首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 生物学论文 > 生物工程论文 > 牙科气溶胶负压吸附消杀设备管道气动噪声研究

牙科气溶胶负压吸附消杀设备管道气动噪声研究

2024-08-26 145 上传者：管理员

摘要：针对牙科诊疗过程中气溶胶负压吸附设备运行造成诊疗环境噪声污染问题，本文通过研究现有负压吸附消杀设备结构组成与运行原理，分析噪声来源；选用非平衡壁面RNG k-ε湍流模型，结合SIMPLEC算法，基于Ansys Fluent流体力学有限元分析软件分析吸附管道气动噪声。根据分析结果，提出结构优化方案，并通过对比优化前后吸附管道流场压力、速度云图和平均噪声强度，验证方案可行性。实验结果表明：通过采用吸附管道平滑过渡结构，有效降低了气动噪声，提高了口腔疾病患者牙科诊疗舒适度。

关键词：
Fluent
吸附管道
平滑过渡
气动噪声
负压吸附消杀设备
加入收藏

随着现代化医疗技术的完善和发展，营造舒适化安全诊疗环境已成为当前我国口腔牙科面临的新挑战[1-2]。在牙科，涉及使用牙科手机诊疗的备牙、拔牙和牙齿修复等手术是普遍存在的[3]。在诊疗过程中，冷却水通常用以维持牙齿和手机温度平衡，与高速旋转的牙科手机“预混合”后会产生大量空气动力学直径为0.001 μm到100 μm的气溶胶[4]。这些气溶胶可能会被携带病原微生物的口腔疾病患者的唾液或血液所污染，从而成为结核分枝杆菌、致病性链球菌、HIV病毒、肝炎病毒，甚至是引起COVID-19大流行的SARS-CoV-2病毒传播的载体，对周围暴露的其他口腔疾病患者、手术助理、医生等牙科人员构成潜在健康危害[4]。

负压吸附消杀是去除牙科诊疗气溶胶、阻断疾病传播的重要措施[5]。然而，目前在实际牙科诊疗过程中，使用负压吸附消杀设备吸附去除气溶胶的同时，会产生大于60 dB强度的气动噪声，超出了人体可接受环境噪声50 dB阈值的国家标准，造成整个诊疗环境的噪声污染，严重降低了牙科人员诊疗舒适度[6]。本文针对牙科诊疗环境下负压吸附消杀设备气动噪声污染问题，通过研究其结构组成与运行原理，分析了噪声来源；开展了基于Fluent流体力学的吸附管道气动噪声有限元分析，并根据分析结果，提出了可有效降低气动噪声的结构优化方案；最后，通过模型仿真和实验，验证了方案的可行性。

1、牙科负压吸附消杀设备结构组成与工作原理

本文以某口腔医院牙科门诊自主研制负压吸附消杀设备为研究对象，其主要由壳体、负压风机、消毒液容器、连接管道、出风管道、吸附管道和吸附口等7部分组成，设备实物图和结构组成示意图分别如图1和图2所示。在该设备结构组成中，连接管道、出风管道、吸附管道及吸附口的材料均为PVC。牙科诊疗时，吸附消杀设备设置于牙科诊疗椅一侧，诊疗气溶胶由负压风机通过吸附管道经吸附口进行吸附，然后经连接管道通入装有过氧化氢消毒液的容器，最后通过出风管道排出。

图1牙科负压吸附消杀设备实物图

图2牙科负压吸附消杀设备结构组成示意图

2、噪声来源分析

根据负压吸附消杀设备结构组成和其在牙科诊疗环境下对诊疗气溶胶吸附的运行原理，初步分析噪声来源为负压风机运行噪声、气溶胶与吸附口冲击摩擦所致气动噪声及气溶胶与吸附管道冲击摩擦所致气动噪声。然而，由实际噪声检测结果(表1)可知，在吸附管道90°转角处噪声强度最大，而吸附口和出风口处噪声均在50 dB阈值范围内[6],且在壳体全封闭状态下负压风机处噪声明显减弱，因此，确定噪声主要来源为吸附管道。

表1 实际噪声检测结果

表1中所涉及的噪声检测是在一牙科诊疗室内负压吸附消杀设备工作状态下进行，检测过程中，门窗关闭，且无其他噪声源；检测点距离各检测位置(表1)0.5 m, 检测仪器为HY108C-2型声级计(湖南衡阳衡仪电气有限公司);每个检测点检测重复3次，检测结果为3次重复的平均值取整。

3、湍流模型和算法

气溶胶与管道内表面的相对速度和相互作用压力是影响噪声强度的主要因素。考虑到气溶胶在吸附管道内存在旋流和涡效应，本文选择基于湍动能k方程和湍动耗散率ε方程的非平衡壁面RNGk-ε湍流模型数值模拟吸附管道气动噪声[7]。具体k方程(式(1))和ε方程(式(2))如下：

其中，ρ表示颗粒流密度；k表示湍动能；t表示时间；u表示速度矢量；x表示空间坐标；μ表示动力粘度；Pk表示湍动能输运项，ε表示湍动能耗散项。

其中，μt表示湍动粘度，σε表示ε的抑制函数；C1和C2是经验常数。

相应的，对于相对速度和相互作用压力的关联采用SIMPLEC压力修正算法，以使计算更易趋于收敛，提高收敛速度，减少计算损耗。

4、基于Fluent的吸附管道气动噪声计算流体力学有限元模型建立

4.1 创建三维实体模型

根据吸附管道结构尺寸(图3),忽略转角接头管件螺纹、密封圈等细小特征，利用SolidWorks 三维建模软件，建立截面直径为50 mm的吸附管道三维模型(图4)。

