【摘要】對《醫院潔凈手術(shù)部建設標準》中 I 級潔凈手術(shù)室的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬，證實(shí)了標準中的部分技術(shù)參數范圍 ( 主要針對靜態(tài)手術(shù)室 ) 在動(dòng)態(tài)時(shí)是合適的，并具有可操作性。標準中規定 I 級潔凈手術(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)鍵區域的凈化要求，又大大降低了潔凈手術(shù)室的造價(jià)和運行費用，符合我國的國情。 

　引言 

　　空調設計的最終目的是以經(jīng)濟技術(shù)合理的系統設計及設備選型實(shí)現所要求的室內氣候環(huán)境 ( 溫濕度、氣流、污染物質(zhì)濃度等的分布 ) 。實(shí)現對這些環(huán)境參數的合理控制，有必要在進(jìn)行具體設計前，對上述室內氣候環(huán)境參數的分布情況進(jìn)行預測，把握不同系統的分布特征。 
　　在傳統的設計中，由于送風(fēng)口、回風(fēng)口以及室內熱源等因素的影響，室內三維流場(chǎng)、速度場(chǎng)難以進(jìn)行精確計算。模型實(shí)驗雖然可靠，但是試驗周期長(cháng)、價(jià)格昂貴，較難在工程中使用。對這樣的非線(xiàn)性問(wèn)題，計算流體力學(xué) (CFD)Computational Fluid Dynamics) 方法顯示了其獨特的優(yōu)越性能，利用 CFD 技術(shù)，快速，廉價(jià)，又可有效地了解室內的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的分布特征，為合理的系統設計及設備選型提供有益的參考資料。目前，國外許多設計所和建設單位都已經(jīng)將 CFD 模擬技術(shù)應用到實(shí)際設計預測中，尤其是對影劇院及建筑中廳等太空間的設計預測。 
　　對于計算流體力學(xué)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是對描述流體物理現象的基礎方程式 ( 運動(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)行數值模擬。離散化的對象是作為獨立變量的時(shí)間與空間變量，求出其對應的速度、溫度、濃度、壓力等參數。其中離散化處理 ( 時(shí)間、空間的分割 ) 直接與計算機的能力 ( 計算速度、內存容量 ) 相關(guān)。分割越細，對計算機的能力要求就越高 ( 模擬精度也就相對高 ) 。下面運用 CFD 對 I 級潔凈手術(shù)室的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數值模擬。 
　　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《醫院潔凈手術(shù)部建設標準》 ( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)標準 ) 的規定設計的 I 級潔凈手術(shù)室。整個(gè)模型按照標準和文獻 [1] 手術(shù)室典型配置的要求進(jìn)行設計。標準強調關(guān)鍵部位的保護意識，將最潔凈的空氣送到關(guān)鍵部位。根據我國的科研成果和運行實(shí)踐，標準提出了利用主流區作工作區的技術(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關(guān)鍵區域。為此，標準將手術(shù)室分為手術(shù)區和周邊區，分別給出指標，手術(shù)區范圍的劃分取決于手術(shù)室級別要求，本文模擬的 I 級潔凈手術(shù)室，按標準要求，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。 
　　標準已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施，但許多人對手術(shù)室內的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況還不是很清晰，并擔心將凈化所需的大風(fēng)量集中送到關(guān)鍵區域，是否會(huì )對處于主流區的人員 ( 如醫生和手術(shù)臺上的病人 ) 的熱舒適性產(chǎn)生負面影響 [2] ；主流區的氣流能否保證在動(dòng)態(tài)時(shí)不會(huì )對醫護人員產(chǎn)生吹風(fēng)感。針對以上情況，本文對動(dòng)態(tài)運行情況下的標準 I 級潔凈手術(shù)室的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，對模擬結果進(jìn)行分析。 
　　2. 幾何模型 
　　根據標準規定，工作區高度 ( 空態(tài)時(shí)離地面 0.8m 處 ) 的風(fēng)速應控制在 0.25 米— 0．30 米范圍內，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)潔凈室設計思路的百級手術(shù)室需要幾百次換氣。本文通過(guò)對實(shí)際運行的手術(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 ；醫用設備 0．4x0.6x0.8m ；手術(shù)臺 1．8X0．6X0．8m  
　　 
　　1 送風(fēng)口 2 醫用燈帶 3 回風(fēng)口 4 排風(fēng)口 5 醫用設備 6 手術(shù)床 7 醫護人員 8 病人 
　　圖 1 模擬手術(shù)室幾何模型 
　　3. 數學(xué)模型的選擇 
　　本文采用 RNG k- §模型，它是在標準 k —§模型的基礎上重新組合紊流生成源項而形成的。 
　　標準 k —§模型是建立在半經(jīng)驗模型的基礎上，模型輸運方程組源于計算紊流動(dòng)能 (k) 及其耗散率 ( § ) 。模型中計算 k 的輸運方程源于精確方程，而模型中計算§的輸運方程則由一定的物理含義而在數學(xué)上卻沒(méi)有精確的定義。 
　　k- §模型應用的假定條件為：假設流動(dòng)是充分發(fā)展的紊流，且分子粘性的影響可以忽略。標準 k —§模型僅對充分發(fā)展的紊流流動(dòng)計算有效。 
　　紊流動(dòng)能 k 及其耗散率§可以從下面的輸運方程組得到： 
 式中， Gk ——由平均速度梯度引起的紊流動(dòng)能，可用宋計算 k-s 模型中紊流生成量的模數化； 
　　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)膨脹對總耗散率的貢獻，可以用來(lái)計算 k — s 模型中可壓縮性對紊流的影響： 
　　µl ——為紊流粘性系數，可由 k 和計算 
　　模型常數取如下默認值： 
　　G1s=1．44 ， G2 =1．92 ， GP = 0．99