【摘要】對(duì)《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中 I 級(jí)潔凈手術(shù)室的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)中的部分技術(shù)參數(shù)范圍 ( 主要針對(duì)靜態(tài)手術(shù)室 ) 在動(dòng)態(tài)時(shí)是合適的，并具有可操作性。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定 I 級(jí)潔凈手術(shù)室用局部送風(fēng)代替全室單向氣流組織形式，既保證了關(guān)鍵區(qū)域的凈化要求，又大大降低了潔凈手術(shù)室的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用，符合我國(guó)的國(guó)情。 

　引言 

　　空調(diào)設(shè)計(jì)的最終目的是以經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型實(shí)現(xiàn)所要求的室內(nèi)氣候環(huán)境 ( 溫濕度、氣流、污染物質(zhì)濃度等的分布 ) 。實(shí)現(xiàn)對(duì)這些環(huán)境參數(shù)的合理控制，有必要在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)前，對(duì)上述室內(nèi)氣候環(huán)境參數(shù)的分布情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，把握不同系統(tǒng)的分布特征。 
　　在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于送風(fēng)口、回風(fēng)口以及室內(nèi)熱源等因素的影響，室內(nèi)三維流場(chǎng)、速度場(chǎng)難以進(jìn)行精確計(jì)算。模型實(shí)驗(yàn)雖然可靠，但是試驗(yàn)周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴，較難在工程中使用。對(duì)這樣的非線性問題，計(jì)算流體力學(xué) (CFD)Computational Fluid Dynamics) 方法顯示了其獨(dú)特的優(yōu)越性能，利用 CFD 技術(shù)，快速，廉價(jià)，又可有效地了解室內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的分布特征，為合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型提供有益的參考資料。目前，國(guó)外許多設(shè)計(jì)所和建設(shè)單位都已經(jīng)將 CFD 模擬技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)中，尤其是對(duì)影劇院及建筑中廳等太空間的設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)。 
　　對(duì)于計(jì)算流體力學(xué)，簡(jiǎn)單地說就是對(duì)描述流體物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)方程式 ( 運(yùn)動(dòng)方程、質(zhì)量守恒、能量守恒等聯(lián)立偏微分方程 ) 作離散化處理，進(jìn)行數(shù)值模擬。離散化的對(duì)象是作為獨(dú)立變量的時(shí)間與空間變量，求出其對(duì)應(yīng)的速度、溫度、濃度、壓力等參數(shù)。其中離散化處理 ( 時(shí)間、空間的分割 ) 直接與計(jì)算機(jī)的能力 ( 計(jì)算速度、內(nèi)存容量 ) 相關(guān)。分割越細(xì)，對(duì)計(jì)算機(jī)的能力要求就越高 ( 模擬精度也就相對(duì)高 ) 。下面運(yùn)用 CFD 對(duì) I 級(jí)潔凈手術(shù)室的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。 
　　1. 模擬算例背景 
　　本文模擬的手術(shù)室是按照 2000 年 10 月頒布的《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》 ( 以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn) ) 的規(guī)定設(shè)計(jì)的 I 級(jí)潔凈手術(shù)室。整個(gè)模型按照標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn) [1] 手術(shù)室典型配置的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵部位的保護(hù)意識(shí)，將最潔凈的空氣送到關(guān)鍵部位。根據(jù)我國(guó)的科研成果和運(yùn)行實(shí)踐，標(biāo)準(zhǔn)提出了利用主流區(qū)作工作區(qū)的技術(shù)思路，將送風(fēng)口直接布置在手術(shù)床上方，采用月Ⅻ集中送風(fēng)方式，用潔凈氣流有效保護(hù)關(guān)鍵區(qū)域。為此，標(biāo)準(zhǔn)將手術(shù)室分為手術(shù)區(qū)和周邊區(qū)，分別給出指標(biāo)，手術(shù)區(qū)范圍的劃分取決于手術(shù)室級(jí)別要求，本文模擬的 I 級(jí)潔凈手術(shù)室，按標(biāo)準(zhǔn)要求，送風(fēng)口面積為 2．4x2．6=6．24m 2 。本例采用手術(shù)室吊頂送風(fēng)，直接將潔凈氣流“填充”的關(guān)鍵區(qū)域，切斷空氣污染的途徑，這樣便大大降低了手術(shù)室的送風(fēng)量。 
