百級潔凈層流手術室利用CFD 技術計算風量

1 　概述

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

對于暖通空調領域來說,《標準》中對于不同等級的手術部的潔凈要求、送風量要求、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室,《標準》中未對送風量作出明確的規定, 只是對工作截面平均風速提出了0 .25 ～ 0.3m/s的風速要求, 眾所周知, 我國潔凈手術部設計是基于主流區控制理論的, 對于層流手術室送風單元這種送風形式, 又不可能利用射流公式進行計算, 因此, 筆者在湘雅醫院層流手術室設計中利用CFD 技術進行數值模擬計算。

2 　層流手術室建模

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

考慮到手術過程中發菌是室內發菌量的主要來源, 筆者用12 個長方柱表示12 個醫務人員。為保證模擬的準確性,筆者采用四面體非結構網格劃分方法建模, 該模型的模擬結果即所謂靜態測試的結果, 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, 關于該模型的詳細介紹, 本文不再贅述,請參閱相關文獻[ 1] 。

在菌落模擬和濃度場模擬中有幾個假設, (1)菌落都是附著于灰塵上的, 計算中用其附著的灰塵軌跡作為菌落的軌跡。(2)不考慮溫度的影響, 即忽略溫差驅動力。(3)根據有關文獻, 地面8m2 的發塵量和發菌量一個人員的發塵發菌相當, 人靜止的發菌量為300 個/(人?min), 發塵量為105 個/min, 發塵量比例頂棚: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沒有影響, 因此, 模擬中采用非耦合計算。模擬濃度場和菌落場的基本方程為動量方程(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 ——— 其它驅動力;

Dp ——— 粒子直徑;

μ——— 動力粘滯系數;

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模型,將邊界層劃分為粘性底層和對數律層, 數學模型為:

式中　Ck ———Karman 常數, 取0 .42

E——— 經驗數值, 取9 .81。

Up ——— 網格點速度。

Kp ——— 網格點湍動能。

yp ——— 網格點與墻面的距離。

μ——— 流體紊流粘滯系數。

濃度場模擬中, 為簡化計算, 假設微粒和墻體之間的碰撞為彈性碰撞, 無動量和能量損失。

b 、風口邊界條件

送風單元模型

嚴格來講, 送風單元的數值模型應該是相當復雜的, 首先, 潔凈氣流經送風單元進入房間應該是個動量守恒的過程, 而從另一方面考慮, 送風單元的氣流進入房間, 送風斷面在離開孔板后速度應該減小, 所以動量似乎是減小了。這兩方面看起來是非常復雜的, 不能用不可壓的模型來描述, 而在我們暖通領域的模擬中, 往往不考慮氣體的可壓縮性, 所以會導致這種矛盾的現象。根據某送風單元廠家的測試結論, 百級送風單元(www..com)

濃度模擬中, 定義該邊界條件為逃逸邊界條件。

回風口模型

回風口為8 個1 ×0.3m2 的方型回風口, 每個回風口回風量占總量的12.5 %。假設回風口滿足充分發展段紊流出口模型。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　速度場模擬結果分析

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

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

4 .2　落菌數模擬結果分析

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

4 .3　含塵量模擬結果分析

從模擬結果來看,(1)在送風速度0.41m/ s 以上時, 手術區工作面高度的含塵量基本都要以滿足百級要求(≥0.5μm的微粒數目小于等于35×100 個)。(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, 在人員周圍較大范圍內不能夠達到百級潔凈要求。(3)模擬結果顯示, 實際運行過程中, 室內濃度分布和主流區控制理論略有不同, 在手術臺和人員之間存在一個污峰區, 要減少這個區域的影響, 有必要對醫務人員進行層流手術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)通過結潔凈層流手術室的數值模擬, 筆者認為0.48m/ s 的送風速度(風量10782m3/h)可以滿足《標準》中對手術工作面斷面風速的要求。

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

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