有效的氣流組織是醫院潔凈手術室空調系統設計的主要內容。文章以RNG K-ε中合彼此程實體模型為基本, 選用CFD 技術性, 創建了相對的物理化學和數學分析模型, 對中送――相對性一側墻底端送風潔凈手術室內速率場開展了有限元分析, 獲得了潔凈手術室內工作臺面三維速率場與二維勢流的遍布。

潔凈手術室的中央空調設計最后目標是以經濟發展有效的空調系統設計和合理性的氣流組織, 保持手術治療室內氣候自然環境(溫濕度記錄、氣旋及污染物質濃度值等的遍布), 并去除空氣中的浮塵、微生物菌種和有害物質[ 1 , 2] 。為完成對這種環境監控系統的有效操縱, 必須選用CFD 技術性對房間內氣流組織, 開展三維剖析科學研究。伴隨著電子信息技術、流體動力學的發展趨勢, 測算流體動力學(Computa tional Fluid Dy namics , 通稱CFD)早已廣泛運用于熱量驅動力、土木工程水利工程、自然環境化工廠、通風空調及空氣過濾等眾多工程項目行業[ 3 -5] 。

1 　數學課概念模型

1. 1 　物理模型

千級潔凈手術室歸屬于非單方面流凈化室, 其基本工作原理是利用安排在診室頂篷的清潔排風模塊, 往下吹出清潔氣旋, 運用清潔的氣旋稀釋液診室含有塵濃度值較高的氣體, 將相等的氣體從回風管道排出來。排風模塊下的手術臺上及附近地區處在潔

凈氣旋的流行區, 潔凈度等級最大, 而且維持部分單邊流[ 6] 。潔凈手術室總面積(8 ×4)m2 , 裝修吊頂下相對高度3 m , 清潔級別為千級。中央空調氣流組織方式為頂排風一側下次風, 送風口尺寸為2 m ×1. 2 m , 集中化布局于手術臺方。回風管道為4 個, 規格為

0. 8 m ×0. 3 m 。回風管道下沿間距路面0. 1 m , 持續布局, 手術臺上為1. 8 m ×0. 6 m ×0. 8 m 。

1. 2 　創建數學分析模型

1. 2. 1 　操縱方程式

潔凈手術室內的氣體流動性通常處在穩定的紊流流動性, 可以用不能縮減液體的粘性流動性操縱線性微分方程來敘述。通風空調行業CFD 有限元分析常見K-ε兩方程式實體模型, 在其中K 為湍流動能, ε為湍流耗散率。文中選用RNG K-ε彼此程實體模型, 它是對規范K-ε彼此程實體模型的改善。為簡單化測算, 對RNG K-ε彼此程實體模型作如下所示假定:

(1) 氣旋流動性為穩定中合流動性。

(2) 因為所探討的潔凈手術室內空氣流速不大, 橫斷面風力低于0. 5 m / s , 因此視診室內汽體為不能縮小流動性, 且合乎Boussinesq假定[ 7] , 即覺得流體密度轉變僅對浮升力造成危害。

(3) 房間內汽體歸屬于非牛頓液體, 作定常流動。

(4) 不考慮到透風的危害, 即覺得潔凈手術室內密封性優良。規范K-ε實體模型中, 湍流動能K 以及損耗率ε是未知量, 可從下邊的輸運方程的解獲得

在RNG K-ε實體模型輸運方程式中, 從操縱方程式中除去小尺寸的健身運動, 獲得的實體模型輸運方程式與規范K-ε實體模型輸運方程式有差不多的方式[8] , 即

在其中

RNG K-ε模型與標準K-ε模型相比, 針對近壁拐角處流動性特點的敘述比標準模型更細膩精準, 可以盡快解決高應變率及流線型彎折水平比較大的流動性[8] 。因而, 更合適模擬手術房間內這類高流阻的情況。

1. 2. 2 　測算地區與初始條件

(1) 正壓送風口界限。假定入流速率在通道表面是聯合分布的。在此次仿真模擬中, 因為診室在幾何圖形上的構造, 徑向速度vx =vy =0 , 僅有反向速率存有。反向速率vz 為

vz =ACH V/3600S

在其中, ACH 為診室換風次數(次/h);V 為診室容積(m3 );S 為正壓送風口總面積(m2 )。速度方向豎直往下, T =295 K 。

(2) 回風管道界限。回風管道為4 個的正方形口,假定每一個回風管道的回排風量占總回風量的25 %, 回風管道達到充足發展趨勢段流場出入口模型。

(3) 邊界層界限。針對固定不動邊界層界限, 因為邊界層的功效, 在離邊界層非常近的范圍內中合的脈沖危害比不上分子結構粘性力起關鍵功效, 因此用邊界層函數公式法[7] 解決近壁地區內的流場。

1. 2. 3 　網格圖轉化成

因為獨立創建了附面層的數學課模型, 在Fluent的前圖像處理軟件(gambi t)中對模型開展網格劃分, 選用了勻稱區劃網格圖的方式, 操縱體為非構造正四面體, 周長0. 15 m , 本次仿真模擬共轉化成22789個連接點, 114 416 個網格圖。

2 　工作臺面速率數值與剖析

2. 1 　不一樣排風速率下的工作臺面速率遍布

仿真模擬的凈化手術室內手術臺上相對高度0. 8 m , 手術臺上以上的身體創口相對高度為0. 3 m , 因此工作臺面相對高度設置為間距路面1. 1 m , 坐落于xoy平面圖, 工作臺面總面積為(1. 8 ×0. 6) m2 。為獲取更確切的工作臺面風力值, 將工作臺面勻稱區劃為(0. 15 ×0. 15) m2的地區, 測速點為各區域連接點, 一共有65(13 ×5)個測量點, 如下圖1 所顯示。

