負壓隔離病房通風效果的數(shù)值模擬分析

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上負壓隔離病房通風效果的數(shù)值模擬分析2002年底，一種新的致命性呼吸系統(tǒng)傳染病嚴重急性呼吸綜合癥（SARS）開始在中國以及周邊地區(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，第一份關于疫情爆發(fā)的正式報告被提交到世界衛(wèi)生組織，此時，已有305人受到感染并導致5人死亡。截至2003年8月7日，短短6個月的時間內(nèi)，疫情迅速擴散到全球34個國家和地區(qū)，累計報告可能病例達8422例，導致916人死亡。同時，數(shù)以萬計普通民眾的行動自由受到限制，巨額的國際貿(mào)易被中止或取消，僅就遠東地區(qū)而言，初步估計的經(jīng)濟損失達到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)帶來的挑戰(zhàn)和思考仍將持續(xù)相當長的一段時間。例如，在我國，僅就天津市而言，醫(yī)護人員在確診SARS病患中所占的比例曾高達46,香港威爾士親王醫(yī)院在疫情初期的醫(yī)護人員在病患中所占比率也一度高達75。而整個疫情期間，醫(yī)護人員感染率（即受感染醫(yī)護人員占確診病例的比率），北京及香港地區(qū)都曾接近20，臺灣地區(qū)更是以30的醫(yī)護人員感染率達到“世界之冠”。這表明，目前病房內(nèi)的氣流組織效果普遍不佳，根本無法迅速、有效的將被污染的空氣排除室外，保證醫(yī)護人員的安全。因此，針對由中國建筑科學研究院和廣東申菱公司共同參與開發(fā)的負壓隔離病房，我們主要利用CFD數(shù)值模擬作為研究手段，對病房內(nèi)的通

3、風效果進行數(shù)值模擬以及優(yōu)化分析。并采用Momentum模型對復雜送風散流器的在隔離病房內(nèi)的應用進行CFD模擬以及評價。1、 負壓隔離病房幾何模型病房內(nèi)部的實際幾何尺寸為4.5m×3.15m×2.7m，病房內(nèi)備有病床一個（1.9m×0.9m），送風口位于天花板（1m×0.32m），回風口位于病床旁（0.5m×0.2m），根據(jù)送風口位置的不同，共對三個送風方案進行數(shù)值模擬分析，各方案中房間內(nèi)各物體的實際相對位置如圖1圖4所示：圖1、方案一的幾何模型圖2、方案二雙回風口工況圖3、方案二單回風口工況圖4、方案三幾何模型2、 邊界條件的確定2.1 夏季工

4、況：風量：根據(jù)設計值，定為240m3/h，送風溫度18壁面：無滑移、絕熱壁面。醫(yī)護人員模型：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：風量：根據(jù)設計值，定為240m3/h，送風溫度25壁面：無滑移、表面溫度18。醫(yī)護人員模型：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、 模擬計算本文采用混合迎風差分格式對偏微分方程進行離散，選用標準Ke雙方程以及KeRNG模型進行模擬。經(jīng)過網(wǎng)格獨立性分析，共生成網(wǎng)格43200個，利用SIMLEST算法進行求解。4、 模擬結果5.1 夏季送風工況通風效果比較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)出流場的流動狀態(tài)及氣流組織效果。因此，通過典型流線圖的比較，考察病患呼吸物被排出室內(nèi)的過程，以及從送風口到回風口的氣流運動方式。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、方案二雙回風口工況下病患呼吸物的流線圖圖7、方案二單回風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、方案一由送風口到回風口的典型流線圖圖10、方案二雙回風口工況下由送風口到回風口的典型流線圖圖11、方案二單回風口工況下由送風口到回風口的典型流線圖圖12、方案三由送風口到回風口的典型流線圖 由以上各圖可以看出，方案二在

6、單回風口工況下的通風效果最為理想。而同樣是方案二，僅增加一個回風口后，其通風效果變得最不理想，因為這一工況下，部分氣流形成短路，導致整個通風效果的不理想。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，通過比較病患口部所處房間斷面上其呼吸物無量綱濃度的分布情況，得出各方案通風效果的優(yōu)劣，見圖1314所示。圖13、方案一病患口部所處房間斷面上其呼吸物無量綱濃度分布（1）圖14、方案二雙回風口工況下，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無量綱濃度分布（1）圖15、方案二單回風口工況下，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無量綱濃度分布（1）圖16、方案三病患口部所處房間斷面

7、上其呼吸物無量綱濃度分布（1） 通過以上各圖，考察各方案病患呼吸物無量綱濃度大于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，沒有達到醫(yī)護人員呼吸區(qū)高度，因而其通風效果最為理想，這與典型流線圖的對比結果相吻合。5.2 冬季送風工況下病房內(nèi)部通風效果分析5.2.1 各方案冬季送風工況下的室內(nèi)溫度分布在實驗室冬季送風工況下，室內(nèi)送風溫度為25，圍護結構壁面溫度設為18，各方案室內(nèi)溫度場分布見圖1719所示。 a b圖17、方案一室內(nèi)溫度場分布 a b圖18、方案二單回風口工況下室內(nèi)溫度場分布 a b圖19、方案三室內(nèi)溫度場分布有上述各

