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有效的氣流組織是醫(yī)院潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。文章以RNG K-ε中合彼此程實(shí)體模型為基本, 選用CFD 技術(shù)性, 創(chuàng)建了相對的物理化學(xué)和數(shù)學(xué)分析模型, 對中送――相對性一側(cè)墻底端送風(fēng)潔凈手術(shù)室內(nèi)速率場開展了有限元分析, 獲得了潔凈手術(shù)室內(nèi)工作臺面三維速率場與二維勢流的遍布。
潔凈手術(shù)室的中央空調(diào)設(shè)計(jì)最后目標(biāo)是以經(jīng)濟(jì)發(fā)展有效的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和合理性的氣流組織, 保持手術(shù)治療室內(nèi)氣候自然環(huán)境(溫濕度記錄、氣旋及污染物質(zhì)濃度值等的遍布), 并去除空氣中的浮塵、微生物菌種和有害物質(zhì)[ 1 , 2] 。為完成對這種環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的有效操縱, 必須選用CFD 技術(shù)性對房間內(nèi)氣流組織, 開展三維剖析科學(xué)研究。伴隨著電子信息技術(shù)、流體動力學(xué)的發(fā)展趨勢, 測算流體動力學(xué)(Computa tional Fluid Dy namics , 通稱CFD)早已廣泛運(yùn)用于熱量驅(qū)動力、土木工程水利工程、自然環(huán)境化工廠、通風(fēng)空調(diào)及空氣過濾等眾多工程項(xiàng)目行業(yè)[ 3 -5] 。
1 數(shù)學(xué)課概念模型
1. 1 物理模型
千級潔凈手術(shù)室歸屬于非單方面流凈化室, 其基本工作原理是利用安排在診室頂篷的清潔排風(fēng)模塊, 往下吹出清潔氣旋, 運(yùn)用清潔的氣旋稀釋液診室含有塵濃度值較高的氣體, 將相等的氣體從回風(fēng)管道排出來。排風(fēng)模塊下的手術(shù)臺上及附近地區(qū)處在潔
凈氣旋的流行區(qū), 潔凈度等級最大, 而且維持部分單邊流[ 6] 。潔凈手術(shù)室總面積(8 ×4)m2 , 裝修吊頂下相對高度3 m , 清潔級別為千級。中央空調(diào)氣流組織方式為頂排風(fēng)一側(cè)下次風(fēng), 送風(fēng)口尺寸為2 m ×1. 2 m , 集中化布局于手術(shù)臺方?；仫L(fēng)管道為4 個(gè), 規(guī)格為
0. 8 m ×0. 3 m ?；仫L(fēng)管道下沿間距路面0. 1 m , 持續(xù)布局, 手術(shù)臺上為1. 8 m ×0. 6 m ×0. 8 m 。
1. 2 創(chuàng)建數(shù)學(xué)分析模型
1. 2. 1 操縱方程式
潔凈手術(shù)室內(nèi)的氣體流動性通常處在穩(wěn)定的紊流流動性, 可以用不能縮減液體的粘性流動性操縱線性微分方程來敘述。通風(fēng)空調(diào)行業(yè)CFD 有限元分析常見K-ε兩方程式實(shí)體模型, 在其中K 為湍流動能, ε為湍流耗散率。文中選用RNG K-ε彼此程實(shí)體模型, 它是對規(guī)范K-ε彼此程實(shí)體模型的改善。為簡單化測算, 對RNG K-ε彼此程實(shí)體模型作如下所示假定:
(1) 氣旋流動性為穩(wěn)定中合流動性。
(2) 因?yàn)樗接懙臐崈羰中g(shù)室內(nèi)空氣流速不大, 橫斷面風(fēng)力低于0. 5 m / s , 因此視診室內(nèi)汽體為不能縮小流動性, 且合乎Boussinesq假定[ 7] , 即覺得流體密度轉(zhuǎn)變僅對浮升力造成危害。
(3) 房間內(nèi)汽體歸屬于非牛頓液體, 作定常流動。
(4) 不考慮到透風(fēng)的危害, 即覺得潔凈手術(shù)室內(nèi)密封性優(yōu)良。規(guī)范K-ε實(shí)體模型中, 湍流動能K 以及損耗率ε是未知量, 可從下邊的輸運(yùn)方程的解獲得
在RNG K-ε實(shí)體模型輸運(yùn)方程式中, 從操縱方程式中除去小尺寸的健身運(yùn)動, 獲得的實(shí)體模型輸運(yùn)方程式與規(guī)范K-ε實(shí)體模型輸運(yùn)方程式有差不多的方式[8] , 即
在其中
