【doc】洁净手术室自净时间的CFD预测及理论检验

【doc】洁净手术室自净时间的CFD预测及理论检验 洁净手术室自净时间的CFD预测及理论检 验 第24卷第2期哈尔滨商业大学(自然科学版)voJ.24N0.2 2008年4月 JournalofHarbinUniversityofCommerce(NaturalSciencesEdition)Apr.2008 洁净手术室自净时间的CFD预测及理论检验 赵加宁,章萧珊 (哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090)I 摘要:据实际情况建立八角形洁净手术室模型及实形手术台模型,借助于CFD技 术对洁净手术室 的尘埃粒子质量浓度情况进行非稳态模拟,从而预测出自净时间,并通过与理论计 算公式所得出的自 净时间比较,验证了数值模拟的可用性.并提出以数值模拟来与所在医院的手术频 率,经济状况等实 际情况相结合,选取合适的送风,回风量及速度,即利用CFD技术对洁净手术室的 气流组织进行选择 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 以及自净时间的预测这一方法切实可行. 关键词:洁净室;手术室;自净时间;CFD;数值模拟;非稳态 中图分类号:TU256.1文献标识码:A文章编号:1672—0946(2008)02—0227—06 Clean——downcapabilitypredictionincleanoperationroom basedontechnologyofCFDandreliabilitytest shan ZHAOJia—ning,ZHANGXiao— (SchoolofMunicipal&EnvironmentalEngineering,HarbinInstitute ofTechnology,Harbin150090,China) Abstract:Themodelofcleanroomofoperationandtheoperatingtableisestablishedbased ontheactualconditions,thedistributionofairborneparticlesinthecleanroomaresimulated usingthetechnologyofCFD.Compareswiththetheoreticalcalculation,theclean—down capabilityeducedbynumericalsimulationiscredible.Andthewayintroducedinthispaper isfeasibleforairconditioningdesignerstochoosethebestdesignprogramandclean—— down capabilityprediction. Keywords:cleanroom;operationroom;clean—downcapability;CFD;numericalsimula— tion;unsteady 近年来,随着经济的发展,生活水平的普遍提 高,人们对健康的重视程度也愈来愈高,这就对医 疗条件提出了越来越高的要求.由于医院洁净手术 室功能的特殊性,突发手术执行的随机性及紧迫 性,特别是急诊手术病人,一分一秒都关系到患者 的生命,这些都要求医院洁净系统的自净时间要 短.而今,现代洁净技术的发展使得我们有条件改 善手术的环境条件,保证即使在十万分火急的情况 下,我们的洁净空调系统也能在最短的时间内,给 医生和病人提供可靠而无后患的手术环境. 这些都涉及到自净时间的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,本文的着眼点 也正在于此.关于对洁净室自净时间的研究,文献 [1]给出了在均匀分布(假定室内灰尘是均匀分布 的,如果有灰尘发生源,则发生的尘粒由于扩散和 气流的带动和冲淡,能很快地在室内达到平衡)状 况下含尘质量浓度的计算理论和方法,并在此基础 上提出了乱流洁净室和单向流洁净室自净时间的 计算公式.目前绝大多数专家学者们在进行相关研 究及计算时也均采取了该计算公式J,或是实 测],国内也有另外一些学者在 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 中提出了换 收稿日期:2007—06—29 作者简介:赵加宁(1956一),女,教授,博士生导师.研究方向:建筑室内环境及其评价; 可再生能源在建筑中的利用 ? 228?哈尔滨商业大学(自然科学版)第24卷 气次数与自净时间的关系,并列出了相应的关系 . 