通倉(cāng)手術(shù)室氣流組織特性與顆粒物擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

趙福云,文雅冰,黃志榮

(湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲，412007)

隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的空氣流動(dòng)與污染物擴(kuò)散問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注[1]。通倉(cāng)手術(shù)室具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[2]。之前的研究均是基于具有理想化幾何形狀的通倉(cāng)手術(shù)室模型[3]。在具有理想化的三維幾何圖形中，影響室內(nèi)通風(fēng)的影響參數(shù)包括換氣次數(shù)[4]，風(fēng)口的大小和布置[5-6]以及回風(fēng)比[7]等。BABB等[8]證實(shí)了在一個(gè)大型手術(shù)室同時(shí)進(jìn)行4次骨科手術(shù)的可行性。JIANG等[9]采用數(shù)值方法對(duì)通倉(cāng)手術(shù)室3種實(shí)體模型的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究，并對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估。嚴(yán)建敏等[10]進(jìn)行了CFD模擬。本文采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，重點(diǎn)討論了上下回風(fēng)比對(duì)10 000級(jí)通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)氣流特性、通風(fēng)狀況和顆粒物濃度變化及擴(kuò)散軌跡的影響。

1 數(shù)值計(jì)算方法與模型

1.1 物理模型

為研究通倉(cāng)手術(shù)室室內(nèi)氣流分布軌跡，建立手術(shù)室模型見(jiàn)圖1。由于房間的對(duì)稱性，選取房間一半為計(jì)算區(qū)域，在圖中只顯示一半數(shù)量的風(fēng)口。房間模型的整體尺寸為22.8 m×7.8 m×3.0 m，選取房間一半為計(jì)算區(qū)域，尺寸為11.4 m×7.8 m×3.00 m，本文對(duì)模型的描述均默認(rèn)為是房間整體的一半?yún)^(qū)域。房間內(nèi)設(shè)有6個(gè)尺寸為0.4 m×0.3 m×1.75 m的長(zhǎng)方體模擬醫(yī)生熱源，2個(gè)尺寸為0.4 m×0.3 m×1.75 m的長(zhǎng)方體模擬人體，同時(shí)設(shè)有2張尺寸為0.6 m×2 m×0.2 m的長(zhǎng)方體模擬床板，并設(shè)有2個(gè)尺寸為0.4 m×0.4 m×0.5 m的床板支架，送風(fēng)口的尺寸為2.6 m×2.4 m，上回風(fēng)口的尺寸為0.25 m×2 m，下回風(fēng)口的尺寸為1 m×0.4 m，排風(fēng)口的尺寸為0.25 m×0.25 m。根據(jù)通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的不同上下回風(fēng)比τ，本文共設(shè)置了5種不同的工況，分別是上下回風(fēng)比τ=2∶6、τ=5∶3、τ=4∶4、τ=3∶5和τ=6∶2。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文數(shù)值模擬均采用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行計(jì)算，采用基于壓力的隱式格式的求解器，運(yùn)用SIMPLE算法求解壓力速度耦合，離散格式均采用二階迎風(fēng)格式。采用RNGk-ε湍流模型來(lái)求解三維穩(wěn)態(tài)下的流場(chǎng)。采用離散隨機(jī)游走(discrete random walk,DRW)模型模擬湍流誘導(dǎo)的顆粒擴(kuò)散?？刂品匠倘缦滤荆?/p>

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；v為空氣速度，m/s；φ為輸送量；Γφ為φ的(有效)擴(kuò)散系數(shù)，m3/s；Sφ為源項(xiàng)，m2/s2。

式中：ρP和ρ分別為粒子和空氣的密度，kg/m3；u和uP分別為空氣和粒子的速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；FD為弛豫時(shí)間的倒數(shù)，1/s；Fa為升力與布朗力的附加項(xiàng)，N。

