手術室氣幕裝置氣流組織數值模擬與理論分析

梁辰博 周斌 劉金祥

南京工業大學暖通工程系

手術室氣幕裝置氣流組織數值模擬與理論分析

梁辰博 周斌 劉金祥

南京工業大學暖通工程系

本文使用標準k-ε紊流模型，基于I級標準手術室，對帶氣幕的潔凈手術室流場和污染物濃度場進行了數值模擬，并做了相應的理論分析。得出了射流力是氣幕抗干擾能力的主要影響因素，引帶系數是氣幕隔離能力的主要影響因素的結論，對氣幕風速、氣幕風口尺寸、氣幕傾斜角度等工作參數的影響特性做了深入探討，并對比了相同風量下帶氣幕與不帶氣幕送風裝置的有效性。最后針對I級潔凈手術室內的流場給出了建議氣幕設計參數。

氣幕 主流區 潔凈手術室 污染濃度

1 空態手術室數值模擬的物理和數學模型

為了簡化計算，對潔凈室的實際條件進行了如下假設：

①室內氣流流動為穩態流動，室內氣流為不可壓縮流體，物性為常數，忽略質量力；

②室內無內熱源，圍護結構絕熱，對于潔凈室來說，可假設為無溫差送風，而且將室內溫度場視為均勻溫度場；

③室內污染源的發塵速率恒定。

1.1 物理模型

潔凈手術室布置圖1所示。

圖1 空態手術室布置圖

為保證工作面流速在0.2～0.3m/s[4]，中心區出口流速選為0.38m/s，對于帶氣幕的手術室具體邊界條件如表1所示。

表1 氣幕手術室送風口與氣幕邊界件

根據Woods等人估計[5]：手術臺前手術人員散發典型碎屑平均直徑約7.5μm，因此，模擬中散發的攜帶微生物的粒子粒徑按7.5μm考慮，散發率采用2.5×104粒/s的面污染源，這與一般潔凈室設計規定在人穿著潔凈服劇烈活動時，全身散塵率為5.6×105粒/min相比還是比較安全的。同時，污染源的位置對局部潔凈室濃度場有一定關系。為了更好地說明問題，考慮污染場最不利情況，選擇將面污染源放在送風口兩側的吊頂上，這也可減少面污染源對流型的影響。

1.2 數學模型

潔凈手術室的換氣次數較大，氣流組織基本可視為強制對流流型且不考慮有溫差送風，所以本文的計算模型采用標準的高雷諾數k-ε二方程模型其控制方程如下：

式中：φ是普適標量，可以表示三個速度分量u，v，w，湍流動能k，耗散率ε；ρ是空氣密度，kg/m3；Γ為耗散項。

顆粒物使用拉格朗日法計算，由于分散相的總體積分數較小，CFD采用DPM模型進行計算。顆粒物濃度使用質量密度，kg/m3。靠近壁面處采用壓力壁面函數。離散方法采用有限差分法。在劃分網格時，使用交錯網格，使用非結構網格對控制體進行離散。在方程組求解時，對耦合方程組使用SIMPLE算法，單個方程組使用ADI逐行迭代法。

1.3 計算模型準確性的比較

為驗證模型的準確性，將無氣幕時工作區斷面的模擬計算的速度與實驗數據[2]進行比較，實驗一共采集30個測點的數據，斷面平均速度計算值為0.251m/s，實測值為0.234m/s，偏差率僅為7.2%，由圖2可以看出兩者數據變化趨勢基本相同（四周高，中心低）。經分析，誤差的主要原因是在計算中送風口出風假定完全均勻，但是在實際情況下送風口出風并非完全均勻（高效過濾器自身濾紙厚度和密度不均勻，同時均流層均流效果不足）。

圖2 0.8m高x-z斷面速度分布圖

2 數值模擬的結果與分析

2.1 氣幕速度的影響

空氣幕到達地面時才能完全發揮其隔離作用，此時由氣幕把污染區和潔凈區完全遮斷；進一步提高空氣幕出口風速時，隔離效果也不會再提高，在此條件下的空氣幕的出口風速被稱為遮斷風速[1]。但是對于手術潔凈室，氣幕的主要作用不僅體現在隔離作用上，同時也體現在抗外界干擾能力上。此時需對氣幕速度選擇做進一步的分析。

現對左側氣幕施加一橫向干擾，由圖3（a）～圖3（d）可以看出，在相同的橫向擾動下，沒有氣幕時橫向擾動入侵主流區十分嚴重，在相同氣幕寬度下隨著氣幕射流力的提高，氣幕射流與豎直方向的夾角減小，隔離作用在增強，從圖3（d）和圖3（e）可以看出在相同射流力時，寬口低速氣幕與窄口高速氣幕的射流與豎直方向的夾角差不多（射流軸線末端基本都在Z方向2.2m處），但窄口高速氣幕在末端已形成遮斷點（Z方向2.15m處），基本隔離了橫向擾動，而寬口低速氣幕的末端卻未能形成很好的遮斷點。

