北京工业大学樊洪明等：基于CFD技术的某医院复合手术室速度场数值模拟与分析优化

基于CFD技术的某医院复合手术室速度场数值模拟与分析优化

李春阳*,樊洪明

(北京市绿色建筑环境与节能技术重点实验室，北京工业大学，北京，100124)

摘要：本文对一间除送风天花外需要设置高效送风口的超大面积复合DSA手术室做了气流组织的数值模拟分析研究，验证了该手术室空调系统初步设计方案中风口相对位置是否正确、合理。结果表明：当前设计方案的气流组织，手术区域气流均匀性不好、流线不畅，送风口之间气流扰动大，在手术区域有明显涡流。通过对风口的相对位置和送风速度的调整，与原设计方案对比分析，为施工过程中的风口定位安装、风系统调试给出指导意见，同时为这间复合手术室的温度场、浓度场研究和实测验证奠定了基础。

关键词：复合手术室; 气流组织; 数值模拟

Numerical Simulation and Analysis of Velocity Field of the Hybrid DSA Operating Room in a Hospital Based on CFD Technology

Li Chunyang*，Fan Hongming

(Key Laboratory of Green Built Environment and Energy Efficient Technology,Beijing,Beijing University of Technology,Beijing100124, China)

Abstract:  In this paper, a numerical simulation analysis of airflow organization in a large-area hybrid DSA operating room, which requires a high-efficiency air supply port in addition to the air supply ceiling, is carried out to verify whether the relative position of the air outlet in the preliminary design of the operating room air conditioning system is correct and reasonable. The results show that the current design of the airflow organization, the uniformity of the airflow in the surgical area is not good, the flow line is not smooth, the airflow disturbance between the air supply openings is large, and there is obvious eddy current in the operation area. Through the adjustment of the relative position of the tuyere and the adjustment of the air supply speed, and the comparison with the original design scheme, the guidance for the installation and installation of the tuyere during the construction process and the commissioning of the wind system are given, and the temperature field and concentration field of the hybrid operating room are also provided. Research and test verification laid the foundation.

Key words: Hybrid operating room；Airflow organization；Numerical analysis

一  引言

由于医疗设备的增加和满足医院教学的需要，现在新建复合DSA手术室面积一般在70㎡以上。这样的超大型洁净手术室往往会面临市场上现有的送风天花太小，仅能满足手术区上方的局部单向流，周边区域的洁净度无法控制，所以需要外加同级别过滤性能的高效送风口。这又会引来送风天花与高效送风口之间气流搭接、风量分配，送风速度设定等问题，本文就这些问题进行分析讨论。

在某医院一间万级复合手术室的空调设计方案中，送风方式拟采用2.6m×1.4m送风天花和4个484mm×484mm高效送风口。为了考察本方案的可行性，在快速、节约成本、相对准确的前提下，本文利用CFD技术对手术室内流场空态工况下的空气流动和分布情况做了数值模拟研究，预测其室内气流分布，从而验证设计方案是否正确、合理。

二  复合DSA手术室模型的建立

2.1  物理模型

根据设计方提供的图纸，建立计算几何模型如图1所示。手术室尺寸X×Y×Z=7.6m×9.5m×3m；送风天花X×Y×Z=2.6m×1.4m×0.35m，手术床按院方实际要求，未居中布置且床侧边与手术室短边平行，因此送风天花也未居中布置。该间手术室面积比一般Ⅲ级洁净手术室要大很多，送风天花2600mm×1400mm不能承担满足洁净度换气次数的所有送风量，需要另外加4个相同过滤级别的484mm×484mm高效送风口，总送风量3900m³/h；两侧下回风，回风口600mm×350mm，共6个，每边3个，回风口下沿距地0.1m；排风口400mm×400mm，置于手术室顶部手术床人体头部右侧位置。方案一这种风口布置方案看似正确，实则违反了送风天花长边应正对手术室长边、回风口应布置在手术室长边的原则，对手术区气流组织造成很大影响，后文会做详细分析。

在满足院方对手术床和观察室相对位置的前提下，如图2所示，将手术床绕其中心旋转90度，送风天花相应也旋转90度，4个高效送风口位置不变，在手术室长边两侧分别布置两个回风口，保留短边两侧原中间位置回风口。这种布置方式成为方案二。方案三在方案二的基础上，调整了送风口的送风速度。