但对于需要先于工程而行的设计者而言,实测 的方法显然是无法实施的;而用换气次数与自净时 间的关系表来估算洁净系统的自净时间又显得过 于粗糙;惟一可用的似乎只剩文献[1]所给的计 算公式了,但由于实际的洁净室内微粒分布的不均 匀性,特别是局部单向流洁净室,按均匀分布理论 计算的含尘质量浓度不可避免地会与实际情况有 较大偏差.而且,室内气流和尘粒分布越不均匀,实 测值和按均匀分布理论计算的值相差就越大,这也 使得该公式的适用性受到了一定的局限. 本文就是针对上述情况进行研究,即在文献 [1]的基础上,通过CFD非稳态模拟的方法,得 出局部单向流洁净室的自净时间;再通过与单向流 洁净室及乱流洁净室自净时间的理论计算值相比 较,来验证其准确性. 1手术室建模物理模型及数学描述 近年来,对于 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的高级别洁净手术室,国内 外大量采用八角形手术室l8J,因此本文在建立手 术室模型时也相应的采用了八角模型.手术室内的 装修材料主要包括地面,墙面和吊顶三部分,这三 部分的材料既要满足净化的要求,不脱落碎屑,少 产尘,不积尘,又要防止细菌微生物滋生,防潮防 霉,由于手术室需要经常清洗,所以还要容易清 洁'mj,目前洁净手术室的内部地面为PVC地板, 满足其平整,耐磨,防滑,耐腐蚀,易清洗及不易起 尘与不开裂的地面要求;墙面和顶棚为进口的电解 板,外涂不产尘的油性抗菌漆,手术室大门采用不 锈钢悬挂式电动推拉门.本文研究的洁净手术室等 级为I级(《医院洁净手术室建筑技术规范》(GB 50333--2002)(以下简称《规范》)),建筑尺寸 为8m×6m,地面与吊顶间距离为3.0m,空调气 流组织形式为顶送双侧下回风,建筑平面如图1所 示. 2数值计算模型及边界条件 本文采用目前应用广泛的商业数值模拟软件 之一:Fluent来做相关的数值模拟.选用Gambit来 对所要研究的手术室进行几何模型,划分网格及简 单的边界设定. 2.1数值计算模型 按照建筑结构及手术室内风口的具体设置情 况,在Gambit中建立洁净手术室模型:未去八角时 手术室的建筑面积为8m×6m,去掉的各角斜边 长度为1m,吊顶下层高为3.0m,手术室等级为I 级,空调气流组织形式为顶送双侧下回风,按照 《规范》送风口集中布置于手术台正上方,风口大 小为2.6m×2.4m,回风口为4m×0.3m,共2 个,分别布置于两侧墙的下方,底距0.1m,排风口 为0.6mX0.7m.具体模型见图2. 图I手术室建筑平面(图中尺寸单位缺省为mm) (a)俯视图(b)立体图 (c)腩正视图(d)z向正视图 图2手术室结构模型 图3手术台模型 为了更接近手术室的实际情况,也为了研究手 术台下方是否会出现涡流,本文在手术台建模时没 有采用过去常用的简单六面体形式,而设计了如图 3所示的手术台,具体尺寸为:总高为0.8m,台面 第2期赵加宁,等:洁净手术室自净时间的CFD预测及理论检验.229. 尺寸为1.8mX0.6mX0.2m,台柱尺寸为0.4m X0.4mX0.6m. 在划分网格时,考虑到计算机配置及容量的局 限性,选取0.2m作为网格步距,且由于手术台上 存在着一些"小面",若使用规则的六面体等结构 化网格,总出现问题.为保证模拟的准确性,经再三 尝试及权衡后,采用非结构四面体网格来划分网 格,共生成114742个网格. 2.2数值模拟的几点假设及说明 2.2.1数值模拟的假设 在对洁净室进行数值模拟时,结合实际情况, 做了如下假设:1)洁净室内的空气流动速度很低, 流体温度,密度等变化不大,故将其视作不可压缩 流动;2)不考虑温度的影响,气流为稳态流动;3) 根据文献[12],只有悬浮菌与尘埃粒子检测结果 均合格时,沉降菌检测结果亦合格,而悬浮菌与尘 埃粒子的检测结果是一致的,因此本文仅对尘埃粒 子的分布情况进行研究,细菌,病毒等在计算中用 其附着的灰尘轨迹作为菌落的轨迹;4)根据文献 [2],地面8m的发尘量相当于一个人员静止时的 发尘量,一个人静止时的发尘量为105~/min,发 尘量比例顶棚:墙面:地面=1:5:100;5)因为灰尘 的体积占气体体积的比例微乎其微,可以认为对气 流流场没有影响,因此,模拟中采用非耦合计算; 6)考虑计算精度及计算的经济性,参考文献[13] 的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,本文采用Ii}一双方程模型来进行计算.其 Ii},8方程如下. Ii}方程: 击()+毒(pkvj)=毒[(+)差]+G — P? 方程: 击(p)+毒(pev;)=毒[(+)薏]+ 等[c1G一c2pe].1(2) 2.2.2数值模拟的说明 本文所研究的不均匀分布,仍然假定发尘是均 匀且稳定的,只是尘粒的分布存在区域盼不均匀 性,也就是指存在着区域的质量浓度差. 