RNG K-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型相比, 針對近壁拐角處流動性特點(diǎn)的敘述比標(biāo)準(zhǔn)模型更細(xì)膩精準(zhǔn), 可以盡快解決高應(yīng)變率及流線型彎折水平比較大的流動性[8] 。因而, 更合適模擬手術(shù)房間內(nèi)這類高流阻的情況。
1. 2. 2 測算地區(qū)與初始條件
(1) 正壓送風(fēng)口界限。假定入流速率在通道表面是聯(lián)合分布的。在此次仿真模擬中, 因?yàn)樵\室在幾何圖形上的構(gòu)造, 徑向速度vx =vy =0 , 僅有反向速率存有。反向速率vz 為
vz =ACH V/3600S
在其中, ACH 為診室換風(fēng)次數(shù)(次/h);V 為診室容積(m3 );S 為正壓送風(fēng)口總面積(m2 )。速度方向豎直往下, T =295 K 。
(2) 回風(fēng)管道界限?；仫L(fēng)管道為4 個(gè)的正方形口,假定每一個(gè)回風(fēng)管道的回排風(fēng)量占總回風(fēng)量的25 %, 回風(fēng)管道達(dá)到充足發(fā)展趨勢段流場出入口模型。
(3) 邊界層界限。針對固定不動邊界層界限, 因?yàn)檫吔鐚拥墓π? 在離邊界層非常近的范圍內(nèi)中合的脈沖危害比不上分子結(jié)構(gòu)粘性力起關(guān)鍵功效, 因此用邊界層函數(shù)公式法[7] 解決近壁地區(qū)內(nèi)的流場。
1. 2. 3 網(wǎng)格圖轉(zhuǎn)化成
因?yàn)楠?dú)立創(chuàng)建了附面層的數(shù)學(xué)課模型, 在Fluent的前圖像處理軟件(gambi t)中對模型開展網(wǎng)格劃分, 選用了勻稱區(qū)劃網(wǎng)格圖的方式, 操縱體為非構(gòu)造正四面體, 周長0. 15 m , 本次仿真模擬共轉(zhuǎn)化成22789個(gè)連接點(diǎn), 114 416 個(gè)網(wǎng)格圖。
2 工作臺面速率數(shù)值與剖析
2. 1 不一樣排風(fēng)速率下的工作臺面速率遍布
仿真模擬的凈化手術(shù)室內(nèi)手術(shù)臺上相對高度0. 8 m , 手術(shù)臺上以上的身體創(chuàng)口相對高度為0. 3 m , 因此工作臺面相對高度設(shè)置為間距路面1. 1 m , 坐落于xoy平面圖, 工作臺面總面積為(1. 8 ×0. 6) m2 。為獲取更確切的工作臺面風(fēng)力值, 將工作臺面勻稱區(qū)劃為(0. 15 ×0. 15) m2的地區(qū), 測速點(diǎn)為各區(qū)域連接點(diǎn), 一共有65(13 ×5)個(gè)測量點(diǎn), 如下圖1 所顯示。
依據(jù)創(chuàng)建的診室模型, 各自數(shù)值模擬了15 次/h 、20 次/h 、25 次/h 、30 次/h 、35 次/h 、40 次/h 、45 次/h 、50 次/h 不一樣換風(fēng)次數(shù)下空態(tài)工作臺面的風(fēng)力。運(yùn)用Fluent 的后處理工藝作用得到工作臺面的風(fēng)力, 將所獲各測試用例風(fēng)力值由MA TLAB手機(jī)軟件開展三維可視化解決, 使工作臺面速率場更為品牌形象形象化。
因?yàn)?5 ～ 50 次/h 不一樣換風(fēng)次數(shù)下工作臺面風(fēng)力三維布局圖樣子基本一致, 僅列舉50 次/h 、35 次/h 、15 次/h 換風(fēng)次數(shù)下工作臺面風(fēng)力三維布局圖, 如下圖2 所顯示。圖上W 、L 各自表明工作面寬度、長短;v 表明工作臺面風(fēng)力。
圖2 工作臺面風(fēng)力三維布局圖
從圖2a ～ 圖2c 可以看得出, 不一樣換風(fēng)次數(shù)下,工作臺面的速率場均展現(xiàn)四周風(fēng)力高過工作臺面核心地區(qū)風(fēng)力, 成“桶狀” 。速率場四周呈“鋸齒形”遍布, 表明工作臺面邊沿風(fēng)力遍布不勻稱, 仿真模擬的凈化手術(shù)室歸屬于漩渦凈化室。假如工作臺面速率場的劃分不勻稱, 風(fēng)力極值點(diǎn)與極小值中間相距比較大,會導(dǎo)致工作臺面有顯著漩渦。因而, 必須測算工作臺面的速率場的漩渦度β, 亂流度β 越小則表明速率遍布愈勻稱。綜合性有限元分析結(jié)果, 其工作臺面風(fēng)力及漩渦度與不一樣換風(fēng)次數(shù)下相應(yīng)的排風(fēng)速率關(guān)聯(lián)如下圖3 所顯示, 圖3 中v送、v工各自表明排風(fēng)速率和工作臺面的風(fēng)力。