2.2  数学模型

流体流动与传热基本方程组中的各方程可采取共同的形式表达，这种形式称为流动与传热的通用微分方程。使用通用变量，通用微分方程为

将该手术室内气流视为常物性不可压缩牛顿流体，围护结构视为绝热，医生、护士和医疗设备等内热源暂不考虑，手术室内的流场、压力场均视为准稳态。空气流动为湍流，满足连续性方程、动量方程和能量方程。紊流模型目前在通风空调数值模拟领域应用最多的是 k-ε 两方程模型，通过求解湍能 k 和湍能耗散率 ε 的输运方程得到湍流粘性系数。

三  模拟结果与分析

本文所研究的复合DSA手术室工程实例，其非诱导送风装置即送风天花的长边与手术室短边平行，送风天花两侧分别布置两个高效送风口，回风口布置在手术室短边侧墙。重点分析这间手术室的设计方案一中气流流向是否能够达到设计预期，分别在X方向：纵向断面1（X=3.284m，手术区送风天花纵向中心断面），分析手术区气流在有两侧高效送风口影响下的送回风效果；Y方向：横向断面2（Y=4.288m，手术区送风天花横向中心断面），分析手术区气流在手术室长边侧墙无回风口且排风口未在病人头部正上方布置的情况下的送风效果。方案二与方案一取相同断面，作横向比较。方案三与方案二除送风速度外，其他设置条件均保持一致，作横向比较。

图3中可以看到，手术室在空态工况下，工作面高度（离地1.2m）以上主流区域可以保证为单向流，但是手术室内部气流均匀性不好，流线不畅。两侧高效送风口相距送风天花不同。手术区左侧，由于高效送风口的送风速度远大于送风天花的送风速度，造成高速气流上返至手术床左侧，相当于在手术区域与回风口之间形成了一道风幕，阻隔了手术区域气流向回风口流动，回风口对手术区域空气流动的诱导作用不明显；手术区右侧，同样高效送风口在手术区域与回风口之间形成了一道风幕，而且送风天花与回风口距离较远，回风口仅对高效送风口送风起诱导作用，手术台右侧形成了较为明显的涡流区，导致该区域内空气滞留时间增加，不利于病菌和尘埃粒子的及时消散，从而影响手术区洁净效果。

图5中可以看到，手术室在空态工况下，手术主流区依然可以保证为单向流，但是手术室两侧没有回风口，对气流没有诱导作用。由于手术室横向跨度比常规面积手术室大，气流受墙壁的影响，在靠近手术台处形成明显的涡流。这对手术区是不利的，容易使手术中产生的病菌、尘粒随着气流向上流动，当遇到通过无影灯向下的气流时会发生大面积扩散，造成二次污染。

图4、6中可以看到，送风天花和手术床旋转90度后，手术室长边两测（Y方向）回风口对手术区空气流动起到了明显的诱导作用，大部分手术区气流能够从手术室长边测回风口流出回到空调机组，手术室短边侧回风口对高效送风口气流起诱导作用。高效送风口的高速气流对手术区气流影响大大降低，仅在手术床病人头部右侧（X方向）形成了一道风幕。

图7、8中可以看到，方案三将送风天花和高效送风口的送风速度均设为0.22 m/s，消除了高速气流对手术区单向流的影响，增强了手术区局部单向流的抗干扰性，在手术床四周没有明显涡流产生，手术室内部气流均匀性较好，流线通畅。

四  结论与展望

1、本次模拟及时发现了现有设计方案的不妥之处，说明在复合手术室的建设中，设计人员、施工人员往往会忽略超大面积复合手术室的气流组织，在送风天花不能承担所有送风量、需要增设高效送风口的情况下，没有合理规划气流流向，想当然的随意布置风口，没有考虑风口之间气流搭接的问题。甚至一昧的按照院方的要求，违背了“长边对长边，回风口在手术室长边测墙均匀布置”的原则。从而导致手术室乱流度增加、洁净度不达标。

2、方案二中仅对手术床和送风天花的位置做出了调整、方案三只把送风天花和高效送风口设置成同一送风速度，在深化设计过程中，如何将高效送风口的定位安装，如果继续调大送风天花送风速度、调小高效送风口速度，送风效果是否会更好。这些问题还需与设计方、施工方、使用方一道共同努力，通过反复实验和实测数据反馈来解决。同时希望有更多的洁净技术专家、学者进行相关研究，给出这种复合手术室气流组织设计建议。

五  参考文献

[1]  许钟麟，沈晋明. 医用洁净装备工程实施指南. 中国建筑工业出版社，369-373.

[2]  李晓虹, 苏华，甘涛. 某医院Ⅰ级手术室速度场数值模拟与分析. 洁净与空调, 2009, (3):20-22.

[3]  邵建敏, 张建飞，吴学红. 典型Ⅰ级洁净手术室空调气流组织及细菌浓度分布模拟与优化. 热科学与技术, 2014, 13(4):347-351.