jīng)過整理后如下所示：

Qt=π60Mvsin（π30BFt）（7）

式中：Tv為潮氣量，L；BF為呼吸頻率，min^-1；MV為分鐘通氣量，L/min。

參考GB 30864-2014的測(cè)試要求，依據(jù)中等勞動(dòng)強(qiáng)度下人體生理指標(biāo)，人體平均吸氣量1.5L，呼吸周期3s，BF取值為20，在人體呼吸實(shí)驗(yàn)過程中，為了便于計(jì)算，將人體鼻孔簡(jiǎn)化為直徑25mm的圓孔。

得到呼吸氣體速度的表達(dá)式：

Vt=Qtπd2n（8）

式中：dn為呼吸孔的等效直徑，mm。

將相關(guān)參數(shù)帶入式（8）得到呼吸速度函數(shù)為

Vt=3.43sin（2π/3t）（9）

得到中等勞動(dòng)強(qiáng)度下人體呼吸速度曲線，如圖4所示。呼吸速度函數(shù)可作為鼻孔速度入口的邊界條件。

1.4 呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

由于后續(xù)需要計(jì)算呼吸腔內(nèi)CO2氣體的濃度及組分分布狀況，需開啟組分輸運(yùn)方程并求解，組分質(zhì)量守恒方程可表述為，時(shí)間變化率與對(duì)流項(xiàng)相加等于擴(kuò)散項(xiàng)與反應(yīng)項(xiàng)的和。

Si=（ρci）t+（ρciux）x+（ρciuy）y+（ρciuz）z－

xDi（ρci）x－yDi（ρci）y－zDi（ρci）z（10）

簡(jiǎn)化為：

（ρci）t+div（ρuci）=div［Digrad（ρci）］+Si（11）

式中：ci為該組分體積濃度；ρci為該組分質(zhì)量濃度；Di為該組分?jǐn)U散系數(shù)；Si為生產(chǎn)率。

2 呼吸腔流體數(shù)值模擬分析

通過前面的建模分析后，本章節(jié)在創(chuàng)建呼吸腔仿真模型的條件下采用數(shù)值模擬的方法對(duì)開放型半面罩與面部構(gòu)成的呼吸腔內(nèi)部的氣流速度場(chǎng)、CO2濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、單周期CO2吸入量進(jìn)行數(shù)值模擬分析，取得合理進(jìn)氣口角度范圍和進(jìn)氣管數(shù)量。

2.1 流體域三維模型建立

裝置佩戴示意圖如圖5所示。人頭模像采用ISO 16976-2規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)人頭模像，采用布爾運(yùn)算求解出具象模型流體域，如圖6所示。利用具象模型對(duì)呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行研究。

為了便于計(jì)算，面部與密封圍裙接觸的泄露口簡(jiǎn)化近似為U型，密封間隙為0.8mm，鼻孔直徑D為25mm，上部泄露口和模型其他尺寸如圖7所示。圖8為面罩進(jìn)出氣示意圖。

由于進(jìn)氣口角度、數(shù)量、進(jìn)氣速度、泄露口大小都會(huì)對(duì)面罩呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，本文的研究?jī)?nèi)容主要是探究進(jìn)氣口數(shù)量和進(jìn)氣口角度對(duì)呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)的影響。首先選擇進(jìn)氣口數(shù)量作為單一變量進(jìn)行研究，對(duì)于進(jìn)氣管角度、進(jìn)風(fēng)速度、泄露口大小、面罩尺寸保持不變。

以進(jìn)氣口單口直徑d1為基準(zhǔn)，進(jìn)行等面積拆分為兩孔和三孔，得到直徑d2的雙進(jìn)氣口和直徑d3的三進(jìn)氣口，同時(shí)對(duì)進(jìn)氣口位置進(jìn)行等距離布置，進(jìn)氣口與底面夾角α設(shè)為45°。不同數(shù)量的進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。具體計(jì)算如下：

