手术室气幕装置气流组织数值模拟与理论分析

梁辰博 周斌 刘金祥

南京工业大学暖通工程系

手术室气幕装置气流组织数值模拟与理论分析

梁辰博 周斌 刘金祥

南京工业大学暖通工程系

本文使用标准k-ε紊流模型，基于I级标准手术室，对带气幕的洁净手术室流场和污染物浓度场进行了数值模拟，并做了相应的理论分析。得出了射流力是气幕抗干扰能力的主要影响因素，引带系数是气幕隔离能力的主要影响因素的结论，对气幕风速、气幕风口尺寸、气幕倾斜角度等工作参数的影响特性做了深入探讨，并对比了相同风量下带气幕与不带气幕送风装置的有效性。最后针对I级洁净手术室内的流场给出了建议气幕设计参数。

气幕 主流区 洁净手术室 污染浓度

1 空态手术室数值模拟的物理和数学模型

为了简化计算，对洁净室的实际条件进行了如下假设：

①室内气流流动为稳态流动，室内气流为不可压缩流体，物性为常数，忽略质量力；

②室内无内热源，围护结构绝热，对于洁净室来说，可假设为无温差送风，而且将室内温度场视为均匀温度场；

③室内污染源的发尘速率恒定。

1.1 物理模型

洁净手术室布置图1所示。

图1 空态手术室布置图

为保证工作面流速在0.2～0.3m/s[4]，中心区出口流速选为0.38m/s，对于带气幕的手术室具体边界条件如表1所示。

表1 气幕手术室送风口与气幕边界件

根据Woods等人估计[5]：手术台前手术人员散发典型碎屑平均直径约7.5μm，因此，模拟中散发的携带微生物的粒子粒径按7.5μm考虑，散发率采用2.5×104粒/s的面污染源，这与一般洁净室设计规定在人穿着洁净服剧烈活动时，全身散尘率为5.6×105粒/min相比还是比较安全的。同时，污染源的位置对局部洁净室浓度场有一定关系。为了更好地说明问题，考虑污染场最不利情况，选择将面污染源放在送风口两侧的吊顶上，这也可减少面污染源对流型的影响。

1.2 数学模型

洁净手术室的换气次数较大，气流组织基本可视为强制对流流型且不考虑有温差送风，所以本文的计算模型采用标准的高雷诺数k-ε二方程模型其控制方程如下：

式中：φ是普适标量，可以表示三个速度分量u，v，w，湍流动能k，耗散率ε；ρ是空气密度，kg/m3；Γ为耗散项。

颗粒物使用拉格朗日法计算，由于分散相的总体积分数较小，CFD采用DPM模型进行计算。颗粒物浓度使用质量密度，kg/m3。靠近壁面处采用压力壁面函数。离散方法采用有限差分法。在划分网格时，使用交错网格，使用非结构网格对控制体进行离散。在方程组求解时，对耦合方程组使用SIMPLE算法，单个方程组使用ADI逐行迭代法。

1.3 计算模型准确性的比较

为验证模型的准确性，将无气幕时工作区断面的模拟计算的速度与实验数据[2]进行比较，实验一共采集30个测点的数据，断面平均速度计算值为0.251m/s，实测值为0.234m/s，偏差率仅为7.2%，由图2可以看出两者数据变化趋势基本相同（四周高，中心低）。经分析，误差的主要原因是在计算中送风口出风假定完全均匀，但是在实际情况下送风口出风并非完全均匀（高效过滤器自身滤纸厚度和密度不均匀，同时均流层均流效果不足）。

图2 0.8m高x-z断面速度分布图

2 数值模拟的结果与分析

2.1 气幕速度的影响

空气幕到达地面时才能完全发挥其隔离作用，此时由气幕把污染区和洁净区完全遮断；进一步提高空气幕出口风速时，隔离效果也不会再提高，在此条件下的空气幕的出口风速被称为遮断风速[1]。但是对于手术洁净室，气幕的主要作用不仅体现在隔离作用上，同时也体现在抗外界干扰能力上。此时需对气幕速度选择做进一步的分析。

