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洁净手术部阻漏送风装置的气流均匀性研究(行业资讯)

[提要] 医院洁净手术部采用集中送风后，过滤器的渗漏成为高级别手术室成败的关键，而阻漏送风装置可避免泄漏对洁净度的破坏。建立阻漏送风装置的数值模拟，对阻漏送风装置的气流均匀性进行理论和实验研究，为阻漏送风装置的设计及在洁净手术室中的应用提供了依据。

[关键词] 阻漏层局部百级数值模拟实验均匀性

1 引言

传统的手术室带来了严重的室内感染。为了降低感染率和减少化学药剂的使用，在新建和改建的手术室中采用空气洁净技术是必须的措施。用大面积全面净化的方法，虽能达到满意的净化效果，但在经济上不合理，其庞大的净化空调系统，不仅增加初投资，而且使运行管理费用大大提高。

针对上述情况有“主流区”概念的提出，如图1-1所示，即在送风口下方一定范围内为主流区，其洁净度比室内平均高30%至一半。局部百级就是利用“主流区”原理来实现的。可以通过利用集中布置送风口扩大主流区的面积，造成主流区达到百级要求。相对于手术室要求保护的手术切口和医生操作区域小的事实，使用局部百级不仅能满足洁净手术的要求，又节省初投资和运行管理费用。《医院洁净手术部建筑技术规范》GB50333-2002就提倡采用集中送风口，充分利用主流区作为工作区的做法。

这种做法使得工作面相对于传统方法离高效过滤器出风面大大接近，由此过滤器的渗漏成为高级洁净室成败的关键。

渗漏可能发生于三个途径：1.制造，2.运输，3.安装。制造过程可以通过严密的检测管理保证质量，其它两个过程随意性大，难以避免。针对实际中的渗漏问题，有理论（1）指出，把高效过滤器适当前移，送风末端设置具有亚高效水平的阻漏层。这样使过滤作用、堵漏作用、气流分布作用从单一的高效过滤器中分离开来，通过射流的混掺稀释、紊乱稀释，降压阻漏、过滤阻漏作用避免了泄漏，使原来的局部的“漏”变成了整体的“不漏”，同时又能减少高效过滤器的数量，扩大送风口面积，提高了洁净度。

2 阻漏送风装置的数学描述

阻漏送风装置内的气流流动属三维非稳态紊流流动，为了能满足现有计算条件，最大限度地反映实际情况，做以下假设：

a.装置内气体不可压缩，物性为常数；

b.装置内及洁净室无温差送风，室内为均匀温度场；

c.气流流动为稳态流动；

d.无热源，围护结构绝热。

送风装置的近壁区，气流粘性作用较强，其它地方气流的粘性都很弱,为了避免较大的计算误差，采用高Re数的k-ε三维紊流模型。在这里考虑低阶粘性的作用，将高阶量忽略。这种k-ε双参数模型用于气体流场的数值模拟，容易得到满意的结果（2）（3）。

2.1数学模型

连续性方程（2-1）

动量方程（2-2）

紊流脉动动能方程（2-3）

紊流能量耗散率方程（2-4）

式中,ui——速度矢量，m/s；ρ——密度，kg/m3；k——紊流脉动动能，m2/s2；ε——紊流能量耗散率，m2/s3；v——运动粘性系数，m2/s；vt——紊流粘性系数，m2/s；c1、c2、cε、cu均为常数，其值见表2-1。

各常数的取值（表2-1）

系数 c1 c2 cε ck cu

取值 1.44 1.92 1.30 1.00 0.09

2.1网格划分

对空间进行网格划分，是进行气流研究的主要方法之一。只有当网格足够精细时，才能得到精确的解。为了在满足精度要求的情况下节省计算机的工作量，采用非均匀网格对计算区域进行划分：即用规则的控制容积填满计算域，网格节点放在控制容积中心，物理量变化大的区域网格细些。对区域边界的节点做如下设想：在边界处放置一个厚度为零的控制容积。

2.2数学模型的边界条件

阻漏装置及洁净室的边界由固体壁面、送风口、回风口、压力边界（阻漏层等）组成。

固体壁面：

在此处,壁面粘性流体无滑移，取u,v,w均为0，则k和ε也为0。

送风口：假定送风口处的速度分布均匀，大小不变设为vs。u=vs,v=0,w=0；k=0.04，=0.008，c=0;

回风口:在回风口，法向速度与切向速度按局部质量守恒确定。v=0,w=0，

对k, ε, c；

压力边界：在压力边界，由于速度给定，压力在此处无变化，即

3 实验装置与方法

3.1实验概况

在常州康顺公司的手术室样板间，我们将原有的送风天花拆除，安装了本公司产阻漏送风天花。样板间大小为4780×5850×2800（宽×长×高mm）,墙面用防锈铝板制成，地面为进口PVC地材，门为自动气密门，回风口为可调风量百叶回风口(RG)，样板间内按洁净手术室配置了完备的设施。

