負(fù)壓隔離病房通風(fēng)效果的數(shù)值模擬分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上負(fù)壓隔離病房通風(fēng)效果的數(shù)值模擬分析2002年底，一種新的致命性呼吸系統(tǒng)傳染病嚴(yán)重急性呼吸綜合癥（SARS）開始在中國(guó)以及周邊地區(qū)大規(guī)模爆發(fā)。2002年11月6日，首例病患在廣東省佛山市被發(fā)現(xiàn)，2003年2月11日，第一份關(guān)于疫情爆發(fā)的正式報(bào)告被提交到世界衛(wèi)生組織，此時(shí)，已有305人受到感染并導(dǎo)致5人死亡。截至2003年8月7日，短短6個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，疫情迅速擴(kuò)散到全球34個(gè)國(guó)家和地區(qū)，累計(jì)報(bào)告可能病例達(dá)8422例，導(dǎo)致916人死亡。同時(shí)，數(shù)以萬(wàn)計(jì)普通民眾的行動(dòng)自由受到限制，巨額的國(guó)際貿(mào)易被中止或取消，僅就遠(yuǎn)東地區(qū)而言，初步估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到300億美元【1】。疫情目前雖

2、已得到控制，但它給暖通空調(diào)專業(yè)帶來(lái)的挑戰(zhàn)和思考仍將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。例如，在我國(guó)，僅就天津市而言，醫(yī)護(hù)人員在確診SARS病患中所占的比例曾高達(dá)46,香港威爾士親王醫(yī)院在疫情初期的醫(yī)護(hù)人員在病患中所占比率也一度高達(dá)75。而整個(gè)疫情期間，醫(yī)護(hù)人員感染率（即受感染醫(yī)護(hù)人員占確診病例的比率），北京及香港地區(qū)都曾接近20，臺(tái)灣地區(qū)更是以30的醫(yī)護(hù)人員感染率達(dá)到“世界之冠”。這表明，目前病房?jī)?nèi)的氣流組織效果普遍不佳，根本無(wú)法迅速、有效的將被污染的空氣排除室外，保證醫(yī)護(hù)人員的安全。因此，針對(duì)由中國(guó)建筑科學(xué)研究院和廣東申菱公司共同參與開發(fā)的負(fù)壓隔離病房，我們主要利用CFD數(shù)值模擬作為研究手段，對(duì)病房?jī)?nèi)的通

3、風(fēng)效果進(jìn)行數(shù)值模擬以及優(yōu)化分析。并采用Momentum模型對(duì)復(fù)雜送風(fēng)散流器的在隔離病房?jī)?nèi)的應(yīng)用進(jìn)行CFD模擬以及評(píng)價(jià)。1、 負(fù)壓隔離病房幾何模型病房?jī)?nèi)部的實(shí)際幾何尺寸為4.5m×3.15m×2.7m，病房?jī)?nèi)備有病床一個(gè)（1.9m×0.9m），送風(fēng)口位于天花板（1m×0.32m），回風(fēng)口位于病床旁（0.5m×0.2m），根據(jù)送風(fēng)口位置的不同，共對(duì)三個(gè)送風(fēng)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，各方案中房間內(nèi)各物體的實(shí)際相對(duì)位置如圖1圖4所示：圖1、方案一的幾何模型圖2、方案二雙回風(fēng)口工況圖3、方案二單回風(fēng)口工況圖4、方案三幾何模型2、 邊界條件的確定2.1 夏季工

4、況：風(fēng)量：根據(jù)設(shè)計(jì)值，定為240m3/h，送風(fēng)溫度18壁面：無(wú)滑移、絕熱壁面。醫(yī)護(hù)人員模型：表面溫度37。病患模型：表面溫度37。病患呼吸量：8l/min，溫度32。2.2 冬季工況：風(fēng)量：根據(jù)設(shè)計(jì)值，定為240m3/h，送風(fēng)溫度25壁面：無(wú)滑移、表面溫度18。醫(yī)護(hù)人員模型：表面溫度37。病患模型：表面溫度37。病患呼吸量：8l/min，溫度32。3、 模擬計(jì)算本文采用混合迎風(fēng)差分格式對(duì)偏微分方程進(jìn)行離散，選用標(biāo)準(zhǔn)Ke雙方程以及KeRNG模型進(jìn)行模擬。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性分析，共生成網(wǎng)格43200個(gè)，利用SIMLEST算法進(jìn)行求解。4、 模擬結(jié)果5.1 夏季送風(fēng)工況通風(fēng)效果比較5.1.1 典型流線圖