1.3 邊界條件

為研究不同因素對(duì)通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的影響，選用Boussinesq假設(shè)，每個(gè)送風(fēng)口的送風(fēng)量為9 000 m3/h，所有風(fēng)口均選用Velocity-inlet邊界，設(shè)壁面絕熱，醫(yī)生和患者熱流密度為30 W/m2，房間送風(fēng)溫度22 ℃，房間初始溫度26 ℃。假設(shè)房間內(nèi)的6位醫(yī)生，在其高度1.6 m有個(gè)錐形噴射源，用以模擬人的口部咳嗽噴出的顆粒。噴射源半徑0.011 m，初始速度10 m/s，溫度37 ℃，噴射量1×10-10kg/s，顆粒直徑2 μm，顆粒自身密度為1 000 kg/m3。

2 結(jié)果分析

2.1 模型驗(yàn)證

根據(jù)MOUREH等[11]建立的室內(nèi)通風(fēng)模型來(lái)進(jìn)行模型可行性驗(yàn)證，見(jiàn)圖2。該模型的室內(nèi)通風(fēng)方式為典型的同側(cè)上送下回系統(tǒng)，其尺寸為13.3 m×2.46 m×2.5 m。選取進(jìn)風(fēng)口中心水平高度處的水平速度和距離送風(fēng)口1 m處的垂直速度作為比較對(duì)象，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，數(shù)值模擬的垂直速度與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。在水平距離0～6 m范圍內(nèi)，數(shù)值模擬的水平速度與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，但在水平距離6～13.3 m范圍內(nèi)，數(shù)值結(jié)果要高于實(shí)驗(yàn)值，這說(shuō)明RNGk-ε湍流模型在預(yù)測(cè)壁面射流衰減時(shí)，會(huì)高估末端射流的速度值。其次，數(shù)值模擬的垂直速度與實(shí)驗(yàn)值吻合較好?？傮w上，數(shù)值結(jié)果可以較好地預(yù)測(cè)氣流速度的變化趨勢(shì)，兩者之間的相對(duì)誤差低于10%，較好地保證了數(shù)值方法的可靠性與準(zhǔn)確性。

圖3 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

2.2 氣流組織分布

圖4為X=2.7 m處的速度分布。由圖4可知，手術(shù)室內(nèi)的氣流在垂直方向上主要為環(huán)形狀，送風(fēng)氣流可以完全覆蓋整個(gè)手術(shù)臺(tái)區(qū)域。此外，氣流主要從手術(shù)臺(tái)區(qū)域向周邊區(qū)域流動(dòng)，靠近手術(shù)臺(tái)區(qū)域的氣流速度要明顯大于其余區(qū)域。隨著上回風(fēng)比例增大，靠近上回風(fēng)口處空氣路徑越短，并且手術(shù)室下部向上的空氣流速越大，導(dǎo)致潔凈氣流的覆蓋區(qū)域減小和下送距離縮短，不利于手術(shù)臺(tái)區(qū)域的潔凈要求。此外，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的氣流在上部回風(fēng)口的引導(dǎo)下，容易在對(duì)稱面上形成方向垂直向上的“氣流屏障”，有利于阻隔兩側(cè)氣流的相互流通。圖5為不同上下回風(fēng)比時(shí)送風(fēng)中心截面區(qū)域的氣流分布。由圖5可知，在手術(shù)區(qū)域的氣流方向保持了垂直向下的趨勢(shì)，隨著氣流逐漸遠(yuǎn)離送風(fēng)口且遇到人體和手術(shù)床的阻礙時(shí)，氣流從人體上方略向人體四周偏轉(zhuǎn)，在手術(shù)臺(tái)高度處開(kāi)始發(fā)生速度衰減。此外，兩臺(tái)手術(shù)的送風(fēng)都完全覆蓋了手術(shù)床和醫(yī)護(hù)人員，使兩個(gè)手術(shù)區(qū)的氣流互不影響，避免交叉感染。

