解剖台排风罩流场及对污染气体的控制研究

鲁婧 刘泽华

南华大学土木工程学院

0 引言

医学院解剖实验室常用甲醛溶液浇灌固定及保存人体标本[1-2]，在解剖教学中，人体标本会挥发大量甲醛气体。甲醛已被世界卫生组织确定为可疑致癌物[3]。解剖实验室传统上多用排风机，排风扇及伞形罩等降低甲醛气体浓度[4-5]。还有一些用上送上排、侧送侧排等散流器或中央空调送排风来处理甲醛污染，其效果不佳[6-9]。工业上用槽边排风罩，将有害气体用设置在槽边上的吸风口抽走[10-11]，解剖台运用这一理念，在其内侧设置排风罩，对解剖台面上的人体标本实现就近排风。

本文利用 Fluent17.0 软件对具有排风功能的解剖台进行模拟研究，得到解剖台内侧排风罩的排风气流特性与污染气体的浓度变化规律，并分析可能影响污染气体浓度变化的两种因素：排风罩的倾斜角度和排风速度。

1 物理模型和数值方法

1.1 物理模型

图1 为解剖台的物理模型，解剖台尺寸为2 m*0.8 m*0.85 m，其内部两侧排风罩尺寸均为 1.9 m*0.45 m，其中排风罩与内侧形成夹角。将尸体标本简化为0.4 m*1.7 m 的污染源源项，置于解剖平台正中间。解剖台放置在计算域中央进行研究，计算域尺寸为4 m*3 m*2.7 m。

图1 物理模型

1.2 模型假设条件

为便于计算，模型进行如下假设：

1）房间内为不可压缩气流，常物性，气流流动为稳态流动。

2）污染源源项稳态散发，甲醛浓度不随时间的变化而变化。

3）房间所有壁面均为绝热。

1.3 控制方程

本文采用定常不可压缩 N-S 方程和标准k-ε湍流模型，开启 Species Transport 组分方程，运用SIMPLE 算法，非耦合隐式求解器对离散方程进行了求解。

1.4 边界条件

假设排风罩各处速度均匀，对边界施以速度入口（velocity inlet），速度大小为 1 m/s，并给定气流往外流动的速度分量。房间内除地面以外的其他五个面，由于其界面上的速度和压力均未知设为自由出流（outflow）。源项面甲醛气体散发设为质量流量入口（mass flow inlet），且沿z 轴正方向散发，其挥发速度为v=1e-06 kg/m3，甲醛的质量分数为 1e-06。其余面设为壁面（wall）。

2 排风罩排风特性及甲醛气体浓度数值的分析

2.1 排风罩排风气流特性

图2 为Y=2 m 截面处的流线图，从图中可以看出，排风气流主要集中在解剖台两侧的排风罩上，而解剖台外部两侧存在涡流区。在解剖台两侧排风罩的吸风作用下，四周气流从解剖台两侧的排风罩上方流入排风罩内部，使得新鲜空气先流经人体呼吸区，到达污染源散发的半污染区，再由排风罩吸入到解剖台内部的污染区经排风管道抽出。

图2 Y=2 m 截面处流线图

图 3 和图 4 为排风罩排风时不同截面的速度矢量图和速度云图，从图3 可以看出，在Z=1.2 m 截面处解剖台两侧排风罩附近的气流流动特性，即四周气流均向中心流动，以解剖台两侧排风罩为中心向四周的等值线越来越稀疏，速度分布呈对称趋势。且解剖台上方速度大，其四周的速度逐步降低。从图4 可以看出，越靠近解剖台排风罩处的等值线越密集，在排风罩正上方的速度明显大于其他区域，排风风速随Z 轴高度的增加而减小。

图3 Z=1.2 m 截面处速度矢量图及速度云图

图4 X=1.5 m 截面处速度矢量图与速度云图

2.2 甲醛气体浓度变化分析

图5 为排风罩排风时不同截面的浓度云图，从图5 可知，污染源向上散发甲醛气体，在抽风作用下解剖台上方甲醛质量分数逐渐减小，甲醛浓度与其质量分数成正比，所以甲醛浓度在不断降低，此时甲醛污染得到了控制。考虑到解剖人员在解剖操作时的站姿和坐姿，人体的呼吸区距离地面大约在 1.2 m 左右，截取Z=1.2 m 截面处的甲醛浓度云图图 5（c），从图中可以看出，在排风作用下，解剖台正上方甲醛浓度较高，其他地方甲醛浓度较低。因此污染源处就近排风能将污染气体控制在一定范围内。

