1?　概述

《醫院潔凈手術(shù)部建設標準》頒布至今已經(jīng)有一年多了,《標準》對于規范潔凈手術(shù)部設計起到了重要的作用。

對于暖通空調領(lǐng)域來(lái)說(shuō),《標準》中對于不同等級的手術(shù)部的潔凈要求、送風(fēng)量要求、沉降菌濃度要求都作了明確的規定,?使設計工作有據可依。

但是,?對于百級潔凈層流手術(shù)室,《標準》中未對送風(fēng)量作出明確的規定,?只是對工作截面平均風(fēng)速提出了0 .25?～?0.3m/s的風(fēng)速要求,?眾所周知,?我國潔凈手術(shù)部設計是基于主流區控制理論的,?對于層流手術(shù)室送風(fēng)單元這種送風(fēng)形式,?又不可能利用射流公式進(jìn)行計算,?因此,?筆者在湘雅醫院層流手術(shù)室設計中利用CFD?技術(shù)進(jìn)行數值模擬計算。

2?　層流手術(shù)室建模

醫院手術(shù)部建筑平面如圖1?所示, 層流手術(shù)室面積為9150×5600m2?,?吊頂下層高3 .0m,?層流手術(shù)室等級為I?級,?空調氣流組織形式為頂送側回,?回風(fēng)口為8?個(gè),?底距0.1m ,?風(fēng)口大小為1000×300m2?,?手術(shù)臺距地1 .0m ,?尺寸為0.6×1.8m2?。

考慮到手術(shù)過(guò)程中發(fā)菌是室內發(fā)菌量的主要來(lái)源,?筆者用12?個(gè)長(cháng)方柱表示12?個(gè)醫務(wù)人員。為保證模擬的準確性,筆者采用四面體非結構網(wǎng)格劃分方法建模,?該模型的模擬結果即所謂靜態(tài)測試的結果,?建模后結果如圖2?所示。

3?　數值計算模型及邊界條件

3 .1　數值計算模型

在暖通空調領(lǐng)域CFD?計算中,?普遍采的是K -e?雙方程模型,?在本模擬中也不例外,?限于篇幅,?關(guān)于該模型的詳細介紹,?本文不再贅述,請參閱相關(guān)文獻[ 1]?。

在菌落模擬和濃度場(chǎng)模擬中有幾個(gè)假設, (1)菌落都是附著(zhù)于灰塵上的,?計算中用其附著(zhù)的灰塵軌跡作為菌落的軌跡。(2)不考慮溫度的影響,?即忽略溫差驅動(dòng)力。(3)根據有關(guān)文獻,?地面8m2?的發(fā)塵量和發(fā)菌量一個(gè)人員的發(fā)塵發(fā)菌相當,?人靜止的發(fā)菌量為300?個(gè)/(人?min),?發(fā)塵量為105?個(gè)/min,?發(fā)塵量比例頂棚:墻面:地面=1 :5:100。(5)因為灰塵的體積占氣體體積的比例微乎其微,?可以認為對氣流流場(chǎng)沒(méi)有影響,?因此,?模擬中采用非耦合計算。模擬濃度場(chǎng)和菌落場(chǎng)的基本方程為動(dòng)量方程(X?方向)

其中FD=18μ/(D2pρpCc)

Cc?=1 +2λ/Dp[ 1 .257+0.4exp(-1.1(Dp/2λ))]

式中　λ———?為分子平均自由程;

u?———?空氣速度;

up?———?粒子速度;

gx?———?重力;

ρp?———?粒子密度;

ρ———?空氣密度;

Fx?———?其它驅動(dòng)力;

Dp?———?粒子直徑;

μ———?動(dòng)力粘滯系數;

Re?———?雷諾數;

3 .2　邊界條件處理

a、墻體邊界條件:

墻體速度邊界條件采用與紊流核心區不同的數學(xué)模型,將邊界層劃分為粘性底層和對數律層,?數學(xué)模型為:

