解剖臺排風罩流場及對污染氣體的控制研究

魯婧 劉澤華

南華大學土木工程學院

0 引言

醫學院解剖實驗室常用甲醛溶液澆灌固定及保存人體標本[1-2]，在解剖教學中，人體標本會揮發大量甲醛氣體。甲醛已被世界衛生組織確定為可疑致癌物[3]。解剖實驗室傳統上多用排風機，排風扇及傘形罩等降低甲醛氣體濃度[4-5]。還有一些用上送上排、側送側排等散流器或中央空調送排風來處理甲醛污染，其效果不佳[6-9]。工業上用槽邊排風罩，將有害氣體用設置在槽邊上的吸風口抽走[10-11]，解剖臺運用這一理念，在其內側設置排風罩，對解剖臺面上的人體標本實現就近排風。

本文利用 Fluent17.0 軟件對具有排風功能的解剖臺進行模擬研究，得到解剖臺內側排風罩的排風氣流特性與污染氣體的濃度變化規律，并分析可能影響污染氣體濃度變化的兩種因素：排風罩的傾斜角度和排風速度。

1 物理模型和數值方法

1.1 物理模型

圖1 為解剖臺的物理模型，解剖臺尺寸為2 m*0.8 m*0.85 m，其內部兩側排風罩尺寸均為 1.9 m*0.45 m，其中排風罩與內側形成夾角。將尸體標本簡化為0.4 m*1.7 m 的污染源源項，置于解剖平臺正中間。解剖臺放置在計算域中央進行研究，計算域尺寸為4 m*3 m*2.7 m。

圖1 物理模型

1.2 模型假設條件

為便于計算，模型進行如下假設：

1）房間內為不可壓縮氣流，常物性，氣流流動為穩態流動。

2）污染源源項穩態散發，甲醛濃度不隨時間的變化而變化。

3）房間所有壁面均為絕熱。

1.3 控制方程

本文采用定常不可壓縮 N-S 方程和標準k-ε湍流模型，開啟 Species Transport 組分方程，運用SIMPLE 算法，非耦合隱式求解器對離散方程進行了求解。

1.4 邊界條件

假設排風罩各處速度均勻，對邊界施以速度入口（velocity inlet），速度大小為 1 m/s，并給定氣流往外流動的速度分量。房間內除地面以外的其他五個面，由于其界面上的速度和壓力均未知設為自由出流（outflow）。源項面甲醛氣體散發設為質量流量入口（mass flow inlet），且沿z 軸正方向散發，其揮發速度為v=1e-06 kg/m3，甲醛的質量分數為 1e-06。其余面設為壁面（wall）。

2 排風罩排風特性及甲醛氣體濃度數值的分析

2.1 排風罩排風氣流特性

圖2 為Y=2 m 截面處的流線圖，從圖中可以看出，排風氣流主要集中在解剖臺兩側的排風罩上，而解剖臺外部兩側存在渦流區。在解剖臺兩側排風罩的吸風作用下，四周氣流從解剖臺兩側的排風罩上方流入排風罩內部，使得新鮮空氣先流經人體呼吸區，到達污染源散發的半污染區，再由排風罩吸入到解剖臺內部的污染區經排風管道抽出。

圖2 Y=2 m 截面處流線圖

圖 3 和圖 4 為排風罩排風時不同截面的速度矢量圖和速度云圖，從圖3 可以看出，在Z=1.2 m 截面處解剖臺兩側排風罩附近的氣流流動特性，即四周氣流均向中心流動，以解剖臺兩側排風罩為中心向四周的等值線越來越稀疏，速度分布呈對稱趨勢。且解剖臺上方速度大，其四周的速度逐步降低。從圖4 可以看出，越靠近解剖臺排風罩處的等值線越密集，在排風罩正上方的速度明顯大于其他區域，排風風速隨Z 軸高度的增加而減小。

圖3 Z=1.2 m 截面處速度矢量圖及速度云圖

圖4 X=1.5 m 截面處速度矢量圖與速度云圖

2.2 甲醛氣體濃度變化分析

圖5 為排風罩排風時不同截面的濃度云圖，從圖5 可知，污染源向上散發甲醛氣體，在抽風作用下解剖臺上方甲醛質量分數逐漸減小，甲醛濃度與其質量分數成正比，所以甲醛濃度在不斷降低，此時甲醛污染得到了控制。考慮到解剖人員在解剖操作時的站姿和坐姿，人體的呼吸區距離地面大約在 1.2 m 左右，截取Z=1.2 m 截面處的甲醛濃度云圖圖 5（c），從圖中可以看出，在排風作用下，解剖臺正上方甲醛濃度較高，其他地方甲醛濃度較低。因此污染源處就近排風能將污染氣體控制在一定范圍內。