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溫度，在23上下。并且都體現(xiàn)出冬季送風工況下的溫度分層特征，尤以方案二的單風口工況最為明顯。相應的，由病患呼吸所產(chǎn)生的污染物分布見圖2022所示。圖20、方案一病患口部所處房間斷面上其呼吸物無量綱濃度分布（1）圖21、方案二單回風口工況下，病患口部所處房間斷面上其呼吸物無量綱濃度分布（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。并沒有出現(xiàn)由于兩種送風工況下，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，進而導致病患呼吸物分

9、布的不一致。究其原因，應該是因為模擬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）。因而相對于整個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)生的浮升力并沒有對污染物的分布產(chǎn)生較大的影響。5.3 室內(nèi)應用不同形式送風散流器下的室內(nèi)通風效果比較對于空氣傳播的傳染病負壓隔離病房，由于其所嚴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，房間送風不一定采用高效過濾器，普通送風散流器的適當應用一樣可以產(chǎn)生較好的氣流組織效果。而實際上，室內(nèi)送風散流器的氣流運動方式涉及到多射流結

10、構的相互影響及混合等非常復雜的情況，為制約CFD模擬技術對室內(nèi)氣流運動進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，送風裝置的模型化被列為室內(nèi)氣流運動CFD模擬的五個最難的問題之一。今年來，許多學者致力于室內(nèi)送風裝置的CFD模擬解決方案，并分別提出了相應方案，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）以及風口動量模型（momentum model）。圖23給出針對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）以及風口動量模型（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容積內(nèi)的氣流流型，因而實際計算結果較為理想，但其應用需要散流器的一些特定參數(shù)，普適性較差。Basic模型及其改進后的Slot模型，采用散流器的有效面積以及送風風速作為CFD模擬的實際邊界條件，但其計算結果精度較差。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量流量、動量通量以及浮力通量（非等溫射流）以及送風口的形狀等。因此，只要保證上述三個通量相等，就可以用與散流器

12、總面積相等的簡單開口來代替復雜散流器，并且保證送風射流在主體段主要特性不便，并使計算具有較高的精度，滿足實際工程應用需要?；谝陨媳容^，我們擬采用Momentum模型分別對四種復雜散流器在隔離病房的實際通風效果進行CFD模擬，圖24給出了所要應用的四種散流器。 a b c d圖24、所要模擬的復雜散流器：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)溫度場模擬結果鑒于采用高效過濾器的冬季與夏季送風工況的模擬結果比較，由于差別不大，故采用夏季

13、送風工況進行散流器CFD模擬比較（送風溫度18，壁面溫度25）。圖2528給出了應用不同的散流器后，隔離病房內(nèi)的溫度分布。就室內(nèi)溫度而言，方形、條縫散流器的送風溫度更為接近于送風溫度，送風效果要優(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)溫度場分布 圖26、百葉散流器室內(nèi)溫度場分布 圖27、條縫散流器室內(nèi)溫度場分布 圖28、方形散流器室內(nèi)溫度場分布5.3.2 室內(nèi)污染物濃度場模擬結果在病房內(nèi)設置不同的送風散流器后的室內(nèi)污染物濃度場見圖2932所示。由下列各圖可以看出，采用了復雜送風散流器后，房間內(nèi)通風效果較好，病患的呼吸物可迅速有效的被排出。并且這四種送風散流器就送

14、風效果而言，在不同程度上，要優(yōu)于由高效送風口作為送風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）。從計算結果還可得出，孔板散流器方案雖然在營造室內(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論在營造適宜室內(nèi)熱環(huán)境還是在有效排出污染物方面都表現(xiàn)較好?？紤]到負壓隔離病房不僅需要保證醫(yī)護人員的安全，同時其維持舒適室內(nèi)熱環(huán)境，減少能源消耗以及運行費用也是設計人員所必須考慮的重要因素。因此方形散流器方案應該是我們所要考慮隔離病房的建設時的一個較優(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量綱濃度分布（1）5.4 病患劇烈咳嗽時的室內(nèi)污染物濃度場動態(tài)分布由于SARS病人咳嗽的頻率和深度目前尚無定論，而英國愛丁堡大學的研究結果顯示健康人在打噴嚏時其時速可高達100m/s。因此，我們將基于保守的估計，針對氣流組織效果較好的方形散流器方案以及高效送風口方案二的單回風口工況，假定研究區(qū)域內(nèi)存在一個較大的脈沖污染源（速度20m/s，持續(xù)時間0.5s）。進而計算從脈沖污染源的產(chǎn)生開始，5秒

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