5、比較 相比較于二維的流速矢量圖，三維的流線圖可以更為直觀的表現(xiàn)出流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)及氣流組織效果。因此，通過(guò)典型流線圖的比較，考察病患呼吸物被排出室內(nèi)的過(guò)程，以及從送風(fēng)口到回風(fēng)口的氣流運(yùn)動(dòng)方式。圖512分別給出了各方案的典型流線圖。圖5、方案一病患呼吸物的流線圖圖6、方案二雙回風(fēng)口工況下病患呼吸物的流線圖圖7、方案二單回風(fēng)口工況下病患呼吸物的流線圖圖8、方案三病患呼吸物的流線圖圖9、方案一由送風(fēng)口到回風(fēng)口的典型流線圖圖10、方案二雙回風(fēng)口工況下由送風(fēng)口到回風(fēng)口的典型流線圖圖11、方案二單回風(fēng)口工況下由送風(fēng)口到回風(fēng)口的典型流線圖圖12、方案三由送風(fēng)口到回風(fēng)口的典型流線圖 由以上各圖可以看出，方案二在

6、單回風(fēng)口工況下的通風(fēng)效果最為理想。而同樣是方案二，僅增加一個(gè)回風(fēng)口后，其通風(fēng)效果變得最不理想，因?yàn)檫@一工況下，部分氣流形成短路，導(dǎo)致整個(gè)通風(fēng)效果的不理想。5.1.2 污染物分布濃度比較 假定病患呼吸量為平靜狀態(tài)下的成年男性呼吸量8l/m，通過(guò)比較病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度的分布情況，得出各方案通風(fēng)效果的優(yōu)劣，見(jiàn)圖1314所示。圖13、方案一病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1）圖14、方案二雙回風(fēng)口工況下，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1）圖15、方案二單回風(fēng)口工況下，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1）圖16、方案三病患口部所處房間斷面

7、上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1） 通過(guò)以上各圖，考察各方案病患呼吸物無(wú)量綱濃度大于1的區(qū)域的大小以及位置可以看出，方案二單回風(fēng)口工況下，該區(qū)域面積最小，而且在垂直方向上的最高高度不足1.5m，沒(méi)有達(dá)到醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)高度，因而其通風(fēng)效果最為理想，這與典型流線圖的對(duì)比結(jié)果相吻合。5.2 冬季送風(fēng)工況下病房?jī)?nèi)部通風(fēng)效果分析5.2.1 各方案冬季送風(fēng)工況下的室內(nèi)溫度分布在實(shí)驗(yàn)室冬季送風(fēng)工況下，室內(nèi)送風(fēng)溫度為25，圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度設(shè)為18，各方案室內(nèi)溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖1719所示。 a b圖17、方案一室內(nèi)溫度場(chǎng)分布 a b圖18、方案二單回風(fēng)口工況下室內(nèi)溫度場(chǎng)分布 a b圖19、方案三室內(nèi)溫度場(chǎng)分布有上述各

8、圖可以看出，由于室內(nèi)換氣次數(shù)較高，因而室內(nèi)溫度比較接近與送風(fēng)溫度，在23上下。并且都體現(xiàn)出冬季送風(fēng)工況下的溫度分層特征，尤以方案二的單風(fēng)口工況最為明顯。相應(yīng)的，由病患呼吸所產(chǎn)生的污染物分布見(jiàn)圖2022所示。圖20、方案一病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1）圖21、方案二單回風(fēng)口工況下，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1）圖22、方案三病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1）由圖2022可以看出，冬季工況下室內(nèi)病患呼吸物分布大體與夏季工況下的分布情況相類似。并沒(méi)有出現(xiàn)由于兩種送風(fēng)工況下，呼吸物與周圍空氣溫度差異不同而產(chǎn)生的不同的浮力效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致病患呼吸物分