圖4 手術(shù)室內(nèi)X=2.7 m處的速度分布

圖5 手術(shù)室內(nèi)Y=3.9 m處的速度分布

2.3 通風(fēng)狀況分析

不同上下回風(fēng)比時(shí)通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的總體平均空氣齡見(jiàn)圖6。可以看出，隨著上回風(fēng)比例的增加，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的總體平均空氣齡逐漸降低。表明增加上回風(fēng)量且降低下回風(fēng)量時(shí)可以增強(qiáng)室內(nèi)的氣流流動(dòng)，從而可以促進(jìn)通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的通風(fēng)換氣。說(shuō)明上回風(fēng)比例越大時(shí)，室內(nèi)的通風(fēng)狀況越好，這可能是由于通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)氣流組織決定的。本文采用的是頂送上下回風(fēng)結(jié)合的送回風(fēng)方式，潔凈氣流從頂部送風(fēng)口送入后，逐漸分為兩個(gè)部分分別流向上下回風(fēng)口。當(dāng)上部回風(fēng)比例越大時(shí)，部分氣流到達(dá)上部回風(fēng)口的路徑較短，且由于沒(méi)有熱源及固體物的阻擋，氣流可由回風(fēng)口有序排出，故通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)空氣齡越低。但下部回風(fēng)比例越大時(shí)，存在人員障礙物，氣流無(wú)法有序排出，因此，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的空氣齡也較大。

圖6 不同上下回風(fēng)比時(shí)室內(nèi)的總體平均空氣齡

對(duì)于手術(shù)潔凈室而言，主要目的是降低手術(shù)區(qū)域的感染率，因此在評(píng)估室內(nèi)整體通風(fēng)狀況的同時(shí)，還需要重點(diǎn)關(guān)注局部區(qū)域的通風(fēng)狀況。本文還重點(diǎn)關(guān)注了單臺(tái)手術(shù)區(qū)域包含患者頭部和3個(gè)醫(yī)務(wù)人員在內(nèi)的某典型區(qū)域內(nèi)(1.4 m×1.1 m×2 m)的平均空氣齡。圖7顯示了不同上下回風(fēng)比時(shí)手術(shù)臺(tái)附近局部區(qū)域的平均空氣齡。由圖7可知，不同上下回風(fēng)比時(shí)的局部平均空氣齡差異顯著，其中，在上下回風(fēng)比τ= 5∶3時(shí)，局部平均空氣齡最大，說(shuō)明在這上下回風(fēng)比下不利于手術(shù)區(qū)域的通風(fēng)。此外，在上下回風(fēng)比τ=2∶6、τ=4∶4和τ=6∶2時(shí)，局部平均空氣齡差異較小，局部通風(fēng)狀況相似。

圖7 不同上下回風(fēng)比時(shí)室內(nèi)的局部平均空氣齡

2.4 污染物濃度比較

圖8顯示了不同上下回風(fēng)比時(shí)室內(nèi)的總體平均污染物濃度變化。由圖8可知，不同上下回風(fēng)比時(shí)的室內(nèi)總體平均污染物濃度差異顯著。其中，當(dāng)上下回風(fēng)比τ=2∶6和τ=6∶2時(shí)，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)有較高的總體平均污染物濃度。這可能是因?yàn)棣?2∶6時(shí)，下回風(fēng)比例較大，潔凈氣流能更多地覆蓋到手術(shù)區(qū)，但由于室內(nèi)手術(shù)床及醫(yī)護(hù)人員對(duì)氣流的阻礙，潔凈氣流的擾動(dòng)更加劇烈，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的總體平均污染物濃度偏高，不利于污染物的去除。τ=6∶2時(shí)，上回風(fēng)比例較大，靠近上回風(fēng)口處空氣路徑較短，并且手術(shù)室下部向上逆流的空氣流速較大，室內(nèi)污染物隨氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到的重力和與向上的氣流速度相互“抑制”，污染物在室內(nèi)滯留且出現(xiàn)較高濃度。此外，當(dāng)上下回風(fēng)比τ=3∶5時(shí)，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的總體平均污染物濃度最低，這表明此上下回風(fēng)比時(shí)，有利于降低室內(nèi)總體平均污染物濃度。