现对左侧气幕施加一横向干扰，由图3（a）～图3（d）可以看出，在相同的横向扰动下，没有气幕时横向扰动入侵主流区十分严重，在相同气幕宽度下随着气幕射流力的提高，气幕射流与竖直方向的夹角减小，隔离作用在增强，从图3（d）和图3（e）可以看出在相同射流力时，宽口低速气幕与窄口高速气幕的射流与竖直方向的夹角差不多（射流轴线末端基本都在Z方向2.2m处），但窄口高速气幕在末端已形成遮断点（Z方向2.15m处），基本隔离了横向扰动，而宽口低速气幕的末端却未能形成很好的遮断点。

图3 不同射流力下流场速度矢量图

根据流体射流理论，射流在运动过程中各断面的动量保持平衡，即：

方程两边约τ，可得

式中：M为气幕射流的总动量，N·s；L0、Lx、Le为气幕射流的出口流量、某断面的流量、末端流量，m3/s；v0、vx、ve为气幕射流的出口流速、某断面的流速、末端流速，m/s；F为气幕射流的射流力，N。

取一微元控制体，在某一断面上对于一微元体将有

式中：dLx为微元控制体的流量，m3/s；vx,τ为微元控制体的瞬时流速，m/s；dF为微元控制体的射流力，N；dSx为微元控制体垂直于速度方向上的面积，m2。

对于微元控制体而言dSx可以认为是一个常量，即dF是一个只与vx,τ有关的变量，断面上的射流力实际上就是对dF在断面范围内进行的积分，即在此断面上所有微元体所受射流力的合力。

气幕射流在流动过程中，轴心速度是不断衰减的，而在采用较大v0时末端仍可保持一定速度，从而微元体获得一定的射流力以抵抗横向扰动，这就是为什么在相同断面射流力情况下，采用高速窄口气幕时位于气幕末端的抗干扰效果更好。

2.2 气幕宽度的影响

手术洁净室气幕作用不仅体现在其抗横向扰动能力上，而且体现在其隔离污染物能力上。先以射流力作为单独考量参数。

从图4和图5可以看出在对于不同的气幕宽度，随着射流力的加大气幕内外区的浓度比在逐渐降低。但同时在加大到一定值后，再加大对降低内外区的浓度比的效果将不再明显。

图4 75mm宽度气幕射流力与内外区浓度比图

图5 150mm宽度气幕射流力与内外区浓度比图

从图6可以看出在射流力相同时内外区的浓度比随着气幕宽度的增加而减少，结合图4与图5可以发现尽管射流力表达式从形式上综合考虑了流量与流速，但这不能使射流力作为气幕设计的一个独立参数。因为空气幕的隔离作用并不是像固体壁一样阻挡微粒的穿透，而是由它不断卷吸两侧空气，不断去稀释和带走卷吸进来的脏空气（因为空气幕喷口送出的也是洁净空气），使得微粒不能穿透气幕，只有少数微粒可能由气流的横向脉动进入中心区[1]。增加气幕速度的作用之一就是加大稀释的风量使卷吸进来的脏空气更快地被带走，但是通过增加气幕出口速度的方式来加大风量的同时势必会使气幕射流的卷吸作用加剧，卷吸进气幕的脏空气的量会大大增加，这就解释了为什么在气幕宽度一定时增加射流力到一定程度气幕的隔离效果便不会显著提高，而在射流力相同时增加气幕宽度却可以显著提高气幕的隔离效果，虽然两者都是增加风量，但后一种方法由于采用了较低的射流速度，故引起的卷吸作用较小。

图6 相同气幕射流力时宽度与内外区浓度比图

气幕的隔离效果可由下式计算[1]：

式中：Na为主流区含尘浓度，粒/L；Nb为涡流区含尘浓度，粒/L；Ns为主流区与气幕区送风浓度，粒/L；f为气幕洁净棚隔离效果固有特性项。

式中：α为气幕区送风量与主流区送风量之比；φ1为空气幕对主流区侧引带系数；φ2为空气幕对涡流区侧引带系数。

当涡流区的含尘浓度较大时，Ns/Nb会远小于1，由式（6）可以看出决定气幕内外区含尘浓度比的主要因素是f，而α是一个恒定的值且对于气幕装置而言其数量级基本远低于10-1，φ1、φ2数量级一般也不会低于10-1[1]，所以当φ1、φ2降低时便会大大降低气幕的内外浓度比。在采用低速宽口气幕时可以降低φ1、φ2，使得f降低，从而获得较好的隔离效果。