從圖3a 、3b 可以看得出, 伴隨著換風(fēng)次數(shù)的擴(kuò)大,工作臺面風(fēng)力的極值點(diǎn)與極小值之差也隨著擴(kuò)大,從0. 04 m / s 提升到0. 14 m / s 。15次/h 、20 次/h換風(fēng)次數(shù)下的漩渦度β 分別是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的換風(fēng)次數(shù)漩渦度β 基本上維持在0. 1 上下。15 次/h、20 次/h 換風(fēng)次數(shù)下的排風(fēng)速率較小, 僅有0. 17 ～ 0. 22 m / s , 氣體流動性動量矩較小, 速率損耗加速, 導(dǎo)致漩渦度β 高過別的換風(fēng)次數(shù)下的漩渦度。因而, 強(qiáng)烈推薦25 次/h 換風(fēng)次數(shù)做為該類凈化手術(shù)室的最少換風(fēng)次數(shù)。
2. 2 工作臺面橫斷面勢流剖析
Fluent 的后處理工藝作用可以將仿真模擬結(jié)果以矢量圖片、流線型圖、等值線圖等方式輸出。在研究了工作臺面的三維速率場遍布后, 必須進(jìn)一步剖析工作臺面所屬的橫斷面的勢流, 選擇具備象征的x =0 ,y-z 橫斷面的勢流開展剖析。因?yàn)?5 ～ 50 次/h 不一樣換風(fēng)次數(shù)下橫斷面勢流速率矢量圖片樣子基本一致, 僅限于篇數(shù), 僅列舉50 次/h 、35 次/h 、15 次/h換風(fēng)次數(shù)下橫斷面速率矢量圖片, 如下圖4 所顯示。
對圖4a ～ 圖4c 剖析, 可以看得出:
(1) 全部橫斷面勢流的遍布呈流行區(qū)、渦旋區(qū)和回風(fēng)管道區(qū)遍布。從正壓送風(fēng)口豎直往下送出去的氣旋在手術(shù)臺方基本上維持豎直往下的流線型, 使工作臺面處在流行區(qū)的保障下。沿排風(fēng)模塊核心中心線, 手術(shù)臺方地區(qū)勢流呈對稱性遍布。因?yàn)槭侵兴通D――相對性一側(cè)墻底端送風(fēng), 在手術(shù)臺上的上下兩邊地區(qū), 流線型產(chǎn)生比較大歪斜, 產(chǎn)生了三角形的渦旋區(qū), 在接近墻面地區(qū)的渦旋呈不對稱遍布。因?yàn)槭軌γ娴南薅? 勢流右上角產(chǎn)生受到限制水射流, 產(chǎn)生比較大的漩渦。旋渦直徑在0. 5 ～ 0. 7 m , 漩渦核心相對高度在2. 1 ～ 2. 3 m , 順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。在回風(fēng)管道周邊,流線型折射率轉(zhuǎn)變加重, 流動速度增加。
(2) 工作臺面上邊氣體流線型基本上維持豎直, 與水平方向的偏斜視角超過65°, 依照參考文獻(xiàn)[9] 的探究結(jié)果, 凈化室診室內(nèi)工作人員發(fā)生的細(xì)顆粒物不容易落在工作表面。在手術(shù)臺的邊緣, 因?yàn)槭中g(shù)臺的影響功效, 流線型產(chǎn)生比較大彎折。因而, 工作面的速率場在四周呈“鋸齒形”遍布。
(3) 回風(fēng)管道與正壓送風(fēng)口兩者之間的間距對凈化手術(shù)室氣旋流線型危害并不大。
3 結(jié) 論
測算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)性在通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域的運(yùn)用將更加廣, 變成清潔暖通設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目中不可缺少的設(shè)備之一。文中以根據(jù)RNG K-ε中合彼此程實(shí)體模型為基本, 根據(jù)有限元分析獲得千級凈化手術(shù)室工作面相對高度橫截面的三維速率場和二維房間內(nèi)勢流的遍布, 工作面勢流處在流行區(qū)且維持單邊流。有限元分析結(jié)果顯示:
(1) 換風(fēng)次數(shù)各自在15 ～ 25 次/h 、30 ～ 50次/h 中間, 工作面的均值風(fēng)力在0. 1 ～ 0. 16 m /s 、0. 20 ～ 0. 33 m /s 中間。
(2) 15 次/h 、20 次/h 換風(fēng)次數(shù)下工作面的漩渦度β 分別是0. 167 、0. 22 。25 次/h 以上的換風(fēng)次數(shù)漩渦度β在0. 1 上下, 因而提議25 次/h 換風(fēng)次數(shù)做為千級凈化手術(shù)室的最少換風(fēng)次數(shù)。