圖3 不同射流力下流場速度矢量圖

根據流體射流理論，射流在運動過程中各斷面的動量保持平衡，即：

方程兩邊約τ，可得

式中：M為氣幕射流的總動量，N·s；L0、Lx、Le為氣幕射流的出口流量、某斷面的流量、末端流量，m3/s；v0、vx、ve為氣幕射流的出口流速、某斷面的流速、末端流速，m/s；F為氣幕射流的射流力，N。

取一微元控制體，在某一斷面上對于一微元體將有

式中：dLx為微元控制體的流量，m3/s；vx,τ為微元控制體的瞬時流速，m/s；dF為微元控制體的射流力，N；dSx為微元控制體垂直于速度方向上的面積，m2。

對于微元控制體而言dSx可以認為是一個常量，即dF是一個只與vx,τ有關的變量，斷面上的射流力實際上就是對dF在斷面范圍內進行的積分，即在此斷面上所有微元體所受射流力的合力。

氣幕射流在流動過程中，軸心速度是不斷衰減的，而在采用較大v0時末端仍可保持一定速度，從而微元體獲得一定的射流力以抵抗橫向擾動，這就是為什么在相同斷面射流力情況下，采用高速窄口氣幕時位于氣幕末端的抗干擾效果更好。

2.2 氣幕寬度的影響

手術潔凈室氣幕作用不僅體現在其抗橫向擾動能力上，而且體現在其隔離污染物能力上。先以射流力作為單獨考量參數。

從圖4和圖5可以看出在對于不同的氣幕寬度，隨著射流力的加大氣幕內外區的濃度比在逐漸降低。但同時在加大到一定值后，再加大對降低內外區的濃度比的效果將不再明顯。

圖4 75mm寬度氣幕射流力與內外區濃度比圖

圖5 150mm寬度氣幕射流力與內外區濃度比圖

從圖6可以看出在射流力相同時內外區的濃度比隨著氣幕寬度的增加而減少，結合圖4與圖5可以發現盡管射流力表達式從形式上綜合考慮了流量與流速，但這不能使射流力作為氣幕設計的一個獨立參數。因為空氣幕的隔離作用并不是像固體壁一樣阻擋微粒的穿透，而是由它不斷卷吸兩側空氣，不斷去稀釋和帶走卷吸進來的臟空氣（因為空氣幕噴口送出的也是潔凈空氣），使得微粒不能穿透氣幕，只有少數微粒可能由氣流的橫向脈動進入中心區[1]。增加氣幕速度的作用之一就是加大稀釋的風量使卷吸進來的臟空氣更快地被帶走，但是通過增加氣幕出口速度的方式來加大風量的同時勢必會使氣幕射流的卷吸作用加劇，卷吸進氣幕的臟空氣的量會大大增加，這就解釋了為什么在氣幕寬度一定時增加射流力到一定程度氣幕的隔離效果便不會顯著提高，而在射流力相同時增加氣幕寬度卻可以顯著提高氣幕的隔離效果，雖然兩者都是增加風量，但后一種方法由于采用了較低的射流速度，故引起的卷吸作用較小。

圖6 相同氣幕射流力時寬度與內外區濃度比圖

氣幕的隔離效果可由下式計算[1]：

式中：Na為主流區含塵濃度，粒/L；Nb為渦流區含塵濃度，粒/L；Ns為主流區與氣幕區送風濃度，粒/L；f為氣幕潔凈棚隔離效果固有特性項。

式中：α為氣幕區送風量與主流區送風量之比；φ1為空氣幕對主流區側引帶系數；φ2為空氣幕對渦流區側引帶系數。

當渦流區的含塵濃度較大時，Ns/Nb會遠小于1，由式（6）可以看出決定氣幕內外區含塵濃度比的主要因素是f，而α是一個恒定的值且對于氣幕裝置而言其數量級基本遠低于10-1，φ1、φ2數量級一般也不會低于10-1[1]，所以當φ1、φ2降低時便會大大降低氣幕的內外濃度比。在采用低速寬口氣幕時可以降低φ1、φ2，使得f降低，從而獲得較好的隔離效果。

2.3 氣幕射流的出流角度影響

分析φ1、φ2產生的原因，主要是由于氣幕射流與周圍環境空氣有速度差，導致整個空間內速度場不均勻，而速度場的不均勻性必然會產生局部渦流，進而發生卷吸引帶的現象。即要想使得φ1、φ2降低必須減少空間內速度場的不均勻性。

對于潔凈手術室中的氣幕射流，其并非獨立的大空間淹沒射流，而是存在于潔凈手術室的通風系統內的伴隨射流，基于這種情況，除了改變氣幕射流的出口速度，還可以通過改變氣幕射流的出口角度來獲得整個空間內不同的氣流組織。