依據創建的診室模型, 各自數值模擬了15 次/h 、20 次/h 、25 次/h 、30 次/h 、35 次/h 、40 次/h 、45 次/h 、50 次/h 不一樣換風次數下空態工作臺面的風力。運用Fluent 的后處理工藝作用得到工作臺面的風力, 將所獲各測試用例風力值由MA TLAB手機軟件開展三維可視化解決, 使工作臺面速率場更為品牌形象形象化。

因為15 ～ 50 次/h 不一樣換風次數下工作臺面風力三維布局圖樣子基本一致, 僅列舉50 次/h 、35 次/h 、15 次/h 換風次數下工作臺面風力三維布局圖, 如下圖2 所顯示。圖上W 、L 各自表明工作面寬度、長短;v 表明工作臺面風力。

圖2 　工作臺面風力三維布局圖

從圖2a ～ 圖2c 可以看得出, 不一樣換風次數下,工作臺面的速率場均展現四周風力高過工作臺面核心地區風力, 成“桶狀” 。速率場四周呈“鋸齒形”遍布, 表明工作臺面邊沿風力遍布不勻稱, 仿真模擬的凈化手術室歸屬于漩渦凈化室。假如工作臺面速率場的劃分不勻稱, 風力極值點與極小值中間相距比較大,會導致工作臺面有顯著漩渦。因而, 必須測算工作臺面的速率場的漩渦度β, 亂流度β 越小則表明速率遍布愈勻稱。綜合性有限元分析結果, 其工作臺面風力及漩渦度與不一樣換風次數下相應的排風速率關聯如下圖3 所顯示, 圖3 中v送、v工各自表明排風速率和工作臺面的風力。

從圖3a 、3b 可以看得出, 伴隨著換風次數的擴大,工作臺面風力的極值點與極小值之差也隨著擴大,從0. 04 m / s 提升到0. 14 m / s 。15次/h 、20 次/h換風次數下的漩渦度β 分別是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的換風次數漩渦度β 基本上維持在0. 1 上下。15 次/h、20 次/h 換風次數下的排風速率較小, 僅有0. 17 ～ 0. 22 m / s , 氣體流動性動量矩較小, 速率損耗加速, 導致漩渦度β 高過別的換風次數下的漩渦度。因而, 強烈推薦25 次/h 換風次數做為該類凈化手術室的最少換風次數。

2. 2 　工作臺面橫斷面勢流剖析

Fluent 的后處理工藝作用可以將仿真模擬結果以矢量圖片、流線型圖、等值線圖等方式輸出。在研究了工作臺面的三維速率場遍布后, 必須進一步剖析工作臺面所屬的橫斷面的勢流, 選擇具備象征的x =0 ,y-z 橫斷面的勢流開展剖析。因為15 ～ 50 次/h 不一樣換風次數下橫斷面勢流速率矢量圖片樣子基本一致, 僅限于篇數, 僅列舉50 次/h 、35 次/h 、15 次/h換風次數下橫斷面速率矢量圖片, 如下圖4 所顯示。

對圖4a ～ 圖4c 剖析, 可以看得出:

(1) 全部橫斷面勢流的遍布呈流行區、渦旋區和回風管道區遍布。從正壓送風口豎直往下送出去的氣旋在手術臺方基本上維持豎直往下的流線型, 使工作臺面處在流行區的保障下。沿排風模塊核心中心線, 手術臺方地區勢流呈對稱性遍布。因為是中送―――相對性一側墻底端送風, 在手術臺上的上下兩邊地區, 流線型產生比較大歪斜, 產生了三角形的渦旋區, 在接近墻面地區的渦旋呈不對稱遍布。因為受墻面的限定, 勢流右上角產生受到限制水射流, 產生比較大的漩渦。旋渦直徑在0. 5 ～ 0. 7 m , 漩渦核心相對高度在2. 1 ～ 2. 3 m , 順時針方向轉動。在回風管道周邊,流線型折射率轉變加重, 流動速度增加。

(2) 工作臺面上邊氣體流線型基本上維持豎直, 與水平方向的偏斜視角超過65°, 依照參考文獻[9] 的探究結果, 凈化室診室內工作人員發生的細顆粒物不容易落在工作表面。在手術臺的邊緣, 因為手術臺的影響功效, 流線型產生比較大彎折。因而, 工作面的速率場在四周呈“鋸齒形”遍布。

(3) 回風管道與正壓送風口兩者之間的間距對凈化手術室氣旋流線型危害并不大。

3 　結　　論

測算流體動力學(CFD)技術性在通風空調領域的運用將更加廣, 變成清潔暖通設計工程項目中不可缺少的設備之一。文中以根據RNG K-ε中合彼此程實體模型為基本, 根據有限元分析獲得千級凈化手術室工作面相對高度橫截面的三維速率場和二維房間內勢流的遍布, 工作面勢流處在流行區且維持單邊流。有限元分析結果顯示:

(1) 換風次數各自在15 ～ 25 次/h 、30 ～ 50次/h 中間, 工作面的均值風力在0. 1 ～ 0. 16 m /s 、0. 20 ～ 0. 33 m /s 中間。

(2) 15 次/h 、20 次/h 換風次數下工作面的漩渦度β 分別是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的換風次數漩渦度β在0. 1 上下, 因而提議25 次/h 換風次數做為千級凈化手術室的最少換風次數。