9、布的不一致。究其原因，應(yīng)該是因?yàn)槟M病患口部的污染源面積較?。?.02m×0.02m），污染物散發(fā)量也不大（8l/min，0.33m/s）。因而相對(duì)于整個(gè)房間的幾何尺度而言，污染物溫度在較短距離內(nèi)發(fā)生較大衰減，故其與周圍空氣間的溫度差所產(chǎn)生的浮升力并沒(méi)有對(duì)污染物的分布產(chǎn)生較大的影響。5.3 室內(nèi)應(yīng)用不同形式送風(fēng)散流器下的室內(nèi)通風(fēng)效果比較對(duì)于空氣傳播的傳染病負(fù)壓隔離病房，由于其所嚴(yán)格控制的為病患含有致病衛(wèi)生物的呼吸物，而非房間內(nèi)的懸浮塵埃粒子。因此，房間送風(fēng)不一定采用高效過(guò)濾器，普通送風(fēng)散流器的適當(dāng)應(yīng)用一樣可以產(chǎn)生較好的氣流組織效果。而實(shí)際上，室內(nèi)送風(fēng)散流器的氣流運(yùn)動(dòng)方式涉及到多射流結(jié)

10、構(gòu)的相互影響及混合等非常復(fù)雜的情況，為制約CFD模擬技術(shù)對(duì)室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確模擬的主要障礙，因此，在Moser于1991年發(fā)表的綜述性文章中，送風(fēng)裝置的模型化被列為室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)CFD模擬的五個(gè)最難的問(wèn)題之一。今年來(lái)，許多學(xué)者致力于室內(nèi)送風(fēng)裝置的CFD模擬解決方案，并分別提出了相應(yīng)方案，其中最據(jù)代表性的為盒子模型（box model），基本模型（basic model），條縫模型（slot model）以及風(fēng)口動(dòng)量模型（momentum model）。圖23給出針對(duì)IEA Annex 20 所研究的Hesco 孔板散流器（nozzle diffuser），基本模型（basic model），條

11、縫模型（slot model）以及風(fēng)口動(dòng)量模型（momentum model）給出的邊界條件描述方式。圖23、孔板散流器的邊界條件描述相比較而言，Box模型要描繪散流器前端一個(gè)容積內(nèi)的氣流流型，因而實(shí)際計(jì)算結(jié)果較為理想，但其應(yīng)用需要散流器的一些特定參數(shù)，普適性較差。Basic模型及其改進(jìn)后的Slot模型，采用散流器的有效面積以及送風(fēng)風(fēng)速作為CFD模擬的實(shí)際邊界條件，但其計(jì)算結(jié)果精度較差。Chen和Moser于1996年提出Momentum模型，指出影響室內(nèi)空氣射流特征的主要因素由射流質(zhì)量流量、動(dòng)量通量以及浮力通量（非等溫射流）以及送風(fēng)口的形狀等。因此，只要保證上述三個(gè)通量相等，就可以用與散流器

12、總面積相等的簡(jiǎn)單開口來(lái)代替復(fù)雜散流器，并且保證送風(fēng)射流在主體段主要特性不便，并使計(jì)算具有較高的精度，滿足實(shí)際工程應(yīng)用需要?；谝陨媳容^，我們擬采用Momentum模型分別對(duì)四種復(fù)雜散流器在隔離病房的實(shí)際通風(fēng)效果進(jìn)行CFD模擬，圖24給出了所要應(yīng)用的四種散流器。 a b c d圖24、所要模擬的復(fù)雜散流器：a孔板散流器（nozzle diffuser）；b百葉散流器（grille diffuser）；c條縫散流器（slot diffuser）；d方形散流器（square diffuser）5.3.1 室內(nèi)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果鑒于采用高效過(guò)濾器的冬季與夏季送風(fēng)工況的模擬結(jié)果比較，由于差別不大，故采用夏季