样板间平面图见图3-1。

阻漏送风天花规格为1400×2600×400,进风口为侧进,内有混流板,出风面为阻漏层加孔板。

3.2实验内容及方法

我们把样板间分为主流区和工作周边区，主流区为阻漏送风天花的送风面及其在地面的投影之间的区域，其余是周边区，见图3-2。

实验所用仪器为QDF-3热球风速仪。

送风量采用出风面平均风速×送风面积。

实验对送风面的风速进行了测试，送风面布置91个测点，间距200mm。送风测量面为距送风面50mm,见图3-3。

3.3实验数据的计算

送风量：（3-1）

L=3600×∑(Ai×vi)

式中L——风量，m3/h；Ai——第i个测点所在网格的面积，m2；vi——第i个测点的风速，m/s；送风面的平均风速v：（3-2）

式中，n为测点数。

乱流度遶：（3-3）

4 阻漏送风装置送风面的气流均匀性研究

洁净手术室内工作面的气流速度是由送风面引起的，送风均匀度必定会影响到工作面的均匀度。为了提高净化效果就必须从提高送风面的均匀度着手。

由于阻漏送风天花的结构变化，特别是高度的减少，阻漏层的增加和内部压力的减少，将对送风均匀性产生显著影响。

4.1理论分析

影响送风均匀性的因素有：

a.静压箱的进风速度

b.静压箱内的压力分布是否均匀

c.阻漏层的阻力是否一致

d.进风口的面积和离送风面的高度

要提高送风面的均匀度，阻漏层材料的均匀性要好，各点的阻力不能相差太大。

阻漏层送风要保持静压箱出风面内侧各点的静压值相同，才能使各点有相同的风速，以保证均匀送风。

送风装置内压力变化的原因主要有：压力损耗，气流在静压箱内部结构边壁的磨擦压力损失；静压增长，即气流在装置内速度降低，动压的减少导致的静压增大。

4.2数值模拟

阻漏送风装置为1400×2600×400(宽×长×高,mm)，进风口在2600×400面上,大小为610×305×2，在送风量为6000m3时，假定静压箱为空腔，进风口风速恒定4.5m/s，断面数值模拟的结果如图5-1。

从图上看气流在送风装置中的分布不均匀，出风口的气流分布也不均匀，在进风侧有一很大的负压区，是由进风速度大造成的，它会诱导室内气流回流，对送风气流形成污染。如果假定在距送风口300处设高100的挡风板，经数值计算后其模拟状况如图5-2。

我们可以看到，尽管装置内的气流速度依然不均，但气流的分布已大为改良，出风口的气流分布均匀多了，负压区已比较小，出风的速度已相当均匀了。

显然，理论的模拟计算表明，在装置内安装混流板对于改善装置内的气流状况是有利的，它会使气流在进入装置后分散开来，使装置内的压力趋于均匀，提高了出口风速的均匀度。

4.3实验测试

我们在1400×2600×400(宽×长×高,mm)的实验阻漏送风装置内设置了特殊的匀流板，在不同风量下,用QDF-3热球风速仪进行了测试，经计算汇总后见表4-1。

测试时，送风温度与室内相同,为等温送风。在探头规定的许可温度环境中，将已预热和校准好的热球风速仪测杆由带水平气泡的三角架子固定于特制推车上，推车中间有洞，悬挂铅垂,在地面的送风装置正投影处绘有网格，测点为网格正中引至送风装置出风口50mm处，将球型探头正对气流方向，测杆、热球水平方置，并使测杆的红点测试标记向上。风速可由显示部分的指针读出。

由表4-1得知，和未装匀流板相比，送风乱流度降低了25%左右。

5 结语

①从测试和数值模拟的情况看，两者显示了高度的一致性，即随着风量的增大，气流的均匀度有改善的趋势；如果在送风装置中加装匀流板，将显著提高出风面的气流均匀程度。

②数学模型的建立，为对阻漏送风装置及相关的手术室等洁净室的气流特性研究提供了有力的工具，并对相关产品的开发、设计具有重要的指导作用，将来可结合实验，进行进一步的深入研究。

③阻漏送风装置的出风均匀性良好，与一般静压箱装置相比，更能在节约风量的前提下达成满意的匀流效果。

④在实际测试中发现，对阻漏送风装置而言，出风面的风速在0.45m/s时，乱流度最低，气流的均匀性最好，而这样的风速恰好能在工作面造成满足规范要求的局部百级。此时送风口的风速约为4.7m/s。当送风量加大时，出风的均匀性反而下降了。显然，送风口的风速不宜大于5m/s。

⑤为了提高阻漏送风装置的送风面均匀性，还要求阻漏层的材料均匀，阻力一致；装置进风风速适宜，使进风口不要过于接近出风面，以减少诱导气流对出风均匀性的影响。