有效的气流组织是医院洁净手术室空调系统设计的主要內容。文章以RNG K-ε中合彼此程实体模型为基本, 选用CFD 技术性, 创建了相对的物理化学和数学分析模型, 对中送――相对性一侧墙底端送风洁净手术室内速率场开展了有限元分析, 获得了洁净手术室内工作台面三维速率场与二维势流的遍布。

洁净手术室的中央空调设计最后目标是以经济发展有效的空调系统设计和合理性的气流组织, 保持手术治疗室内气候自然环境(温湿度记录、气旋及污染物质浓度值等的遍布), 并去除空气中的浮尘、微生物菌种和有害物质[ 1 , 2] 。为完成对这种环境监控系统的有效操纵, 必须选用CFD 技术性对房间内气流组织, 开展三维剖析科学研究。伴随着电子信息技术、流体动力学的发展趋势, 测算流体动力学(Computa tional Fluid Dy namics , 通称CFD)早已广泛运用于热量驱动力、土木工程水利工程、自然环境化工厂、通风空调及空气过滤等众多工程项目行业[ 3 -5] 。

1 　数学课概念模型

1. 1 　物理模型

千级洁净手术室归属于非单方面流净化室, 其基本工作原理是利用安排在诊室顶篷的清洁排风模块, 往下吹出清洁气旋, 运用清洁的气旋稀释液诊室含有尘浓度值较高的气体, 将相等的气体从回风管道排出来。排风模块下的手术台上及附近地区处在洁

净气旋的流行区, 洁净度等级最大, 而且维持部分单边流[ 6] 。洁净手术室总面积(8 ×4)m2 , 装修吊顶下相对高度3 m , 清洁级别为千级。中央空调气流组织方式为顶排风一侧下次风, 送风口尺寸为2 m ×1. 2 m , 集中化布局于手术台方。回风管道为4 个, 规格为

0. 8 m ×0. 3 m 。回风管道下沿间距路面0. 1 m , 持续布局, 手术台上为1. 8 m ×0. 6 m ×0. 8 m 。

1. 2 　创建数学分析模型

1. 2. 1 　操纵方程式

洁净手术室内的气体流动性通常处在稳定的紊流流动性, 可以用不能缩减液体的粘性流动性操纵线性微分方程来叙述。通风空调行业CFD 有限元分析常见K-ε两方程式实体模型, 在其中K 为湍流动能, ε为湍流耗散率。文中选用RNG K-ε彼此程实体模型, 它是对规范K-ε彼此程实体模型的改善。为简单化测算, 对RNG K-ε彼此程实体模型作如下所示假定:

(1) 气旋流动性为稳定中合流动性。

(2) 因为所探讨的洁净手术室内空气流速不大, 横断面风力低于0. 5 m / s , 因此视诊室内汽体为不能缩小流动性, 且合乎Boussinesq假定[ 7] , 即觉得流体密度转变仅对浮升力造成危害。

(3) 房间内汽体归属于非牛顿液体, 作定常流动。

(4) 不考虑到透风的危害, 即觉得洁净手术室内密封性优良。规范K-ε实体模型中, 湍流动能K 以及损耗率ε是未知量, 可从下边的输运方程的解获得

在RNG K-ε实体模型输运方程式中, 从操纵方程式中除去小尺寸的健身运动, 获得的实体模型输运方程式与规范K-ε实体模型输运方程式有差不多的方式[8] , 即

在其中

RNG K-ε模型与标准K-ε模型相比, 针对近壁拐角处流动性特点的叙述比标准模型更细腻精准, 可以尽快解决高应变率及流线型弯折水平比较大的流动性[8] 。因而, 更合适模拟手术房间内这类高流阻的情况。

1. 2. 2 　测算地区与初始条件

(1) 正压送风口界限。假定入流速率在通道表面是联合分布的。在此次仿真模拟中, 因为诊室在几何图形上的构造, 径向速度vx =vy =0 , 仅有反向速率存有。反向速率vz 为

vz =ACH V/3600S

在其中, ACH 为诊室换风次数(次/h);V 为诊室容积(m3 );S 为正压送风口总面积(m2 )。速度方向竖直往下, T =295 K 。

(2) 回风管道界限。回风管道为4 个的正方形口,假定每一个回风管道的回排风量占总回风量的25 %, 回风管道达到充足发展趋势段流场出入口模型。

(3) 边界层界限。针对固定不动边界层界限, 因为边界层的功效, 在离边界层非常近的范围内中合的脉冲危害比不上分子结构粘性力起关键功效, 因此用边界层函数公式法[7] 解决近壁地区内的流场。

1. 2. 3 　网格图转化成

因为独立创建了附面层的数学课模型, 在Fluent的前图像处理软件(gambi t)中对模型开展网格划分, 选用了匀称区划网格图的方式, 操纵体为非构造正四面体, 周长0. 15 m , 本次仿真模拟共转化成22789个连接点, 114 416 个网格图。

2 　工作台面速率数值与剖析

2. 1 　不一样排风速率下的工作台面速率遍布

仿真模拟的净化手术室内手术台上相对高度0. 8 m , 手术台上以上的身体创口相对高度为0. 3 m , 因此工作台面相对高度设置为间距路面1. 1 m , 坐落于xoy平面图, 工作台面总面积为(1. 8 ×0. 6) m2 。为获取更确切的工作台面风力值, 将工作台面匀称区划为(0. 15 ×0. 15) m2的地区, 测速点为各区域连接点, 一共有65(13 ×5)个测量点, 如下图1 所显示。

