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外扰对隔离病区压力梯度影响的数值模拟研究
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内容提示： 对隔离病区的压力梯度进行了数值模拟，分析了环境风速、门窗开启、运行状态的改变等外界因素对压力梯度的影响。模拟结果表明，环境风速对隔离病区的压力梯度不会产生较大的影响，而门窗开启、运行状态的改变则会导致压力梯度的变化，引起交叉感染。
摘要： 对隔离病区的压力梯度进行了数值模拟，分析了环境风速、门窗开启、运行状态的改变等外界因素对压力梯度的影响。模拟结果表明，环境风速对隔离病区的压力梯度不会产生较大的影响，而门窗开启、运行状态的改变则会导致压力梯度的变化，引起交叉感染。
关键词： 隔离病区 压力梯度 外扰 数值模拟
0 导言
2003年SARS期间发生在医院内的超级感染事件给人们敲响了警种，医院内部无序的气流组织是发生交叉感染的最大隐患，严重影响到了医患人员的健康安全。特别是病人治疗场所-隔离病房区域更是人们关注的焦点，为了防止传染病源的扩散，需要对单元内的分区进行合理的布置，尽量减少干扰压力梯度形成的气流。因此，不仅要保持单元与外部环境之间的合理气流流向，在单元内部也需要形成合理的气流流向。切断致病微生物沿空气途径传播的关键在于不同洁净区域之间形成合理的压力差，即压力梯度。目前国内外的相关标准对室内外的压差值作了相应的规定。但是，这些压力差值都指是静态压力值，但是对于医院的病房来讲，室外风速、开关门、运行状态的改变、外部电梯运行等动态状况是不克避免的，这些动作必然会影响到隔离室的压差和气流。本文利用CFD对外扰对隔离病区的压力梯度的影响进行数值模拟研究，为隔离病房的相关工程实际提供理论和应用基础。（参考《建筑中文网》）
1 区域压力梯度的数值模拟1.1 压力梯度模拟的对象
本文选取上海某医院隔离病房为模拟对象，该医院是SARS期间指定收治病人的定点医院，把普通病房改造成SARS隔离病房后，其内部的气流模型基本符合WHO标准及相关要求。现以此为基本模型进行SARS隔离病区内压力分布模拟，并把模拟结果与实测数据相比较，以检验模拟结果的可靠性。
1.2 数学模型及网格生成
在不同的湍流模式理论中，确定湍流粘度
的方法不同，因标准
[8]模型在数值计算中波动小，精度较高，故在低速湍流数值分析中应用广泛。稳态湍流运动基本方程式除连续性方程外，还有动量方程、湍流脉动动能方程(K方程)、湍流能量耗散率方程(
方程)等.这些方程用下述通式表示：
（1）
方程（1）中左边项
为对流项，右边项
为扩散项，以及源项
。
为因变量，可以代表各种不同的物理量；U代表速度场，即｛U,V,W｝三个速度分量（笛卡儿坐标系）。总之，无论何种情形，所有的因变量都服从一个通用的守恒原理，其差异只不过是上述方程上令某些项为0而已。
上述偏微分方程离散的方法有很多种，有限元、边界元、有限差分等，最成熟的是有限差分法，本文亦以此分析.动量方程及标量方程(k及)的对流项采用幂函数差分格式，而扩散项采用中心差分格式，则可以推导出一个通用的离散方程式[9]。
（3）
在网格的划分上采用结构化网格和非结构化网格相结合的方式，重点考察区域采用结构化网格，辅助区域采用非结构化网格，这种网格形式的划分在不影响计算精度的前提下，可以大大缩短计算时间。
1.3 边界条件及计算求解方法
空气从送风口进入，再通过排风口流出，且由于区域之间存在压力梯度，门窗缝隙处也存在着空气流动。由于不同区域之间的渗透风量和压力差值相互耦合，整个区域的气流处于一个动态的平衡状态，因此缝隙处的空气流动非常复杂，很难直接通过计算获得其空气流量。因此，把送风口和排风口设为定流量边界条件，门窗缝隙设为自由出入边界条件。
标准模型适用离开壁面一定距离的完全湍流区域。固体壁面附近，因层流粘性作用影响加强，必须对标准模型加以修正。本文采用壁面函数法加以修正墙壁边界区。
对于计算方法的选择，压力速度解耦采用Patankar提出的压力一速度修正算法（SIMPLE），而各线性化离散方程采用SLUR，即逐次线性欠松弛法。
1.4 实测验证
