通仓手术室气流组织特性与颗粒物扩散数值模拟研究

赵福云,文雅冰,黄志荣

(湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲，412007)

随着医疗技术的进步，通仓手术室内的空气流动与污染物扩散问题越来越受到关注[1]。通仓手术室具有复杂的内部结构[2]。之前的研究均是基于具有理想化几何形状的通仓手术室模型[3]。在具有理想化的三维几何图形中，影响室内通风的影响参数包括换气次数[4]，风口的大小和布置[5-6]以及回风比[7]等。BABB等[8]证实了在一个大型手术室同时进行4次骨科手术的可行性。JIANG等[9]采用数值方法对通仓手术室3种实体模型的速度场、浓度场进行了模拟研究，并对其进行了评估。严建敏等[10]进行了CFD模拟。本文采用计算流体力学的方法，重点讨论了上下回风比对10 000级通仓手术室内气流特性、通风状况和颗粒物浓度变化及扩散轨迹的影响。

1.1 物理模型

为研究通仓手术室室内气流分布轨迹，建立手术室模型见图1。由于房间的对称性，选取房间一半为计算区域，在图中只显示一半数量的风口。房间模型的整体尺寸为22.8 m×7.8 m×3.0 m，选取房间一半为计算区域，尺寸为11.4 m×7.8 m×3.00 m，本文对模型的描述均默认为是房间整体的一半区域。房间内设有6个尺寸为0.4 m×0.3 m×1.75 m的长方体模拟医生热源，2个尺寸为0.4 m×0.3 m×1.75 m的长方体模拟人体，同时设有2张尺寸为0.6 m×2 m×0.2 m的长方体模拟床板，并设有2个尺寸为0.4 m×0.4 m×0.5 m的床板支架，送风口的尺寸为2.6 m×2.4 m，上回风口的尺寸为0.25 m×2 m，下回风口的尺寸为1 m×0.4 m，排风口的尺寸为0.25 m×0.25 m。根据通仓手术室内的不同上下回风比τ，本文共设置了5种不同的工况，分别是上下回风比τ=2∶6、τ=5∶3、τ=4∶4、τ=3∶5和τ=6∶2。

1.2 数学模型

本文数值模拟均采用商业软件Fluent进行计算，采用基于压力的隐式格式的求解器，运用SIMPLE算法求解压力速度耦合，离散格式均采用二阶迎风格式。采用RNGk-ε湍流模型来求解三维稳态下的流场。采用离散随机游走(discrete random walk,DRW)模型模拟湍流诱导的颗粒扩散。控制方程如下所示：

式中：ρ为空气密度，kg/m3；
v为空气速度，m/s；
φ为输送量；
Γφ为φ的(有效)扩散系数，m3/s；
Sφ为源项，m2/s2。

式中：ρP和ρ分别为粒子和空气的密度，kg/m3；
u和uP分别为空气和粒子的速度，m/s；
g为重力加速度，m/s2；
FD为弛豫时间的倒数，1/s；
Fa为升力与布朗力的附加项，N。

1.3 边界条件

为研究不同因素对通仓手术室内流场和浓度场的影响，选用Boussinesq假设，每个送风口的送风量为9 000 m3/h，所有风口均选用Velocity-inlet边界，设壁面绝热，医生和患者热流密度为30 W/m2，房间送风温度22 ℃，房间初始温度26 ℃。假设房间内的6位医生，在其高度1.6 m有个锥形喷射源，用以模拟人的口部咳嗽喷出的颗粒。喷射源半径0.011 m，初始速度10 m/s，温度37 ℃，喷射量1×10-10kg/s，颗粒直径2 μm，颗粒自身密度为1 000 kg/m3。

2.1 模型验证

根据MOUREH等[11]建立的室内通风模型来进行模型可行性验证，见图2。该模型的室内通风方式为典型的同侧上送下回系统，其尺寸为13.3 m×2.46 m×2.5 m。选取进风口中心水平高度处的水平速度和距离送风口1 m处的垂直速度作为比较对象，对比结果见图3。

从图3可以看出，数值模拟的垂直速度与实验值吻合较好。在水平距离0～6 m范围内，数值模拟的水平速度与实验值吻合较好，但在水平距离6～13.3 m范围内，数值结果要高于实验值，这说明RNGk-ε湍流模型在预测壁面射流衰减时，会高估末端射流的速度值。其次，数值模拟的垂直速度与实验值吻合较好。总体上，数值结果可以较好地预测气流速度的变化趋势，两者之间的相对误差低于10%，较好地保证了数值方法的可靠性与准确性。

图3 数值模拟与实验值的对比

2.2 气流组织分布

图4为X=2.7 m处的速度分布。由图4可知，手术室内的气流在垂直方向上主要为环形状，送风气流可以完全覆盖整个手术台区域。此外，气流主要从手术台区域向周边区域流动，靠近手术台区域的气流速度要明显大于其余区域。随着上回风比例增大，靠近上回风口处空气路径越短，并且手术室下部向上的空气流速越大，导致洁净气流的覆盖区域减小和下送距离缩短，不利于手术台区域的洁净要求。此外，通仓手术室内的气流在上部回风口的引导下，容易在对称面上形成方向垂直向上的“气流屏障”，有利于阻隔两侧气流的相互流通。图5为不同上下回风比时送风中心截面区域的气流分布。由图5可知，在手术区域的气流方向保持了垂直向下的趋势，随着气流逐渐远离送风口且遇到人体和手术床的阻碍时，气流从人体上方略向人体四周偏转，在手术台高度处开始发生速度衰减。此外，两台手术的送风都完全覆盖了手术床和医护人员，使两个手术区的气流互不影响，避免交叉感染。