A=BCi（i=1，2，3）（12）

A=πd2i4（13）

整理可得：

di=4BπCi（14）

式中：B為單口直徑25mm時(shí)的進(jìn)氣管口面積；Ci為進(jìn)氣孔數(shù)量。

2.2 流體域網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

2.2.1 網(wǎng)格劃分與仿真條件設(shè)置

呼吸腔流體域由圖可知以曲面為主，所以流體域網(wǎng)格劃分方式采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。并對(duì)泄露口相關(guān)邊界進(jìn)行局部加密，如圖10所示。

人臉復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)多，要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，保證精度的同時(shí)選取最少的網(wǎng)格數(shù)，減少仿真時(shí)間，如表1所示。網(wǎng)格數(shù)為2403366時(shí)，呼吸腔CO2濃度達(dá)到穩(wěn)定，其網(wǎng)格質(zhì)量在0.25以上，質(zhì)量良好。

本文使用Fluent軟件通過流體力學(xué)的計(jì)算方法，對(duì)面罩內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析，數(shù)值模擬之前先做如下條件設(shè)定：

1）進(jìn)氣口處的氣體一直輸入，流量大小不變。

2）環(huán)境氣壓為大氣壓，環(huán)境溫度為293.15K，二者保持不變。

3）泄露口大小保持不變，不發(fā)生形變。

4）將呼吸腔內(nèi)氣體視為理想氣體，滿足相關(guān)狀態(tài)方程。

2.2.2 求解器設(shè)置

1）導(dǎo)入網(wǎng)格，單位為mm，檢驗(yàn)網(wǎng)格質(zhì)量無負(fù)體積出現(xiàn)。

2）采用適合求解不可壓縮流的壓力求解器（pressure-based），為了探究不同時(shí)刻呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)，將求解器設(shè)置為瞬態(tài)（transient）進(jìn)行計(jì)算。

3）呼吸腔內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)為湍流，物理模型選擇RNG k-ε模型。

4）邊界條件處，送風(fēng)口、鼻孔設(shè)置為速度進(jìn)口（velocity-inlet），兩個(gè)泄漏口都設(shè)置為壓力出口（pressure-outlet），其余設(shè)置為wall。

5）開啟組分輸運(yùn)方程，設(shè)置Inlet Diffusion入口擴(kuò)散。

6）求解器的算法選用SIMPLE算法，離散格式及控制方程為二階迎風(fēng)（second order upwind），松弛因子為0.7～0.9。

2.3 進(jìn)氣口數(shù)量對(duì)內(nèi)流場(chǎng)的影響分析

2.3.1 不同進(jìn)氣口數(shù)量下呼吸腔內(nèi)CO2濃度分析

編寫設(shè)定人體呼出組分含量為5%的CO2的呼吸UDF程序，通過進(jìn)氣口進(jìn)入呼吸腔的氣流CO2濃度設(shè)置為0。研究在人體呼吸擾動(dòng)的影響情況下，一個(gè)呼吸周期內(nèi)三種進(jìn)氣口數(shù)量結(jié)構(gòu)的呼吸腔內(nèi)CO2濃度變化，以及面罩內(nèi)不同位置CO2濃度的分布狀況。監(jiān)測(cè)面如圖11所示。圖12至圖14表示一個(gè)呼吸周期內(nèi)，三種進(jìn)氣口數(shù)量下面罩在不同時(shí)刻下的呼吸腔內(nèi)CO2濃度分布云圖。

根據(jù)圖4人體呼吸速度曲線，在一個(gè)呼吸周期內(nèi)，1.5s時(shí)呼氣結(jié)束，人體在此時(shí)呼出的CO2累積量達(dá)到最大；3s時(shí)吸氣結(jié)束，此時(shí)呼吸腔內(nèi)CO2濃度達(dá)到最小。

通過云圖可知，雙進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)口鼻區(qū)域在1.5s和3s時(shí)口鼻處高濃度CO2區(qū)域面積均低于其余兩種，且口鼻處區(qū)域CO2濃度也低于其余兩種，說明雙進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)CO2稀釋效率更高。為了更加直觀的對(duì)比三種面罩，采用單周期CO2吸入量來作為第二種選擇最佳進(jìn)氣口數(shù)量的方法。

