应用数值模拟方法研究手术室应用数值模拟方法研究手术室应用数值模拟方法研究手术室应用数值模拟方法研究手术室

的气流组织和污染物浓度分布的气流组织和污染物浓度分布的气流组织和污染物浓度分布的气流组织和污染物浓度分布

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报告报告报告报告：：：：王小亮王小亮王小亮王小亮报告报告报告报告：：：：王小亮王小亮王小亮王小亮

指导指导指导指导：：：：李先庭李先庭李先庭李先庭指导指导指导指导：：：：李先庭李先庭李先庭李先庭

许为全许为全许为全许为全许为全许为全许为全许为全

杨建荣杨建荣杨建荣杨建荣杨建荣杨建荣杨建荣杨建荣

报告内容报告内容

一、一、课题背景课题背景

二、毕业设计任务二、毕业设计任务

• 洁净室污染物源的特性调查• 洁净度等级计算程序的编写• 各种洁净手术室的模拟计算与分析

三、三、分析与结论分析与结论

四、四、将来可做工作将来可做工作

1、手术室洁净的必要性

术后感染率和空气中的悬浮菌含量的关系

2、手术室净化空调系统的任务

!空气的净化和除菌，降低术后感染率；

!控制各区域的气流和流速；

!保证不同区域之间合理的气流流向和压力梯度；

!保证医疗上必要的温度和湿度；

!及时快速地排除废气和有害气体

33、、洁净手术室的气流组织类型

!乱流

!平行流

• 水平平行流• 垂直平行流

!局部平行流

44、、洁净手术室的研究方法

!实验或现场实测

• 投资大，周期长，可靠性低!数值模拟

• 投资少，周期快，灵活性强

5、洁净室设计与评价中待商榷的问题

!集总参数和分布参数的设计评价思想

!空态或动态的设计评价方法

!洁净手术室的节能潜力

洁净室污染物源的特性调查

通过对现有各种资料的调查统计，已写成

调查报告——《洁净室尘源特性资料汇总》

文中列举了各种尘源的产尘特性，洁净

室设计时的参数选择，微粒的运动特性以及各种洁净等级标准。

洁净度等级计算程序简介（“Particle”）

!!使用方法：使用方法：在用STACH-3完成速度场和浓度场的计算后，如果要计算室内的浓度场和洁净度等级分布情况，只要在DOS 环境下键入“Particle”回车，再按提示输入各参数。

!!功能：功能：从STACH-3计算结果中摘取浓度值，计算各点洁净度等级值，输出用户指定截面和指

定区域的浓度值和洁净度等级值，可以和ORIGIN等软件连接画图。

各种手术室的模拟与分析

!模拟所用的物理模型

!乱流洁净室气流组织和洁净度分布模拟

!单向流洁净室的气流组织和洁净度分布模拟

!单向流洁净室内障碍物影响的数值模拟

!局部层流装置净化效果模拟

模拟所用的物理模型

手术室平面

ÊÖÊõÌ ¨

5.0 m

4.0

m 手术台

人

对物理模型的简化对物理模型的简化

!人体简化为1.7m×0.3m×0.15m的长方体，发尘量取5×105 个/（人 · min），均匀分布在人体表面；

!假定散发微粒的尺寸为 0.5 µm≤d≤5 µm，看作跟空气具有同样运动特性的气体；

!送风的含尘浓度为0；!未考虑各种热源的热作用，并假设外壁绝热；

乱流洁净室模拟工况

送风口个数 换气次数245

15，20，30

乱流洁净室洁净度模拟结果

图 4－ 3 乱流洁净室洁净度和换气次数的关系

0

500

1000

1500

2000

15 20 30 换气次数（次 /h)