根据隔离病区内实际的平面布局情况，送排风情况和密闭门窗的数量和位置建立几何模型。送风口和排风口设为定流量边界条件，门窗缝隙设为自由出入边界条件。在常物性参数，稳态工况，等温状态下，采用标准k-ε模型计算得到的SARS隔离病区内的压力分布结果如图2所示。
图1 隔离病区内压力分布的实测结果
图2 隔离病区内压力分布的模拟结果
由上图可以看出，实测结果和模拟结果比较吻合，各个区域均能形成有序的梯度压差，确保了气流的定向流动，因此采用该模型可以真实的反映隔离病区的压力梯度。
2 结果与讨论2.1 外界风速对室内压力梯度影响
参照《采暖通风与空气调节设计规范》，上海市的冬季的平均风速为3.1m/s，夏季的平均风速为3.2m/s，现考虑最不利状况，参照气象数据，取最大风速为5m/s。风速对室内压力梯度的影响主要是通过风压的影响。当风吹到建筑物上时，在迎风面上，由于空气流动受阻，速度减小，使风的部分动能变成静压，在建筑物迎风面的压力大于大气压，形成正压区。而在背风面、屋顶和两侧，由于在气流曲绕的过程中，形成空气稀薄现象，因此，在这些部位的压力将小于大气压力，形成负压区。
下面在环境风速较大时（以5m/s为例）对两种最不利风向下，环境风速对隔离区压力分布的影响预测结果如图3，4所示：
图3 病人走廊处于迎风面时的压力分布
图4 医护区处于迎风面时的压力分布
由模拟分析可见：环境风速对边缘区（医护区，病人走廊）影响较大。空调系统正常运行时，环境风速不会影响隔离病区内的压力分布规律。
对于医护区，环境风速对室内压力的影响如图5所示（正风速表示迎风）。由图可见：随着环境风速的增大（迎风），医护区压力升高。当环境风速增大到4m/s时，环境风压高于室内风压，室外空气会渗透到医护区，但这并无害处。
图5 环境风速对医护区压力的影响
对于病人走廊，环境风速对室内压力的影响如图6所示（正风速表示迎风），由图可见：随着环境风速的增大（迎风），病人走廊压力升高。但其始终小于环境风压，说明污染物不会外渗影响环境安全。
图6 环境风速对病人通道压力的影响
对应整个隔离病区，环境风速对室内压力的影响如图7所示：图中正风速表示风由北至南吹（医护区为迎风面，病人走廊为背风面）。
图7 环境风速对隔离病区压力梯度的影响
由图可见：1）当空调系统正常运行时，尽管环境风速会影响隔离病区内的压力值，但并不改变隔离病区内合理的压力分布规律（医护区-医护走廊-缓冲室-隔离病房），并且隔离病区内的污染物也不会外逸；2）环境风速对医护区的影响较大，医护区与医护走廊之间的压力梯度随环境风速有较大的变化。3）环境风速对病人走廊及隔离病房的影响较小，病人走廊与隔离病房之间的压差几乎和环境风速无关。
2.2 运行状态的改变对压力梯度的影响
隔离病房的空调系统设计，是按照正常医疗状态下的进行设计的。对SARS隔离病房来讲，要求任何时间、任何运行状态均能够实现区域之间的正压分布与各室之间定向流动不变。形成隔离病房部以后，各病房运行状态可以不同，但保持整个区域内恒定、有序的梯度压力分布，严格防止室内污染空气渗透到室外以及区域内气流有序流动势必也成为重要的控制问题。隔离病房一般分为两种运行模式，即医疗状态和备用状态。
当某一隔离病房（以病房5为例）由正常状态转为备用状态时，隔离病区内的压力分布情况如图8，9所示：
图8 隔离病房5内的风机全部关闭时压力分布图
图9 隔离病房5内卫生间风机开时压力分布图
由图可见当病房5由医疗状态转为备用状态时，当送风、排风机全部关闭，气流流向改变为：病房走廊→病房内部→缓冲室→医务走廊，此时污染物由隔离病房流入医护走廊，形成交叉感染的隐患。因此在备用状态时，应将排风机调至低档运行状态，以维持隔离病区内压力的合理分布。
2.3 病房门开启对压力梯度的影响
在隔离病房门开启时，与其相邻的区域压力会立刻产生变化，从而导致压力梯度的改变，引起气流方向的变化，从而产生交叉感染的隐患。为此按以下三种情况模拟了某一隔离病房（以病房5为例）隔离门开启后，区域之间的压力分布情况。
图10 病房5缓冲室前门开时压力分布
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200601/8392.htm
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