式中　Ck?———Karman?常數,?取0 .42

E———?經(jīng)驗數值,?取9 .81。

Up?———?網(wǎng)格點(diǎn)速度。

Kp?———?網(wǎng)格點(diǎn)湍動(dòng)能。

yp?———?網(wǎng)格點(diǎn)與墻面的距離。

μ———?流體紊流粘滯系數。

濃度場(chǎng)模擬中,?為簡(jiǎn)化計算,?假設微粒和墻體之間的碰撞為彈性碰撞,?無(wú)動(dòng)量和能量損失。

b?、風(fēng)口邊界條件

送風(fēng)單元模型

嚴格來(lái)講,?送風(fēng)單元的數值模型應該是相當復雜的,?首先,?潔凈氣流經(jīng)送風(fēng)單元進(jìn)入房間應該是個(gè)動(dòng)量守恒的過(guò)程,?而從另一方面考慮,?送風(fēng)單元的氣流進(jìn)入房間,?送風(fēng)斷面在離開(kāi)孔板后速度應該減小,?所以動(dòng)量似乎是減小了。這兩方面看起來(lái)是非常復雜的,?不能用不可壓的模型來(lái)描述,?而在我們暖通領(lǐng)域的模擬中,?往往不考慮氣體的可壓縮性,?所以會(huì )導致這種矛盾的現象。根據某送風(fēng)單元廠(chǎng)家的測試結論,?百級送風(fēng)單元(www..com)下0.3m?斷面送風(fēng)速度大致為0.47m/s,這一結果比廠(chǎng)家用Q(風(fēng)量)/A(送風(fēng)單元面積)計算而得的送風(fēng)速度相差不大;為簡(jiǎn)化模型,?筆者采用Q/ A?作為送風(fēng)單元以下的送風(fēng)速度。

濃度模擬中,?定義該邊界條件為逃逸邊界條件。

回風(fēng)口模型

回風(fēng)口為8?個(gè)1?×0.3m2?的方型回風(fēng)口,?每個(gè)回風(fēng)口回風(fēng)量占總量的12.5 %。假設回風(fēng)口滿(mǎn)足充分發(fā)展段紊流出口模型。濃度模擬中,此邊界條件也為逃逸邊界條件。

4?　計算結果分析

4 .1　速度場(chǎng)模擬結果分析

本模擬的主要目的是研究送風(fēng)量對工作面風(fēng)速的影響,為手術(shù)的空調設計提供依據。計算時(shí)分別計算了0.41m/ s、0 .45m/ s、0 .48m/ s、0.50m/ s、0.52m/ s、0.54m/ s?時(shí)其工作面速度場(chǎng)分布,?模擬結果如圖3?、4、5?所示。

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綜合模擬結果,?將工作面速度極值會(huì )成圖6?所示的曲線(xiàn),?由模擬結果可以看出(1)在出口風(fēng)速的0.48m/ s?時(shí),?工作面平均風(fēng)速基本可以達到《標準》中提出的0.25?～?0.3m/ s。(2)從曲線(xiàn)圖可以注意到,?隨著(zhù)出口風(fēng)速的增大,?工作面風(fēng)速增大的速度逐漸減慢,?也就是說(shuō),?曲于受到手術(shù)床邊界條件的影響,?增加出口風(fēng)速來(lái)提高工作面風(fēng)速是不經(jīng)濟的,?且會(huì )造成靠近工作面附近區域速度梯度增大,?手術(shù)區上方產(chǎn)生吹風(fēng)感。(3)從送風(fēng)單元模型可以看出,?由于出口風(fēng)速的確定方法是Q/A,?而孔板送風(fēng)的送風(fēng)速度是稍大于這個(gè)風(fēng)速的,因此,模擬風(fēng)量應該是設計的保守風(fēng)量。

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4 .2　落菌數模擬結果分析

模擬結果中,?顯示工作區域均滿(mǎn)足百級的落菌要求百級的落菌要求(5?個(gè)/m3)。由模擬結果可見(jiàn),?在百級潔凈手術(shù)設計中,?落菌量已不是設計需要考慮的主要問(wèn)題了,?在如此大的層流送風(fēng)環(huán)境下,?工作區甚至部分周邊區都能滿(mǎn)足落菌量要求。

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4?.3　含塵量模擬結果分析

從模擬結果來(lái)看,(1)在送風(fēng)速度0.41m/ s?以上時(shí),?手術(shù)區工作面高度的含塵量基本都要以滿(mǎn)足百級要求(≥0.5μm的微粒數目小于等于35×100?個(gè))。(2)由于人員是房間主要的塵源之一,?所以,?人員對工作面濃度分布影響較大,?如圖所示,?在人員周?chē)^大范圍內不能夠達到百級潔凈要求。(3)模擬結果顯示,?實(shí)際運行過(guò)程中,?室內濃度分布和主流區控制理論略有不同,?在手術(shù)臺和人員之間存在一個(gè)污峰區,?要減少這個(gè)區域的影響,?有必要對醫務(wù)人員進(jìn)行層流手術(shù)室的使用方面的培訓,?盡量減少對主流區流型的破壞。

5?　結論

(1)通過(guò)結潔凈層流手術(shù)室的數值模擬,?筆者認為0.48m/ s?的送風(fēng)速度(風(fēng)量10782m3/h)可以滿(mǎn)足《標準》中對手術(shù)工作面斷面風(fēng)速的要求。

(2)在0 .48m/ s?的送風(fēng)風(fēng)速情況下,?工作區的含塵濃度和落菌量完全可以滿(mǎn)足百級層流手術(shù)室的潔凈度要求。

(3)由于人員對層流手術(shù)室潔凈度有很大影響,?應對醫務(wù)人員進(jìn)行必要的層流手術(shù)室使用培訓。