不同上下回風(fēng)比時(shí)室內(nèi)的局部平均污染物濃度變化見(jiàn)圖9。不同上下回風(fēng)比時(shí)的局部平均污染物濃度差異較大。當(dāng)上下回風(fēng)比τ=5∶3時(shí)，局部平均污染物濃度最大，這因?yàn)樵谶@種上下回風(fēng)比時(shí)，手術(shù)臺(tái)局部區(qū)域的局部空氣齡較大，不利于區(qū)域內(nèi)污染物的稀釋與擴(kuò)散。當(dāng)上下回風(fēng)比τ=5∶3時(shí)，局部平均污染物濃度最小，這與室內(nèi)平均污染物濃度相應(yīng)。

2.5 顆粒物運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10為上下回風(fēng)比τ=3∶5通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的2、4、6、8、10 s時(shí)的氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)分布?？梢钥闯?，當(dāng)顆粒噴出2 s時(shí)，顆粒隨送風(fēng)氣流向下運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散不強(qiáng)，粒子暫未向周圍偏轉(zhuǎn)。4 s時(shí)，顆粒繼續(xù)隨送風(fēng)氣流向下運(yùn)動(dòng)，并開(kāi)始向周圍偏轉(zhuǎn)，但偏轉(zhuǎn)角度不大，擴(kuò)散略微增強(qiáng)。隨后6 s時(shí)，由于送風(fēng)氣流在下送到一定高度后遇到手術(shù)床和人體后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顆粒隨送風(fēng)氣流開(kāi)始向周圍擴(kuò)散，但大部分顆粒仍在手術(shù)區(qū)附近。由于頂部有回風(fēng)，氣流略有向上運(yùn)動(dòng)，因此6 s時(shí)顆粒受向上氣流影響輕微上浮。8 s時(shí)，大部分顆粒已離開(kāi)手術(shù)區(qū)，隨氣流流向下回風(fēng)口。10 s時(shí)氣流到達(dá)下回風(fēng)口并排除室外。

圖10 不同時(shí)刻氣溶膠顆粒物軌跡分布

3 結(jié)論

本文在通倉(cāng)手術(shù)室模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了不同上下回風(fēng)比對(duì)通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的氣流分布污染物運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，得到如下結(jié)論：

1)在不同模擬工況下，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的單向送風(fēng)氣流均會(huì)垂直向下運(yùn)動(dòng)，有利于保證兩個(gè)手術(shù)區(qū)的氣流不會(huì)相互影響。隨著上回風(fēng)比例的增大，潔凈氣流的覆蓋區(qū)域減小和下送距離縮短，不利于保證手術(shù)臺(tái)區(qū)域的潔凈要求。

2)對(duì)于手術(shù)室內(nèi)的總體通風(fēng)性能，增大上下回風(fēng)比時(shí)可以降低室內(nèi)總體平均空氣齡，促進(jìn)通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的整體通風(fēng)換氣；而對(duì)于手術(shù)室內(nèi)的局部通風(fēng)性能，在上下回風(fēng)比τ=5∶3時(shí)，局部平均空氣齡最大。

3)當(dāng)上下回風(fēng)比τ=3∶5，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)的總體平均污染物濃度和局部平均污染物濃度都是最低的，此上下回風(fēng)比時(shí)有利于污染物的稀釋擴(kuò)散。隨時(shí)間增長(zhǎng)，其擴(kuò)散能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)t=10 s時(shí)，通倉(cāng)手術(shù)室內(nèi)所散發(fā)的氣溶膠顆粒基本到達(dá)下回風(fēng)口并排除室外。