洁净度等级

2 inlet

4 inlet

5 inlet

两个送风口的速度场和浓度场两个送风口的速度场和浓度场

四个送风口的速度场和浓度场四个送风口的速度场和浓度场

五个送风口的速度场和浓度场五个送风口的速度场和浓度场

乱流洁净室模拟结果分析乱流洁净室模拟结果分析

!送回风形式相同，速度场和浓度场很相似，随着换气次数的增加，工作区的洁净度等级几乎成比例地提高

!送风口个数不同，排污效率有很打不同

!室内浓度分布不均匀，工作区小于回风口区

!顶送时，手术台下浓度很高，最好用帘布盖上。

单向流洁净室模拟工况

!水平单向流洁净室侧送侧回，送风墙满布高效过滤器，全墙面回风

!垂直单向流顶送南北墙侧下回

单向流模拟结果（单向流模拟结果（11））

流 速

（m/s） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

换气次数

（次/h） 72 144 216 288 360 432水平层流

工作区平

均洁净度565 283 188 141 113 94

换气次数

（次/h） 129 257 386 514 643 771垂直层流

工作区平

均洁净度165 82 54 41 33 27

单向流模拟结果（单向流模拟结果（22））

0

100

200

300

400

500

600

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

风速（m/s）

工作区洁净度

0

100

200

300

400

500

600

72 129 144 216 257 288 360 386 432 514 643 771

换气次数（次/h）

洁净度 水平层流

垂直层流

水平层流洁净室Y截面的速度场

水平层流Y截面的洁净度等级分布

垂直层流洁净室X截面速度

垂直层流X截面的洁净度等级分布

垂直层流Z截面的洁净度等级分布

单向流洁净室模拟结果分析单向流洁净室模拟结果分析

!工作区的含尘浓度随着v的增加逐渐下降。增加到一定的风速后，趋势不明显。

!相同风速或换气次数下，垂直层流的工作区洁净度高于水平层流。

!水平层流在送风速度为0.6m/s时才在工作区达到百级水平；而垂直层流在速度为0.2m/s时已达百级。

单向流洁净室内障碍物影响的数值模拟

!无影灯的影响

!人员布置的影响

无影灯影响的模拟

!无 影 灯 形 状 为 长 × 宽 × 高 ＝0.8m×0.8m×0.2m，下表面距离地面2m，只考虑了其形状对气流的影响，假定其发热为零。

!本文模拟了流速为0.3m/s的垂直层流和流速为0.4m/s的水平层流洁净室的工况

无影灯的影响模拟结果

垂直平行流 水平平行流

流 速(m/s)

工作区洁

净度流 速( m/s )

工作区洁

净度

无无影灯 0.3 54 0.4 141有无影灯 0.3 100 0.4 155

有无影灯的垂直层流速度场有无影灯的垂直层流速度场

无影灯影响模拟的结论无影灯影响模拟的结论

!!无影灯的影响垂直层流大于水平层流。无影灯的影响垂直层流大于水平层流。

!!若考虑热作用，影响更大。若考虑热作用，影响更大。

!!改进方法：流线型、吊顶嵌装、中间送改进方法：流线型、吊顶嵌装、中间送风等。风等。

人员布置影响的模拟工况

!水平层流洁净室内上风向站着一个人的情况，送风速度为0.6m/s。

!结果：上游有人时，工作区的污染物浓度为268粒/ft3；上游无人时，工作区的污染物浓度为94粒/ft3

局部层流装置净化效果模拟

!原理：主流区概念的应用

!类型：部分围挡壁、气幕洁净棚等

!工况：部分围挡壁，送风口尺寸为3m×2m，围挡自顶棚下垂0.4m

三区不均匀分布模型图

全室层流和局部层流的比较全室层流和局部层流的比较

流速 换气次数 工作区洁净度

全室层流 0.1 129 165全室层流 0.2 257 82无围挡 0.2 77 112有围挡 0.2 77 89

局部层流模拟结论局部层流模拟结论

!局部层流可以在节省能量的同时达到较好的净化效果

!有围挡壁时的净化效果要明显好于没有时

结论（一）结论（一）

!!保证工作区的洁净度，使其处于主流区，保证工作区的洁净度，使其处于主流区，有很大的节能潜力；有很大的节能潜力；

!!气流组织对于保证洁净度，节能很重要；气流组织对于保证洁净度，节能很重要；

!! CFDCFD模拟的优越性省时省力省投资，可以模拟的优越性省时省力省投资，可以

预测和评估动态工况；预测和评估动态工况；

!!层流洁净室无必要一味增大风速；层流洁净室无必要一味增大风速；

结论（二）结论（二）

!!手术室内障碍物的影响不可忽略；手术室内障碍物的影响不可忽略；

!!局部层流洁净室在省能的同时可以达到局部层流洁净室在省能的同时可以达到较高的洁净度等级；较高的洁净度等级；

!! STACHSTACH--33具有较高的可行性和可靠性，有具有较高的可行性和可靠性，有

些细节还要完善。些细节还要完善。

Furture Furture WorkWork

!!乱流洁净室的侧送工况乱流洁净室的侧送工况

!!室内各种热源（人、灯）的影响室内各种热源（人、灯）的影响

!!辐流洁净室的净化和节能效果辐流洁净室的净化和节能效果

!!自净时间、空气年龄和非稳态工况的研自净时间、空气年龄和非稳态工况的研究究

!!满足一定洁净度、自净时间、污染半径满足一定洁净度、自净时间、污染半径要求的流速下限确定。要求的流速下限确定。

鸣谢：鸣谢：

!!李先庭老师，杨建荣博士的李先庭老师，杨建荣博士的悉心指导！悉心指导！

!!赵彬和李莹学长的热心帮助！赵彬和李莹学长的热心帮助！

!!其他有关老师和同学的理解和支持！其他有关老师和同学的理解和支持！