對于工作區流場，氣流速度不均勻度越大，說明氣流速度分布越不均勻，容易產生局部渦流。根據文獻[6]要求，在主流區內距地0.8m，共取16個采樣點均勻布置。

氣流速度的不均勻度按下式定義：

式中：β為不均勻度；ui為工作區各點速度，m/s；u為工作區平均速度，m/s；k為測點個數。

對150mm寬，出口速度為1.21m/s的氣幕在方向上不同的夾角進行模擬，模擬結果如表2所示，工作區內速度不均勻度與氣幕內外區的顆粒濃度比基本成正相關，在夾角為5°時工作區內不均勻度最低，雖然是夾角在10°時內外濃度比最低，但在5°時內區的顆粒物濃度是最低的，同時根據亂流度和單向流自凈時間之間的關系：速度不均勻度≤0.3時，實際自凈時間為1min。根據《潔凈室施工及驗收規范》要求β≤0.25。氣幕射流夾角為5°時的工作區風速不均勻度滿足規范要求。

表2 不同夾角下速度不均勻度、內外區顆粒物濃度與濃度比比較

2.4 氣幕送風裝置的有效性比較

為驗證帶氣幕的送風裝置的有效性，在相同風量，相同散塵量時將帶氣幕與不帶氣幕的送風裝置進行比較，二者參數如表3。

表3 不同送風裝置的尺寸與送風參數

經過模擬，帶氣幕的送風裝置下，在工作面（距地面高度0.8m）的顆粒物濃度為2.156×10-9kg/m3，不帶氣幕的工作面顆粒物濃度為1.253×10-8kg/m3，同時由圖7可以看出，不帶氣幕的送風裝置下的顆粒物在工作面上的分布要比帶氣幕的多很多，不利于顆粒物的排出，增加了顆粒物入侵主流區的可能，同時雖然兩者的潔凈區域是差不多的（基本在X方向2到4m處），但帶氣幕的送風裝置送風面積只是不帶氣幕的64.4%。

圖7 不同送風裝置工作面顆粒物分布圖（kg/m3）

3 結論

本文通過理論分析與數值模擬的方法分析了氣幕各參數對氣幕抗干擾能力與顆粒物隔離能力的影響，可以得到以下結論：

1）射流力對于氣幕的抗橫向干擾能力有著重要影響，但并非是隔離能力的決定因素，氣幕的出口流速對于射流力的影響更為重要。

2）氣幕顆粒物隔離能力的決定因素為氣幕射流的引帶比，采用寬口低速的氣幕由于可以更有效地降低引帶比，故隔離效果比窄口高速氣幕更好。

3）對于潔凈手術室流場采用一定角度的射流可以有效降低工作區流場的不均勻度從而可以降低引帶比增加氣幕的隔離效果。

4）對于I級潔凈手術室，若采用氣幕隔離方式擴大主流區建議的氣幕參數寬度為150mm，出口流速為1.10～1.24m/s，射流角度為5°。

[1]許鐘麟.潔凈空氣技術原理(第4版)[M].北京:科學出版社, 2013

[2]凌繼紅.手術室空氣凈化效果的研究[D].天津:天津大學,2005

[3]沈晉明,俞衛剛.國外醫院建設標準發展對我國醫院手術部建設的啟發與思考[J].中國醫院建筑與裝備,2013,(2):62-66

[4]中國衛生經濟學會醫療衛生建筑專業委員會.醫院潔凈手術部建筑技術規范(GB 50333-2002)[S].北京:中國計劃出版社,2002

[5]Woods J E,Braymen D T.Ventilation requirements in hospital operating rooms-Part I:control of airborne particles[J].ASHRAE, Transactions,1986,92(2A):396-426

[6]中國建筑科學研究院.潔凈室施工及驗收規范(GB50591-2010) [S].北京:中國建筑工業版社,2010

Num e ric a l Sim ula tion a nd The ore tic a l Ana lys is of Air Supply De vic e w ith Air Curta in in Ope ra ting Room

LIANG Chen-bo,ZHOU Bin,LIU Jin-xiang
Department of HVAC Engineering,Nanjing Tech University HVAC Engineering,Nanjing,China

Based on a Class I standard operating room,the flow field and the pollutant concentration field in the clean operating room with air curtain was simulated by standard k-ε turbulence model,and the corresponding theoretical analysis for the air curtain was performed.It concludes that the jet force is main factors affecting the anti-jamming ability of air curtain,and gubernaculum coefficient is the main factors affecting air curtain isolation ability.An in-depth discussion of the influence to air curtain’s working parameters including the inlet velocity,the size and the tilt angle was made.Finally,the recommendation of air curtain design parameters for the Class I standard operating room was given.

air curtain,mainstream area,clean operating room,pollution concentration

1003-0344（2015）05-083-5

2014-5-19

梁辰博（1988～），男，碩士研究生；南京市中山北路200號南京工業大學暖通工程系（210009）；E-mail:330910703@qq.com

江蘇省自然科學基金（No.BK20130946）；南京工業大學科研啟動基金（No.39114111）；

江蘇省省產學研前瞻性聯合研究項目（No.BY2012032）