13、送風(fēng)工況進(jìn)行散流器CFD模擬比較（送風(fēng)溫度18，壁面溫度25）。圖2528給出了應(yīng)用不同的散流器后，隔離病房?jī)?nèi)的溫度分布。就室內(nèi)溫度而言，方形、條縫散流器的送風(fēng)溫度更為接近于送風(fēng)溫度，送風(fēng)效果要優(yōu)于百葉與孔板散流器。其中，方形散流器效果最佳。 圖25、孔板散流器室內(nèi)溫度場(chǎng)分布 圖26、百葉散流器室內(nèi)溫度場(chǎng)分布 圖27、條縫散流器室內(nèi)溫度場(chǎng)分布 圖28、方形散流器室內(nèi)溫度場(chǎng)分布5.3.2 室內(nèi)污染物濃度場(chǎng)模擬結(jié)果在病房?jī)?nèi)設(shè)置不同的送風(fēng)散流器后的室內(nèi)污染物濃度場(chǎng)見(jiàn)圖2932所示。由下列各圖可以看出，采用了復(fù)雜送風(fēng)散流器后，房間內(nèi)通風(fēng)效果較好，病患的呼吸物可迅速有效的被排出。并且這四種送風(fēng)散流器就送

14、風(fēng)效果而言，在不同程度上，要優(yōu)于由高效送風(fēng)口作為送風(fēng)裝置的氣流組織策略（污染物濃度1的區(qū)域面積較小，且所能影響的高度較低）。從計(jì)算結(jié)果還可得出，孔板散流器方案雖然在營(yíng)造室內(nèi)適宜熱環(huán)境方面表現(xiàn)較差，但在迅速有效排出污染物方面的表現(xiàn)要優(yōu)于百葉散流器方案以及條縫散流器方案。而方形散流器方案無(wú)論在營(yíng)造適宜室內(nèi)熱環(huán)境還是在有效排出污染物方面都表現(xiàn)較好。考慮到負(fù)壓隔離病房不僅需要保證醫(yī)護(hù)人員的安全，同時(shí)其維持舒適室內(nèi)熱環(huán)境，減少能源消耗以及運(yùn)行費(fèi)用也是設(shè)計(jì)人員所必須考慮的重要因素。因此方形散流器方案應(yīng)該是我們所要考慮隔離病房的建設(shè)時(shí)的一個(gè)較優(yōu)方案。圖29、孔板散流器，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃

15、度分布（1）圖30、百葉散流器，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1）圖31、條縫散流器，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1）圖32、方形散流器，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無(wú)量綱濃度分布（1）5.4 病患劇烈咳嗽時(shí)的室內(nèi)污染物濃度場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布由于SARS病人咳嗽的頻率和深度目前尚無(wú)定論，而英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的研究結(jié)果顯示健康人在打噴嚏時(shí)其時(shí)速可高達(dá)100m/s。因此，我們將基于保守的估計(jì)，針對(duì)氣流組織效果較好的方形散流器方案以及高效送風(fēng)口方案二的單回風(fēng)口工況，假定研究區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)較大的脈沖污染源（速度20m/s，持續(xù)時(shí)間0.5s）。進(jìn)而計(jì)算從脈沖污染源的產(chǎn)生開始，5秒

16、鐘內(nèi)，病房?jī)?nèi)濃度場(chǎng)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況。采取不均勻時(shí)間步長(zhǎng)，下圖分別為t=0.5s（脈沖污染源消失瞬間）及t5s時(shí)，病患口部所處橫斷面上的污染物濃度分布。而從模擬結(jié)果來(lái)看，方形散流器方案在病患劇烈咳嗽時(shí)也可以產(chǎn)生較佳的送風(fēng)效果，將病患所呼出的污染物迅速有效的排出室內(nèi)，但實(shí)際效果甚至要優(yōu)于高效送風(fēng)口方案。 a 方形散流器 b高效送風(fēng)口圖33、病患劇烈咳嗽剛結(jié)束時(shí)，其口部所處斷面的污染物濃度分布 a 方形散流器 b高效送風(fēng)口圖34、t=5s時(shí)，其口部所處斷面的污染物濃度分布6、結(jié)論 通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管各方案房間總通風(fēng)量、污染物散發(fā)量、障礙物的數(shù)量及位置完全一致，但實(shí)際通風(fēng)效果卻具有較大的差別。單就以高效送風(fēng)口作為房間送風(fēng)裝置的各比較方案而言，方案二在單回風(fēng)口工況下，通風(fēng)效果最為理想，污染物（病