2.3.2 不同進(jìn)氣口數(shù)量下人體CO2吸入量分析

國標(biāo)文件規(guī)定開機(jī)后吸入空氣中的CO2平均含量體積分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過1%。CO2分子量和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)都已知的情況下，CO2氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過下列公式可以轉(zhuǎn)換為體積分?jǐn)?shù)。

Y=CM22.4273273+TBa101325（16）

式中：Y為氣體質(zhì)量濃度；C為氣體體積濃度，10^-6；M為CO2氣體分子量； T為溫度；Ba為壓力。由標(biāo)準(zhǔn)文件知，體積分?jǐn)?shù)C≤1%和已知條件M=44、T=20°、Ba≈101325Pa，代入式解得CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0183，即人體吸入CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過1.83%。

圖15為三種面罩單周期CO2吸入量數(shù)據(jù)曲線。對(duì)三種曲線吸氣階段分別擬合并進(jìn)行積分，得到不同進(jìn)氣口數(shù)量下人體吸入CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表2所示。

由表2可知，在120L/min送風(fēng)量時(shí)，雙進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)人體吸入CO2量最小，為0.49%，最大的是單進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)，是0.89%。

2.3.3 不同進(jìn)氣口數(shù)量下呼吸腔內(nèi)壓力分析

對(duì)于壓力的研究，既要在人體呼氣時(shí)不產(chǎn)生高壓，又要在吸氣時(shí)呼吸腔整體不產(chǎn)生負(fù)壓。吸氣的時(shí)候，口鼻處呼吸域局部會(huì)產(chǎn)生短暫的負(fù)壓，此時(shí)需要保證吸氣時(shí)，呼吸腔內(nèi)壓力始終大于外界，外界氣體才不會(huì)進(jìn)入呼吸腔內(nèi)。

將上述三種不同進(jìn)氣口數(shù)量下面罩內(nèi)的呼吸腔平均壓力數(shù)值導(dǎo)出并繪制曲線，如圖16所示。由圖可知，中等勞動(dòng)強(qiáng)度下，呼吸擾動(dòng)下的呼吸腔流體域內(nèi)部壓力波動(dòng)為近似正弦曲線且在呼吸周期中均為正壓，面罩安全性得到了保證。

綜上所述，在三種進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)中，在呼吸周期中，呼吸腔內(nèi)部壓力均為正值大的條件下，面罩采用雙進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)對(duì)呼吸腔內(nèi)CO2濃度稀釋和降低人體CO2吸收量效果最好。

2.4 進(jìn)氣角度對(duì)呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)的影響

進(jìn)氣角度發(fā)生改變，對(duì)呼吸腔內(nèi)流場(chǎng)也會(huì)不同的影響。進(jìn)氣流量、送風(fēng)口大小、泄露口大小保持不變，所以改變進(jìn)氣角度對(duì)呼吸腔內(nèi)壓力場(chǎng)的影響不大。已知雙進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)下面罩內(nèi)CO2稀釋效果良好，但是面罩呼吸腔中下部CO2濃度較高且較為集中。為了減小這一區(qū)域CO2濃度，需要對(duì)面罩進(jìn)氣口角度進(jìn)行調(diào)整，并確定適宜的進(jìn)氣角度范圍。如圖17所示，α為進(jìn)氣口朝向面罩前端時(shí)進(jìn)氣管與面罩底部的夾角、β為進(jìn)氣口分別朝向兩側(cè)時(shí)進(jìn)氣管與面罩底部的夾角。α為55°、50°、45°、40°、35°、30°、25°、20°、15°；β為55°、50°、45°、40°、35°、30°、25°、20°?；诓煌惋L(fēng)角度對(duì)呼吸腔體平均CO2濃度以及面部氣流速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖18所示，為二者的變化曲線圖。圖19為不同進(jìn)氣方向下呼吸腔內(nèi)部流線圖，顯示呼吸腔內(nèi)部氣流流動(dòng)狀態(tài)。

