控制传播 | 模块化负压隔离室设计

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在新型冠状病毒（COVID-19）疫情期间，Ansys联合客户、合作伙伴积极为抗击疫情做出应有贡献，通过运用我们的软件、可用资源和员工的集体智慧，全力帮助受疫情影响的群体。『COVID-19下的仿真洞见』以系列专题的形式推出，分别从 “如何全力支持抗疫工业和科学应用”以及 “如何有效抑制病毒传播”这两大方面出发，期望通过详细介绍Ansys及其客户和合作伙伴目前在抗击病毒中采取的措施，以及相关知识的分享，让各位基于仿真获取有价值的洞察。

*免责声明

本系列专题所涉仿真在设计上是为了再现特定环境下的物理行为，未考虑诸如风或湿度等环境变量，请勿将其视为医学指南。

如需通过网络、印刷类或社交媒体等渠道转发内容及视频所示仿真结果，请注明仿真内容由ANSYS，Inc.提供。

新型冠状病毒日渐迅速在全球扩散，疫情对世界各国医疗基础设施均造成了巨大的压力，且目前还没有行之有效的治疗方法。在人口密集地区急需配置易于制造的检测隔离室，为应对极为严峻的社区传播情况做好充分准备。

根据ASHRAE指南定义，负压室和负压隔间可用于预防医院内呼吸道疾病的空气传播。负压室内的机械通风系统能够保证室内工作压力低于周围环境压力，可防止被污染空气大量泄露的现象。Ansys Fluent计算流体动力学（CFD）软件可助力设计易于制造的模块化负压室。

在本文探索性研究中，工程师创建并评估了若干种通风设计概念，以确定隔离室排除受污染空气的最有效方法，以及物理原型的最佳选择。

挑战

新型冠状病毒（COVID-19）在社区传播阶段期间，在人口密集区域需要设置可变规模型测试及隔离基础设施。根据ASHRAE/ASHE标准170-2017，1,2，精心设计的负压室与卫生医疗设施需配置成本高昂的基础设施。此类设计对医疗系统将造成巨大的财政负担，也难以在短时间内建成，因此，基于“现场发现，就地隔离”的防疫原则，当前唯一可行的解决方案便是使用当地所采购材料，以及可快速建成的负压室设计。

所使用的软件产品：

Ansys Fluent
Ansys SpaceClaim
Ansys VRXPERIENCE

解决方案

空气传染隔离室（负压室Negative Pressure Room）可防止患者相关病原体溢出。本研究中的建材与基础设计灵感来自韩国为大规模检测设计的电话亭式负压室。

ANSI/ASHRAE/ASHE标准170-20081,2建议医院等应用应每小时换气（ACH）至少12次，以利于有效通风。

所有排出空气需首先通过HEPA过滤器，以此去除95%-99%的污染物，而后再排入外部环境空气中。该通风系统的下游位置通常使用带反向式叶片的离心式鼓风机，用于提供所需的负向/吸入压力。

工程师使用Ansys SpaceClaim建立CAD模型，包括模拟躺在9英尺x9英尺x8英尺病房中病床上的一位患者。根据有关研究和CFD设计优化，排气通风管设置于患者头部正上方的墙上，引风口的位置应使空气直接扫过患者的头部和躯干部分，并输送至排风口。该通风设计可避免污染物在病房内再循环，保障病房内医务人员及其他患者的安全。针对容积为648立方英尺的病房，实现12 ACH所需最小流量约为130 CFM。

CFD建模计算区域及流量条件

工程师采用Ansys Fluent生成网格模型，将地面、门和墙体定义为无滑移壁面，将出口边界定义为外界环境压力的压力出口，以此构建CFD模型。入口边界定义为外界环境压力的压力入口，按照45°导流栅设置。风扇采用移动参照系 (MRF)模型进行建模，构成所需的吸力。HEPA过滤器处的压降采用多孔介质模型建模。

在仿真中以约1 m/s的速度生成无质量颗粒，以计算由患者口中排出气体的流动。研究表明，由患者鼻子/口腔区域以约1 m/s排出气体的速度能够理想适用于负压室通风系统设计的用途，4计算区域及流量条件如图1所示。

始于患者口腔区域的无质量颗粒轨迹经Ansys VRXPERIENCE渲染，如图2所示。可以看到：无质量颗粒轨迹直接输送至室外，无任何室内再循环现象。经研究，推荐采用超过100 CFM的流量并结合向下45°的送风角度。