1?　概述

《醫(yī)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(guī)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(guī)定,?使設計工作有據(jù)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(guī)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(qū)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(yī)院層流手術室設計中利用CFD?技術進行數(shù)值模擬計算。

2?　層流手術室建模

醫(yī)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(fā)菌是室內發(fā)菌量的主要來源,?筆者用12?個長方柱表示12?個醫(yī)務人員。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(shù)值計算模型及邊界條件

3 .1　數(shù)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(jù)有關文獻,?地面8m2?的發(fā)塵量和發(fā)菌量一個人員的發(fā)塵發(fā)菌相當,?人靜止的發(fā)菌量為300?個/(人?min),?發(fā)塵量為105?個/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(shù);

Re?———?雷諾數(shù);

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(qū)不同的數(shù)學模型,將邊界層劃分為粘性底層和對數(shù)律層,?數(shù)學模型為:

式中　Ck?———Karman?常數(shù),?取0 .42

E———?經驗數(shù)值,?取9 .81。

Up?———?網(wǎng)格點速度。

Kp?———?網(wǎng)格點湍動能。

yp?———?網(wǎng)格點與墻面的距離。

μ———?流體紊流粘滯系數(shù)。

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(shù)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(xiàn)象。根據(jù)某送風單元廠家的測試結論,?百級送風單元(www..com)下0.3m?斷面送風速度大致為0.47m/s,這一結果比廠家用Q(風量)/A(送風單元面積)計算而得的送風速度相差不大;為簡化模型,?筆者采用Q/ A?作為送風單元以下的送風速度。

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(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(jù)。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。

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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(qū)域速度梯度增大,?手術區(qū)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。

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4 .2　落菌數(shù)模擬結果分析

模擬結果中,?顯示工作區(qū)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(huán)境下,?工作區(qū)甚至部分周邊區(qū)都能滿足落菌量要求。

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4?.3　含塵量模擬結果分析

從模擬結果來看,(1)在送風速度0.41m/ s?以上時,?手術區(qū)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(shù)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(qū)控制理論略有不同,?在手術臺和人員之間存在一個污峰區(qū),?要減少這個區(qū)域的影響,?有必要對醫(yī)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(qū)流型的破壞。

5?　結論

(1)通過結潔凈層流手術室的數(shù)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(qū)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(yī)務人員進行必要的層流手術室使用培訓。