图4 手术室内X=2.7 m处的速度分布

图5 手术室内Y=3.9 m处的速度分布

2.3 通风状况分析

不同上下回风比时通仓手术室内的总体平均空气龄见图6。可以看出，随着上回风比例的增加，通仓手术室内的总体平均空气龄逐渐降低。表明增加上回风量且降低下回风量时可以增强室内的气流流动，从而可以促进通仓手术室内的通风换气。说明上回风比例越大时，室内的通风状况越好，这可能是由于通仓手术室内气流组织决定的。本文采用的是顶送上下回风结合的送回风方式，洁净气流从顶部送风口送入后，逐渐分为两个部分分别流向上下回风口。当上部回风比例越大时，部分气流到达上部回风口的路径较短，且由于没有热源及固体物的阻挡，气流可由回风口有序排出，故通仓手术室内空气龄越低。但下部回风比例越大时，存在人员障碍物，气流无法有序排出，因此，通仓手术室内的空气龄也较大。

图6 不同上下回风比时室内的总体平均空气龄

对于手术洁净室而言，主要目的是降低手术区域的感染率，因此在评估室内整体通风状况的同时，还需要重点关注局部区域的通风状况。本文还重点关注了单台手术区域包含患者头部和3个医务人员在内的某典型区域内(1.4 m×1.1 m×2 m)的平均空气龄。图7显示了不同上下回风比时手术台附近局部区域的平均空气龄。由图7可知，不同上下回风比时的局部平均空气龄差异显著，其中，在上下回风比τ= 5∶3时，局部平均空气龄最大，说明在这上下回风比下不利于手术区域的通风。此外，在上下回风比τ=2∶6、τ=4∶4和τ=6∶2时，局部平均空气龄差异较小，局部通风状况相似。

图7 不同上下回风比时室内的局部平均空气龄

2.4 污染物浓度比较

图8显示了不同上下回风比时室内的总体平均污染物浓度变化。由图8可知，不同上下回风比时的室内总体平均污染物浓度差异显著。其中，当上下回风比τ=2∶6和τ=6∶2时，通仓手术室内有较高的总体平均污染物浓度。这可能是因为τ=2∶6时，下回风比例较大，洁净气流能更多地覆盖到手术区，但由于室内手术床及医护人员对气流的阻碍，洁净气流的扰动更加剧烈，通仓手术室内的总体平均污染物浓度偏高，不利于污染物的去除。τ=6∶2时，上回风比例较大，靠近上回风口处空气路径较短，并且手术室下部向上逆流的空气流速较大，室内污染物随气流运动时，受到的重力和与向上的气流速度相互“抑制”，污染物在室内滞留且出现较高浓度。此外，当上下回风比τ=3∶5时，通仓手术室内的总体平均污染物浓度最低，这表明此上下回风比时，有利于降低室内总体平均污染物浓度。

不同上下回风比时室内的局部平均污染物浓度变化见图9。不同上下回风比时的局部平均污染物浓度差异较大。当上下回风比τ=5∶3时，局部平均污染物浓度最大，这因为在这种上下回风比时，手术台局部区域的局部空气龄较大，不利于区域内污染物的稀释与扩散。当上下回风比τ=5∶3时，局部平均污染物浓度最小，这与室内平均污染物浓度相应。

2.5 颗粒物运动轨迹

图10为上下回风比τ=3∶5通仓手术室内的2、4、6、8、10 s时的气溶胶颗粒运动分布。可以看出，当颗粒喷出2 s时，颗粒随送风气流向下运动，扩散不强，粒子暂未向周围偏转。4 s时，颗粒继续随送风气流向下运动，并开始向周围偏转，但偏转角度不大，扩散略微增强。随后6 s时，由于送风气流在下送到一定高度后遇到手术床和人体后发生偏转，颗粒随送风气流开始向周围扩散，但大部分颗粒仍在手术区附近。由于顶部有回风，气流略有向上运动，因此6 s时颗粒受向上气流影响轻微上浮。8 s时，大部分颗粒已离开手术区，随气流流向下回风口。10 s时气流到达下回风口并排除室外。

图10 不同时刻气溶胶颗粒物轨迹分布

本文在通仓手术室模型的基础上，通过数值模拟方法研究了不同上下回风比对通仓手术室内的气流分布污染物运动轨迹的影响，得到如下结论：

1)在不同模拟工况下，通仓手术室内的单向送风气流均会垂直向下运动，有利于保证两个手术区的气流不会相互影响。随着上回风比例的增大，洁净气流的覆盖区域减小和下送距离缩短，不利于保证手术台区域的洁净要求。

2)对于手术室内的总体通风性能，增大上下回风比时可以降低室内总体平均空气龄，促进通仓手术室内的整体通风换气；
而对于手术室内的局部通风性能，在上下回风比τ=5∶3时，局部平均空气龄最大。

3)当上下回风比τ=3∶5，通仓手术室内的总体平均污染物浓度和局部平均污染物浓度都是最低的，此上下回风比时有利于污染物的稀释扩散。随时间增长，其扩散能力逐渐增强。当t=10 s时，通仓手术室内所散发的气溶胶颗粒基本到达下回风口并排除室外。

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