2.3边界条件的处理 2.3.1风口边界条件 送风口模型:根据文献[14],0.48m/s的送风 速度可以满足《规范》中对手术工作面断面风速的 要求,本文亦采用0.48m/s作为送风单元以下的 送风速度.质量浓度模拟中,定义该边界条件为速 度边界条件. 回风口模型:回风口为2个4mX0,m的方 型回风口,每个回风口回风量占总量的50%.假设 回风口满足充分发展段紊流出口模型.质量浓度模 拟中,定义该边界条件为出流边界条件. 排风口模型:排风口为1个0.7mX0.6m的 方型回风口.质量浓度模拟中,定义该边界条件为 出流边界条件. 2.3.2墙体边界条件 由于标准的Ii}一湍流模型是基于高数湍 流提出的,近壁面处的Re数较小,因此对于壁面区 需采取特殊的处理办法来保证模拟计算的精确度. 一 般来讲,对墙体边界层的处理有两种方法,第一 种是将紊流核心区的模型应用于边界层,第二种是 建立墙体边界层模型,与核心区分开处理.本文采 用标准壁面函数法. 质量浓度场模拟中,为简化计算,假设微粒和 墙体之间的碰撞为弹性碰撞,无动量和能量损失. 墙体边界为无滑移边界条件. 3质量浓度场模拟及结果分析 3.1测点的选取 按照《规范》中对于洁净度级别检验的相关规 定,在手术区(I级手术室的手术区指手术台以及 手术台两侧边至少向外推0.9m,两端至少向外推 0.4m后的区域,在本例中,手术区是指包含手术 台的2.6inx2.4m的区域)内选取5点作为测点, 周边区内选取8个点进行监测,具体的测点布置情 况如图4,5所示.其中,A,A,A,A,A等五个测 点由于手术区手术台已固定,按照《规范》规定,布 置于手术台面之上0.25m,即地面之上1.05m处, 其余测点布置于0.8m高处. 3.2自净时间的得出 据本文假设3)中的所给的洁净手术室内顶 棚,地面的尘埃粒子散发量及停机1h的时间积 累,算得停机1h后,室内的初始尘埃粒子质量浓 度值为256366pe/m,初始化流场后进行非稳态 模拟,过程中对各测点尘粒质量浓度进行实时监 测.结果显示:在开机后282s(4.70min)时,各监 测点的尘埃粒子质量浓度值已符合相应的级别标 准,具体数据见表1. 根据《规范》,洁净度级别的检验应同时满足 下列条件:1)各测点的平均含尘质量浓度中的最 大值不大于相应的洁净级别上限质量浓度的 ? 230?哈尔滨商业大学(自然科学版)第24卷 图4洁净级别检验监测点平面布置(单位:niln) 表1开机后282s时各测点的尘埃粒子质量浓度值 测点123d 手术区尘粒粒子上限质量尘埃粒子 (百级)浓度值为3500pdm质量浓度lO.22266.82232.82242.52261.8 (Dc-m一) 测点S1s2s3sd 尘埃粒子 周边区 尘埃粒子上限质量浓度79l0.76306.46293.978l1.2 质量浓度值为f直/(pc-m一) (干级)测点s5S6s7S8 35000pc/m尘埃粒子 质量浓度7798.56301.46308.47893.7 f吉/f.m一) 80%;2)计算所得的统计值?(具体计算见式(3)) 不大于相应的洁净级别上限质量浓度的80%.统 计值?计算如下: 一 /(C一?)z ?=?+×?哥?(3) 式中:N为室平均质量浓度,pc/m.;t为分布 系数;为测点数. 代入本文研究的实例数据,计算可得手术区 Nl=2757.5pc/m.<2800pc/m. 周边区:N2=7635.5pc/m.<28000pc/m 从表1和统计值?计算结果可知,在开机后 282S时,室内手术区,周边区的平均尘埃粒子质量 浓度值Ci中的最大值C…及室统计值?已符合并 刚刚符合相应级别上限质量浓度的80%,即停机 1h后,该洁净手术室的自净时间t,=282S=4.70 min. 3.3工作区截面风速测点的选取及验证 与实测程序不同,在满足了质量浓度的前提 下,我们需对工作区截面风速进行验证.根据《规 范》规定,工作区截面风速测点的选取如图5,各测 点高度为手术台之上0.25in,即地面以上1.05in 处,对各测点在t=282S时进行风速监测,得出各 测点的截面风速,再由公式(4) 一 = []/.(4) = l 式中:为工作区截面平均风速,m/s;为每 个测点的速度,m/s;为测点数. 图5截面风速测点平面面置 可得_士作区截面平均风速:0.263m/s.在 《规范》所规定的0.25—0.3m/s的范围内,检验合 格. 第2期赵加宁,等:洁净手术室自净时间的CFD预测及理论检验?231? 3.4自净时间与理论计算值的比较 3.4.1按乱流洁净室计算得出的自净时间 按照文献[1],乱流洁净室自净时间的计算公 式见式(5) ,::(1nNo一 1)一lnO.O1].(5) 其中:为室内初始含尘质量浓度,pc/L;N为室 内稳定含尘质量浓度,pc/L;n为换气次数,次/h. 