3 吸附管道结构尺寸示意图

图4 吸附管道三维模型

4.2 网格划分与材料定义

将吸附管道三维模型导入Ansys Fluent计算流体力学有限元分析软件，采用ICEM划分流体域网格，并根据曲率在转角处进行网格加密，其模型节点数为22549,网格数为107858,网格模型如图5所示。考虑到负压吸附过程中吸附管道内流体域气溶胶含量占比远小于空气，因此，在分析过程中，将流体域材料设置为空气，如图6所示。

图5吸附管道网格模型

4.3 定义边界条件

根据牙科诊疗环境下负压吸附消杀设备吸附气溶胶运行原理，负压风机是气溶胶吸附的动力部件，其主要技术参数如表2所示。

图6定义流体域材料

表2 负压风机运行主要技术参数

按照现有吸附管道截面直径为50 mm的尺寸，结合管道流速计算公式，即流速=流量/管道截面积公式，计算风机入口处风速：

综合以上边界条件，定义有限元分析模型inlet、outlet、fluid、wall, 并结合负压吸附消杀设备实际运行状况，定义收敛判断条件为所有物理量误差小于1.0E-4。

5、模型求解与结果分析

取流体域入口处为声源采集点1,管道中转弯处为声源采集点2,设置过程如图7所示。利用RNGk-ε湍流模型，结合SIMPLEC算法，完成稳态流场速度-压力解耦；利用LES大涡模型，结合PISO算法，进行吸附管道内瞬态流场噪声分析。为减少计算损耗，计算模型参数比例设置为0.1。分析结果如图8-图12所示。

图7设置声源采集位置

图8质量流率曲线

图9 流场压力云图

图1 0 流场速度云图

图11声源1声压与频率曲线

图12声源2声压与频率曲线

由图8可知，吸附管道入口和出口质量流率趋于0,证明所建有限元模型有效且可靠；由图9可知，最大流场压力出现在管道中转弯处，为315 Pa, 且根据图10,在管道中转弯处流场流速有突变，最大流速为41.7 m/s。由图11和图12可知，流体域入口处声源采集点平均声强为40 dB,管道中转弯处声源采集点平均声强为60 dB,与实际所测声强基本一致。

6、噪声优化

根据有限元计算结果分析，原气溶胶吸附管道中入口转弯处噪声偏大。最近的研究表明：管路结构变化，会引起气流流动状态改变，从而导致气体与管路壁面间压力脉动产生较强气动噪声[8]。因此，本文将通过优化吸附管道结构，采用平滑过渡结构以减小噪声，优化后吸附管道结构及几何尺寸示意图如图13所示。

图13优化后吸附管道结构及几何尺寸示意图

针对优化后吸附管道结构，建立有限元分析模型，并取流体域入口处为声源采集点1,管道末靠近负压电机的转角处为声源采集点2,进行稳态流场速度-压力解耦和瞬态噪声分析，结果如图14-图17所示。

图1 4 流场压力云图

图1 5 流场速度云图

根据图14,管道入口流场压力分布均匀，且最大为150 Pa, 仅为原管道结构最大压力的一半。根据图15,优化后，管道内流场最大空气流速为33 m/s(在转角处，由于总体结构限制，此转角不易优化),有明显的下降。由图16可知，流场入口处声源采集点平均声强为30 dB,相比原管道结构入口处平均声强有明显的改善。然而，根据图17,靠近负压电机的转角处平均声强为55 dB,虽比优化前有下降，但仍超过了标准阈值，因此，可考虑使用隔音棉降低此处噪声。

图16声源1声压与频率曲线

图17声源2声压与频率曲线

7、实验

根据优化结果，采用可定位万向竹节管和大广角三通道吸附口结构代替原PVC吸附管道(图18),并在负压风机安装壳体内表面设置隔音棉以降低负压风机运行噪声。开展优化后牙科气溶胶负压吸附消杀设备噪声检测实验(图19),靠近负压电机转角处的噪声平均声强检测结果分别为33 dB和41 dB,验证了优化方案的可行性。

8、结论

(1)本文基于Fluent软件建立针对负压吸附消杀设备吸附管噪声优化的有限元分析模型，并通过结构优化，降低了负压吸附消杀设备去除牙科诊疗气溶胶过程中所产生的气动噪声，为解决负压吸附消杀设备噪声问题提供了有效途径。

(2)根据吸附管道流体域瞬态场分析结果，管道曲率变化越大，所产生噪声越大。建议负压吸附消杀设备采用可定位万向竹节管作为吸附管，以使吸附管道结构平滑过渡，并将风机安装于内表面贴敷隔音棉的封闭壳体中，以此充分降低设备运行气动噪声。

图1 8 优化后负压吸附消杀设备

图1 9 优化后负压吸附噪声检测实验

参考文献:

[1]秋落.反思比利时Dentology+牙科诊所[J].室内设计与装修,2022(7):40-45.

[2]李斐.灯光在室内牙科诊疗室的应用[J].匠心,2023(2):166-168.

[4]安娜,岳林,赵彬.对口腔诊室中飞沫和气溶胶的认知与感染防控措施[J].中华口腔医学杂志,2020,55(4):223-228.

[5]苏静.气溶胶传播风险与口腔诊疗综合防控策略[J].中华口腔医学杂志,2020,55(4):229-234.

[6]环境保护部.工业企业厂界环境噪声排放标准:GB 12348—2008[S].北京:中国环境科学出版社,2008.

[7]郝毓雅,张志强.不同湍流模型下空中加油吊舱尾流场对比分析[J].现代机械,2018(3):72-77.