　　標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開始實(shí)施，但許多人對(duì)手術(shù)室內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況還不是很清晰，并擔(dān)心將凈化所需的大風(fēng)量集中送到關(guān)鍵區(qū)域，是否會(huì)對(duì)處于主流區(qū)的人員 ( 如醫(yī)生和手術(shù)臺(tái)上的病人 ) 的熱舒適性產(chǎn)生負(fù)面影響 [2] ；主流區(qū)的氣流能否保證在動(dòng)態(tài)時(shí)不會(huì)對(duì)醫(yī)護(hù)人員產(chǎn)生吹風(fēng)感。針對(duì)以上情況，本文對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況下的標(biāo)準(zhǔn) I 級(jí)潔凈手術(shù)室的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。 
　　2. 幾何模型 
　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工作區(qū)高度 ( 空態(tài)時(shí)離地面 0.8m 處 ) 的風(fēng)速應(yīng)控制在 0.25 米— 0．30 米范圍內(nèi)，因此集中送風(fēng)口處送風(fēng)速度為 0．46m/s [4l ，送風(fēng)量為 10300m 3/h ，約 72 次換氣，而以前遵照工業(yè)潔凈室設(shè)計(jì)思路的百級(jí)手術(shù)室需要幾百次換氣。本文通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行的手術(shù)室的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真產(chǎn)擬，分析動(dòng)態(tài)手術(shù)室的氣流控制結(jié)果。其幾何模型如圖 1 所示。房間尺寸 XxYxZ=8x3x6m ；送風(fēng)口 2．6x2．4m ；兩側(cè)下回風(fēng)，回風(fēng)口 4．0x0.3m ，底邊離地 0.1m ；排風(fēng)口 0．4x0.4m ：人模型 0．4x0.2mxl．7m ；醫(yī)用設(shè)備 0．4x0.6x0.8m ；手術(shù)臺(tái) 1．8X0．6X0．8m  
　　 
　　1 送風(fēng)口 2 醫(yī)用燈帶 3 回風(fēng)口 4 排風(fēng)口 5 醫(yī)用設(shè)備 6 手術(shù)床 7 醫(yī)護(hù)人員 8 病人 
　　圖 1 模擬手術(shù)室?guī)缀文Ｐ?nbsp;
　　3. 數(shù)學(xué)模型的選擇 
　　本文采用 RNG k- §模型，它是在標(biāo)準(zhǔn) k —§模型的基礎(chǔ)上重新組合紊流生成源項(xiàng)而形成的。 
　　標(biāo)準(zhǔn) k —§模型是建立在半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，模型輸運(yùn)方程組源于計(jì)算紊流動(dòng)能 (k) 及其耗散率 ( § ) 。模型中計(jì)算 k 的輸運(yùn)方程源于精確方程，而模型中計(jì)算§的輸運(yùn)方程則由一定的物理含義而在數(shù)學(xué)上卻沒有精確的定義。 
　　k- §模型應(yīng)用的假定條件為：假設(shè)流動(dòng)是充分發(fā)展的紊流，且分子粘性的影響可以忽略。標(biāo)準(zhǔn) k —§模型僅對(duì)充分發(fā)展的紊流流動(dòng)計(jì)算有效。 
　　紊流動(dòng)能 k 及其耗散率§可以從下面的輸運(yùn)方程組得到： 
 式中， Gk ——由平均速度梯度引起的紊流動(dòng)能，可用宋計(jì)算 k-s 模型中紊流生成量的模數(shù)化； 
　　Gb ——由于浮升力引起的紊流動(dòng)能； 
　　YM-- 表示在可壓縮流體紊流中擾動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)，可以用來計(jì)算 k — s 模型中可壓縮性對(duì)紊流的影響： 
　　µl ——為紊流粘性系數(shù)，可由 k 和計(jì)算 
　　模型常數(shù)取如下默認(rèn)值： 
　　G1s=1．44 ， G2 =1．92 ， GP = 0．99