依据创建的诊室模型, 各自数值模拟了15 次/h 、20 次/h 、25 次/h 、30 次/h 、35 次/h 、40 次/h 、45 次/h 、50 次/h 不一样换风次数下空态工作台面的风力。运用Fluent 的后处理工艺作用得到工作台面的风力, 将所获各测试用例风力值由MA TLAB手机软件开展三维可视化解决, 使工作台面速率场更为品牌形象形象化。

因为15 ～ 50 次/h 不一样换风次数下工作台面风力三维布局图样子基本一致, 仅列举50 次/h 、35 次/h 、15 次/h 换风次数下工作台面风力三维布局图, 如下图2 所显示。图上W 、L 各自表明工作面宽度、长短;v 表明工作台面风力。

图2 　工作台面风力三维布局图

从图2a ～ 图2c 可以看得出, 不一样换风次数下,工作台面的速率场均展现四周风力高过工作台面核心地区风力, 成“桶状” 。速率场四周呈“锯齿形”遍布, 表明工作台面边沿风力遍布不匀称, 仿真模拟的净化手术室归属于漩涡净化室。假如工作台面速率场的划分不匀称, 风力极值点与极小值中间相距比较大,会导致工作台面有显著漩涡。因而, 必须测算工作台面的速率场的漩涡度β, 乱流度β 越小则表明速率遍布愈匀称。综合性有限元分析結果, 其工作台面风力及漩涡度与不一样换风次数下相应的排风速率关联如下图3 所显示, 图3 中v送、v工各自表明排风速率和工作台面的风力。

从图3a 、3b 可以看得出, 伴随着换风次数的扩大,工作台面风力的极值点与极小值之差也随着扩大,从0. 04 m / s 提升到0. 14 m / s 。15次/h 、20 次/h换风次数下的漩涡度β 分别是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的换风次数漩涡度β 基本上维持在0. 1 上下。15 次/h、20 次/h 换风次数下的排风速率较小, 仅有0. 17 ～ 0. 22 m / s , 气体流动性动量矩较小, 速率损耗加速, 导致漩涡度β 高过别的换风次数下的漩涡度。因而, 强烈推荐25 次/h 换风次数做为该类净化手术室的最少换风次数。

2. 2 　工作台面横断面势流剖析

Fluent 的后处理工艺作用可以将仿真模拟結果以矢量图片、流线型图、等值线图等方式輸出。在研究了工作台面的三维速率场遍布后, 必须进一步剖析工作台面所属的横断面的势流, 选择具备象征的x =0 ,y-z 横断面的势流开展剖析。因为15 ～ 50 次/h 不一样换风次数下横断面势流速率矢量图片样子基本一致, 仅限于篇数, 仅列举50 次/h 、35 次/h 、15 次/h换风次数下横断面速率矢量图片, 如下图4 所显示。

对图4a ～ 图4c 剖析, 可以看得出:

(1) 全部横断面势流的遍布呈流行区、涡旋区和回风管道区遍布。从正压送风口竖直往下送出去的气旋在手术台方基本上维持竖直往下的流线型, 使工作台面处在流行区的保障下。沿排风模块核心中心线, 手术台方地区势流呈对称性遍布。因为是中送―――相对性一侧墙底端送风, 在手术台上的上下两边地区, 流线型产生比较大歪斜, 产生了三角形的涡旋区, 在接近墙面地区的涡旋呈不对称遍布。因为受墙面的限定, 势流右上角产生受到限制水射流, 产生比较大的漩涡。旋涡直徑在0. 5 ～ 0. 7 m , 漩涡核心相对高度在2. 1 ～ 2. 3 m , 顺时针方向转动。在回风管道周边,流线型折射率转变加重, 流动速度增加。

(2) 工作台面上边气体流线型基本上维持竖直, 与水平方向的偏斜视角超过65°, 依照参考文献[9] 的探究結果, 净化室诊室内工作人员发生的细颗粒物不容易落在工作表面。在手术台的边缘, 因为手术台的影响功效, 流线型产生比较大弯折。因而, 工作面的速率场在四周呈“锯齿形”遍布。

(3) 回风管道与正压送风口两者之间的间距对净化手术室气旋流线型危害并不大。

3 　结　　论

测算流体动力学(CFD)技术性在通风空调领域的运用将更加广, 变成清洁暖通设计工程项目中不可缺少的设备之一。文中以根据RNG K-ε中合彼此程实体模型为基本, 根据有限元分析获得千级净化手术室工作面相对高度横截面的三维速率场和二维房间内势流的遍布, 工作面势流处在流行区且维持单边流。有限元分析结果显示:

(1) 换风次数各自在15 ～ 25 次/h 、30 ～ 50次/h 中间, 工作面的均值风力在0. 1 ～ 0. 16 m /s 、0. 20 ～ 0. 33 m /s 中间。

(2) 15 次/h 、20 次/h 换风次数下工作面的漩涡度β 分别是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的换风次数漩涡度β在0. 1 上下, 因而提议25 次/h 换风次数做为千级净化手术室的最少换风次数。