從圖18中發(fā)現(xiàn)，兩圖CO2體平均濃度都隨著角度增大而增大，因?yàn)檫M(jìn)氣口角度越小，大部分氣流在底部擴(kuò)散，就越能把面罩底部積聚的CO2帶出去。面平均速度變化卻有些差異：（a）是先減小后增大，（b）是遞減。

圖19（a）中面罩兩側(cè)產(chǎn)生了較多的渦旋，會(huì)造成CO2積累，同時(shí)進(jìn)入面罩內(nèi)的兩個(gè)主氣流吹向面罩前端時(shí)發(fā)生擴(kuò)散，相鄰的一部分氣流擠壓交匯在一起并且流動(dòng)方向也從沿壁面變?yōu)榻拼怪贝迪蛉四?，既有利于臉部中間區(qū)域CO2稀釋，又能使人體吸入干凈氣流，這種優(yōu)勢(shì)從圖15中口鼻處CO2濃度最低也能夠得到證明。

圖19（b）則是主氣流吹向面罩兩側(cè)，大部分氣流從上部泄露口流出，未形成回流現(xiàn)象參與稀釋CO2，導(dǎo)致呼出的CO2沉積在面罩底部。隨著進(jìn)氣角度增大，主氣流逐漸靠近上部泄露口，大部分氣流泄露出去，流向面罩內(nèi)的氣流越來越少，面部平均速度也越來越小。

圖18中二者分別在20°～25°和35°～40°之間有交點(diǎn)，而且在此交點(diǎn)范圍內(nèi)二者面罩內(nèi)CO2體平均濃度適中，面平均速度較低。由圖中數(shù)據(jù)比較可知，進(jìn)氣口朝向面罩前端且角度在20°～25°范圍內(nèi)，面罩內(nèi)CO2體平均濃度和面平均速度都低于進(jìn)氣口朝向兩側(cè)時(shí)的結(jié)構(gòu)。

3 面罩實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，對(duì)進(jìn)氣口朝向前端的雙進(jìn)氣結(jié)構(gòu)面罩進(jìn)行呼吸腔CO2濃度和壓力實(shí)驗(yàn)，如圖20～22所示。

3.1 CO2濃度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

通過空氣品質(zhì)傳感器監(jiān)測(cè)送氣角度為15°、50°和最佳范圍內(nèi)的25°時(shí)面罩呼吸腔內(nèi)的CO2濃度。如圖23所示。

由圖23可見，面罩呼吸腔內(nèi)CO2濃度變化規(guī)律與人體呼吸相關(guān)，且CO2濃度隨著角度增大而變大，驗(yàn)證仿真正確性。

3.2 呼吸腔壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

監(jiān)測(cè)進(jìn)氣角度為50°、25°、15°條件下面罩呼吸腔壓力，如圖24所示。

呼吸腔內(nèi)壓力始終維持正壓，呼吸腔內(nèi)壓力變化規(guī)律符合人體的呼吸規(guī)律。由于被測(cè)者的呼吸并不平穩(wěn)，從而導(dǎo)致呼吸腔內(nèi)壓力的變化曲線不平滑。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)比三種進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)的面罩，以呼吸周期內(nèi)CO2濃度、CO2吸入量、呼吸腔壓力作為對(duì)比條件，得出雙進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)下呼吸腔內(nèi)CO2濃度更低，人體CO2吸入量最少；在此基礎(chǔ)上以送風(fēng)角度和方向?yàn)樽兞?，以不同角度下CO2體平均濃度、面平均速度為條件，從二者的關(guān)系圖中得出最佳進(jìn)氣角度范圍為20°～25°和進(jìn)氣口的朝向?yàn)槊嬲智岸恕２牟煌M(jìn)氣角度進(jìn)行呼吸腔壓力、CO2濃度實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

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（編輯：溫澤宇）