圖5 排風罩排風的濃度云圖

圖6 為排風罩在不同x 截面呼吸區控制點的甲醛濃度圖，控制點的坐標為Z=1.2 m、Y=1～3 m，從圖中可知，X=1.5 m 截面處空氣中的甲醛濃度最高，而X=1.4 m 與X=1.6 m 截面處甲醛濃度大致相同，但是都低于X=1.5 m 截面處的甲醛濃度，所以離解剖臺兩側排風罩越近時（X=1.4m 及X=1.6 m），其呼吸區甲醛濃度較低。

圖6 Z=1.2 m 截面處控制點甲醛濃度圖

圖7 為排風罩在不同 Y 截面呼吸區控制點的甲醛濃度圖，控制點坐標為（X=1.5 m，Z=0.8～1.4 m，Y=1.2、1.8、2.4、2.8 m），由圖中可知，隨著控制點高度的增加，不同 Y 截面的甲醛濃度依次降低，并且在對稱位置（Y=1.2 m 與Y=2.8 m、Y=1.8 m 與Y=2.4 m）處的控制點甲醛濃度分布基本相同。兩邊位置上（Y=1.2 m 與Y=2.8 m）控制點的甲醛濃度均低于中間位置（Y=1.8 m與Y=2.4 m），主要是中間位置左右兩側受污染氣體的影響較大，而兩邊位置僅有一側受污染氣體的影響較大。因此在局部解剖時，站立在解剖臺帶有排風罩一側的中間位置時，解剖人員所受污染較重。

圖7 X=1.5 m 截面處控制點甲醛濃度圖

3 污染源散發甲醛氣體的濃度大小的影響因素

假定污染源散發的甲醛氣體濃度為固定值，且排風罩的位置及尺寸固定，通過模擬分析影響污染源散發甲醛氣體濃度值大小的因素：1）排風罩傾斜角度。2）排風罩風速。

3.1 排風罩傾斜角度的影響

目前市面上解剖臺排風罩角度多為向內傾斜 90°或35°，為探究其差異性及對甲醛氣體濃度大小的影響，對這兩種傾斜角度下呼吸區控制點甲醛濃度進行對比分析。

圖8 分別為X=1.4 m、1.5 m、1.6 m 截面時，排風罩向內傾斜 35° 和排風罩向內傾斜 90° 下呼吸區不同控制點的甲醛濃度圖，控制點坐標為Y=1～3 m、Z=1.2 m，如圖 8 所示，兩種傾斜角度排風罩下控制點的甲醛濃度均具有一定的波動性，并且總體上呈對稱趨勢，中間濃度高、兩邊濃度低。在同一高度不同X 截面處，隨 Y 軸坐標的增加，兩種排風罩下的甲醛濃度值均是先增加、趨于平穩后再減小，且 35° 排風罩處的甲醛濃度總是大于 90° 排風罩處的甲醛濃度，在Y=1.4～2.6 m 處，兩者差別較明顯。綜上所述，90° 排風罩對甲醛污染的控制效果稍優于35°排風罩。

圖8 排風罩呼吸區控制點甲醛濃度圖

3.2 排風罩風速大小的影響

圖9 為不同排風量下即排風罩風速分別為V=0.5、1、2 m/s 下，呼吸區不同控制點的甲醛濃度圖，控制點坐標為X=1.5 m、Y=1～3 m、Z=1.2 m，從圖 9 可以看出，隨著風速的增加，呼吸區甲醛濃度逐漸降低，且在V=2 m/s 時甲醛濃度下降最明顯。

圖9 排風罩呼吸區控制點甲醛濃度圖

4 結論

本文運用CFD 數值模擬方法，分析了解剖臺內部雙側排風罩的排風性能和甲醛氣體的控制效果，以及影響甲醛氣體濃度場的兩個因素：排風罩傾斜角度和排風罩風速，得到結論如下:

1）解剖臺兩側排風罩將氣流從四周吸入排風罩內，通過其內部的抽風管道排出室外，這樣使得新鮮空氣先流經人體呼吸區，有益于人體健康。

2）僅有排風罩的排風作用下，在一定程度上能夠降低甲醛氣體濃度，而且離解剖臺兩側排風罩越近時，其呼吸區甲醛濃度較低。解剖臺帶有排風罩一側的中間位置相較于兩邊位置，解剖人員所受污染相對較重。

3）解剖臺內部排風罩向內傾斜角度為90° 時相較于35°，在排風作用下其呼吸區甲醛濃度值稍低一點。除此之外，隨著排風罩風速的增加，甲醛氣體濃度呈逐漸下降的趨勢。