代入本文研究的实例数据,计算可得: (In_1)_ln0.o1]_6.37min. 3.4.2按单向流洁净室计算得出的自净时间 据相关文献,在理想状态下,单向流(又称活 塞流)洁净室的自净时间 t: 鱼. (6一)3=一.() M 式中:h为室高,in;u为截面风速,m/s. 将h=3m,"=0.263m/s代入式(5),可得t =l1.4S. 实际当中,由于室内微粒的不均匀分布,单向 流洁净室的自净时间要比式(6)计算所得的自净 时间长,由文献[1]可知,实测的垂直单向流洁净 室的自净时间一般在1min左右,记作t. 3.4.3与理论计算自净时间的比较 局部单向流洁净室是一种介于单向流和乱流 洁净室之间的洁净室,也可以理解为是由单向流洁 净室与乱流洁净室相结合的一种混合模式的洁净 室,其自净时间理当位于这两者时间.经由上述分 析可见,数值模拟得出的自净时间t,(4.70min)正 好落在t与t:所组成的区域内(1,6.37min).由 此可见,数值模拟的结果可信. 3.5典型面在开机不同时刻的质量浓度场分布 为了描述清晰,本文选择ABCD这个包含了 送,排风口及手术工作面的典型面(见图6)来进行 开机不同时刻的质量浓度场变化情况.在开机之 初,开机282S及开机后达到系统稳定时,ABCD面 的质量浓度场分布如图7,9(颜色分别代表尘粒 质量浓度值大小(pc/m). 从图7,9中可以看到:开机之初,室内初始的 尘埃粒子质量浓度场非常均匀,均处于2.84×10 , 2.84×10pc/m这样一个狭小的质量浓度范围 内;开机后,室内的质量浓度值迅速下降,~11282S 时,手术区及周边区的尘埃粒子分布分区现象已经 十分明显,且各区的质量浓度值均已达到相应的洁 净级别,但此时室内的质量浓度场分布仍在发生变 化,各点及整个房间的尘埃粒子质量浓度值仍在继 续下降;至开机680S以后,室内的质量浓度场分 布已经稳定,手术区与周边区的质量浓度值继续呈 现分界现象,但此时各点及整个房间的质量浓度值 已经趋于平衡,基本上不再变化. l胁+05 图6典型面ABCD的选取 图7开机之初ABCD面尘粒分布图(pc/m) 1.36e+0 :4 — 2.72e+(B c~tou~.伸蝌du.? FLuENT80(3d.e删spe2e 2 a 007 图8开机282S时ABCD面尘粒分布图(pc/m3) 3.6室内初始质量浓度对自净时间的影响 为了研究室内初始的尘埃粒子质量浓度值对 整个洁净系统自净时间的影响,本文又分别选取了 停机后2,4,6,8,24,48h这几种情况进行数值模 ? 232?哈尔滨商业大学(自然科学版)第24卷 拟(计算方法同停机后1h),得出的自净时间分别 是:316,342,360,372,418,484s,见图10.这表明: 室内初始质量浓度值越大(即停机时间越长),洁 净系统所需的自净时间越长,这一结论符合实际情 况. 645e+03 5踟e+03 516e+03 452e+03 3.87e+03 323e+03 258e+03 l_94e+03 l_29e+03 645e+02Y 779e一04}一x 一 .o.tc'e'讳.8oo0e+o2' FLuE6o{etedspe2孟e2ad007 图9系统稳定后ABCD面尘粒分布图(w/m) 600 500 暑400蠢 300 皿200 100 0 室内初始浓度值/(pc?L-) 图10室内初始质量浓度值与自净时间的关系 4结论 1)通过对局部百级洁净手术室内尘埃粒子分 布情况的数值模拟,较真实地反映了该洁净手术室 流场分布的详细情况,得出所需的自净时间,并通 过理论计算公式对其进行了验证.结果表明:采用 数值模型的预测结果与理论相符合,借助于CFD 技术对洁净手术室的自净时间进行预测,并以此来 与所在医院的手术频率,经济状况等实际情况相结 合,选取合适的送风,回风量及速度,即对洁净手术 室的气流组织进行选择设计的方法切实可行,CFD 技术在对像洁净手术室等特殊动态工况的研究中 具有很好的适用性. 2)分别针对停机后1,2,4,6,8,24,48h等各 种情况分别进行了数值模拟,得出了洁净系统各自 所需的自净时间.比较分析总结后得出了室内初始 质量浓度值越高,洁净系统自净所需要的时间越长 的结论. 3)关于洁净手术室尘埃粒子质量浓度场数值 模拟的另一目的是通过模拟,更真实地反映出流场 的实际情况,以便于今后与在不均匀理论下,经公 式理论推导得出的洁净空调系统自净时间的计算 公式结合,绘制图像并经曲线拟合,简化公式,以方 便用户使用.最后再以CFD模拟及实例来校核自 净时间的简易计算公式,以验证其准确性. 参考文献: [1]许钟麟.空气洁净技术原理[M].上海:同济大学出版社, 1998. 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