图5 排风罩排风的浓度云图

图6 为排风罩在不同x 截面呼吸区控制点的甲醛浓度图，控制点的坐标为Z=1.2 m、Y=1～3 m，从图中可知，X=1.5 m 截面处空气中的甲醛浓度最高，而X=1.4 m 与X=1.6 m 截面处甲醛浓度大致相同，但是都低于X=1.5 m 截面处的甲醛浓度，所以离解剖台两侧排风罩越近时（X=1.4m 及X=1.6 m），其呼吸区甲醛浓度较低。

图6 Z=1.2 m 截面处控制点甲醛浓度图

图7 为排风罩在不同 Y 截面呼吸区控制点的甲醛浓度图，控制点坐标为（X=1.5 m，Z=0.8～1.4 m，Y=1.2、1.8、2.4、2.8 m），由图中可知，随着控制点高度的增加，不同 Y 截面的甲醛浓度依次降低，并且在对称位置（Y=1.2 m 与Y=2.8 m、Y=1.8 m 与Y=2.4 m）处的控制点甲醛浓度分布基本相同。两边位置上（Y=1.2 m 与Y=2.8 m）控制点的甲醛浓度均低于中间位置（Y=1.8 m与Y=2.4 m），主要是中间位置左右两侧受污染气体的影响较大，而两边位置仅有一侧受污染气体的影响较大。因此在局部解剖时，站立在解剖台带有排风罩一侧的中间位置时，解剖人员所受污染较重。

图7 X=1.5 m 截面处控制点甲醛浓度图

3 污染源散发甲醛气体的浓度大小的影响因素

假定污染源散发的甲醛气体浓度为固定值，且排风罩的位置及尺寸固定，通过模拟分析影响污染源散发甲醛气体浓度值大小的因素：1）排风罩倾斜角度。2）排风罩风速。

3.1 排风罩倾斜角度的影响

目前市面上解剖台排风罩角度多为向内倾斜 90°或35°，为探究其差异性及对甲醛气体浓度大小的影响，对这两种倾斜角度下呼吸区控制点甲醛浓度进行对比分析。

图8 分别为X=1.4 m、1.5 m、1.6 m 截面时，排风罩向内倾斜 35° 和排风罩向内倾斜 90° 下呼吸区不同控制点的甲醛浓度图，控制点坐标为Y=1～3 m、Z=1.2 m，如图 8 所示，两种倾斜角度排风罩下控制点的甲醛浓度均具有一定的波动性，并且总体上呈对称趋势，中间浓度高、两边浓度低。在同一高度不同X 截面处，随 Y 轴坐标的增加，两种排风罩下的甲醛浓度值均是先增加、趋于平稳后再减小，且 35° 排风罩处的甲醛浓度总是大于 90° 排风罩处的甲醛浓度，在Y=1.4～2.6 m 处，两者差别较明显。综上所述，90° 排风罩对甲醛污染的控制效果稍优于35°排风罩。

图8 排风罩呼吸区控制点甲醛浓度图

3.2 排风罩风速大小的影响

图9 为不同排风量下即排风罩风速分别为V=0.5、1、2 m/s 下，呼吸区不同控制点的甲醛浓度图，控制点坐标为X=1.5 m、Y=1～3 m、Z=1.2 m，从图 9 可以看出，随着风速的增加，呼吸区甲醛浓度逐渐降低，且在V=2 m/s 时甲醛浓度下降最明显。

图9 排风罩呼吸区控制点甲醛浓度图

4 结论

本文运用CFD 数值模拟方法，分析了解剖台内部双侧排风罩的排风性能和甲醛气体的控制效果，以及影响甲醛气体浓度场的两个因素：排风罩倾斜角度和排风罩风速，得到结论如下:

1）解剖台两侧排风罩将气流从四周吸入排风罩内，通过其内部的抽风管道排出室外，这样使得新鲜空气先流经人体呼吸区，有益于人体健康。

2）仅有排风罩的排风作用下，在一定程度上能够降低甲醛气体浓度，而且离解剖台两侧排风罩越近时，其呼吸区甲醛浓度较低。解剖台带有排风罩一侧的中间位置相较于两边位置，解剖人员所受污染相对较重。

3）解剖台内部排风罩向内倾斜角度为90° 时相较于35°，在排风作用下其呼吸区甲醛浓度值稍低一点。除此之外，随着排风罩风速的增加，甲醛气体浓度呈逐渐下降的趋势。