2.3 气幕射流的出流角度影响

分析φ1、φ2产生的原因，主要是由于气幕射流与周围环境空气有速度差，导致整个空间内速度场不均匀，而速度场的不均匀性必然会产生局部涡流，进而发生卷吸引带的现象。即要想使得φ1、φ2降低必须减少空间内速度场的不均匀性。

对于洁净手术室中的气幕射流，其并非独立的大空间淹没射流，而是存在于洁净手术室的通风系统内的伴随射流，基于这种情况，除了改变气幕射流的出口速度，还可以通过改变气幕射流的出口角度来获得整个空间内不同的气流组织。

对于工作区流场，气流速度不均匀度越大，说明气流速度分布越不均匀，容易产生局部涡流。根据文献[6]要求，在主流区内距地0.8m，共取16个采样点均匀布置。

气流速度的不均匀度按下式定义：

式中：β为不均匀度；ui为工作区各点速度，m/s；u为工作区平均速度，m/s；k为测点个数。

对150mm宽，出口速度为1.21m/s的气幕在方向上不同的夹角进行模拟，模拟结果如表2所示，工作区内速度不均匀度与气幕内外区的颗粒浓度比基本成正相关，在夹角为5°时工作区内不均匀度最低，虽然是夹角在10°时内外浓度比最低，但在5°时内区的颗粒物浓度是最低的，同时根据乱流度和单向流自净时间之间的关系：速度不均匀度≤0.3时，实际自净时间为1min。根据《洁净室施工及验收规范》要求β≤0.25。气幕射流夹角为5°时的工作区风速不均匀度满足规范要求。

表2 不同夹角下速度不均匀度、内外区颗粒物浓度与浓度比比较

2.4 气幕送风装置的有效性比较

为验证带气幕的送风装置的有效性，在相同风量，相同散尘量时将带气幕与不带气幕的送风装置进行比较，二者参数如表3。

表3 不同送风装置的尺寸与送风参数

经过模拟，带气幕的送风装置下，在工作面（距地面高度0.8m）的颗粒物浓度为2.156×10-9kg/m3，不带气幕的工作面颗粒物浓度为1.253×10-8kg/m3，同时由图7可以看出，不带气幕的送风装置下的颗粒物在工作面上的分布要比带气幕的多很多，不利于颗粒物的排出，增加了颗粒物入侵主流区的可能，同时虽然两者的洁净区域是差不多的（基本在X方向2到4m处），但带气幕的送风装置送风面积只是不带气幕的64.4%。

图7 不同送风装置工作面颗粒物分布图（kg/m3）

3 结论

本文通过理论分析与数值模拟的方法分析了气幕各参数对气幕抗干扰能力与颗粒物隔离能力的影响，可以得到以下结论：

1）射流力对于气幕的抗横向干扰能力有着重要影响，但并非是隔离能力的决定因素，气幕的出口流速对于射流力的影响更为重要。

2）气幕颗粒物隔离能力的决定因素为气幕射流的引带比，采用宽口低速的气幕由于可以更有效地降低引带比，故隔离效果比窄口高速气幕更好。

3）对于洁净手术室流场采用一定角度的射流可以有效降低工作区流场的不均匀度从而可以降低引带比增加气幕的隔离效果。

4）对于I级洁净手术室，若采用气幕隔离方式扩大主流区建议的气幕参数宽度为150mm，出口流速为1.10～1.24m/s，射流角度为5°。

[1]许钟麟.洁净空气技术原理(第4版)[M].北京:科学出版社, 2013

[2]凌继红.手术室空气净化效果的研究[D].天津:天津大学,2005

[3]沈晋明,俞卫刚.国外医院建设标准发展对我国医院手术部建设的启发与思考[J].中国医院建筑与装备,2013,(2):62-66

[4]中国卫生经济学会医疗卫生建筑专业委员会.医院洁净手术部建筑技术规范(GB 50333-2002)[S].北京:中国计划出版社,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]中国建筑科学研究院.洁净室施工及验收规范(GB50591-2010) [S].北京:中国建筑工业版社,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，硕士研究生；南京市中山北路200号南京工业大学暖通工程系（210009）；E-mail:330910703@qq.com

江苏省自然科学基金（No.BK20130946）；南京工业大学科研启动基金（No.39114111）；

江苏省省产学研前瞻性联合研究项目（No.BY2012032）