Существуют две различные формы, два режима течения жидкостей: ламинарное и турбулентное течения. Течение называется ламинарным (слоистым), если вдоль потока каждый выделенный тонкий слой скользит относительно соседних, не перемешиваясь с ними, и турбулентным (вихревым), если вдоль потока происходит интенсивное вихреобразование и перемешивание жидкости (газа).
Ламинарное течение жидкости наблюдается при небольших скоростях ее движения. При ламинарном течении траектории всех частиц параллельны и формой своей повторяют границы потока. В круглой трубе, например, жидкость движется цилиндрическими слоями, образующие которых параллельны стенкам и оси трубы. В прямоугольном, бесконечной ширины канале жидкость движется как бы слоями, параллельными его дну. В каждой точке потока скорость остается по направлению постоянной. Если скорость при этом не меняется со временем и по величине, движение называется установившимся. Для ламинарного движения в трубе эпюра распределения скорости в поперечном сечении имеет вид параболы с максимальной скоростью на оси трубы и с нулевым значением у стенок, где образуется прилипший слой жидкости. Внешний слой жидкости, примыкающий к поверхности трубы, в которой она течет, из-за сил молекулярного сцепления прилипает к ней и остается неподвижным. Скорости последующих слоев тем больше, чем больше их расстояние до поверхности трубы, и наибольшей скоростью обладает слой, движущийся вдоль оси трубы. Профиль усредненной скорости турбулентного течения в трубах (рис. 53) отличается от параболического профиля соответствующего ламинарного течения более быстрым возрастанием скорости υ.
Рисунок 9 Профили (эпюры) ламинарного и турбулентного течений жидкости в трубах
Среднее значение скорости в поперечном сечении круглой трубы при установившемся ламинарном течении определяется законом Гагена - Пуазейля:
(8)
где р 1 и р 2 - давление в двух поперечных сечениях трубы, отстоящих друг от друга на расстоянии Δх; r - радиус трубы; η - коэффициент вязкости.
Закон Гагена - Пуазейля легко может быть проверен. При этом оказывается, что для обычных жидкостей он справедлив лишь при малых скоростях течения или малых размерах труб. Точнее сказать, закон Гагена-Пуазейля выполняется лишь при малых значениях числа Рейнольдса:
(9)
где υ - средняя скорость в поперечном сечении трубы; l - характерный размер, в данном случае - диаметр трубы; ν - коэффициент кинематической вязкости.
Английский ученый Осборн Рейнольдс (1842 - 1912) в 1883 г. произвел опыт по следующей схеме: у входа в трубу, по которой течет установившийся поток жидкости, помещалась тонкая трубка так, чтобы ее отверстие находилось на оси трубки. Через трубочку в поток жидкости подавалась краска. Пока существовало ламинарное течение, краска двигалась примерно вдоль оси трубы в виде тонкой, резко ограниченной полоски. Затем, начиная с некоторого значения скорости, которое Рейнольдс назвал критическим, на полоске возникли волнообразные возмущения и отдельные быстро затухающие вихри. По мере роста скорости число их становилось больше, и они начинали развиваться. При некотором значении скорости полоска распадалась на отдельные вихри, которые распространялись на всю толщину потока жидкости, вызывая интенсивное перемешивание и окрашивание всей жидкости. Такое течение было названо турбулентным .
Начиная
с критического значения скорости,
нарушался и закон Гагена - Пуазейля.
Повторяя опыты с трубами разного
диаметра, с разными жидкостями, Рейнольдс
обнаружил, что критическая скорость,
при которой нарушается параллельность
векторов скоростей течения, менялась
в зависимости от размеров потока и
вязкости жидкости, но всегда таким
образом, что безразмерное число
принимало в области перехода от
ламинарного течения к турбулентному
определенное постоянное значение.
Английский ученый О. Рейнольдс (1842 - 1912) доказал, что характер течения зависит от безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса:
(10)
где ν = η/ρ - кинематическая вязкость, ρ - плотность жидкости, υ ср - средняя по сечению трубы скорость жидкости, l - характерный линейный размер, например диаметр трубы.
Таким образом, до некоторого значения числа Re существует устойчивое ламинарное течение, а затем в некоторой области значений этого числа ламинарное течение перестает быть устойчивым и в потоке возникают отдельные, более или менее быстро затухающие возмущения. Эти значения числа Рейнольдс назвал критическими Re кр. При дальнейшем увеличении значения числа Рейнольдса движение становится турбулентным. Область критических значений Re лежит обычно между 1500-2500. Надо отметить, что на значение Re кр оказывает влияние характер входа в трубу и степень шероховатости ее стенок. При очень гладких стенках и особо плавном входе в трубу критическое значение числа Рейнольдса удавалось поднять до 20 000, а если вход в трубу имеет острые края, заусеницы и т. д. .или стенки трубы шероховатые, значение Re кр может упасть до 800-1000.
При турбулентном течении частицы жидкости приобретают составляющие скоростей, перпендикулярные течению, поэтому они могут переходить из одного слоя в другой. Скорость частиц жидкости быстро возрастает по мере удаления от поверхности трубы, затем изменяется довольно незначительно. Так как частицы жидкости переходят из одного слоя в другой, то их скорости в различных слоях мало отличаются. Из-за большого градиента скоростей у поверхности трубы обычно происходит образование вихрей.
Турбулентное течение жидкостей наиболее распространено в природе и технике. Течение воздуха в. атмосфере, воды в морях и реках, в каналах, в трубах всегда турбулентно. В природе ламинарное движение встречается при фильтрации воды в тонких порах мелкозернистых грунтов.
Изучение турбулентного течения и построение его теории чрезвычайно осложнено. Экспериментальные и математические трудности этих исследований до сих пор преодолены лишь частично. Поэтому ряд практически важных задач (течение воды в каналах и реках, движение самолета заданного профиля в воздухе и др.) приходится либо решать приблизительно, либо испытанием соответствующих моделей в специальных гидродинамических трубах. Для перехода от результатов, полученных на модели, к явлению в натуре служит так называемая теория подобия. Число Рейнольдса является одним из основных критериев подобия течения вязкой жидкости. Поэтому определение его практически весьма важно. В данной работе наблюдается переход от ламинарного течения к турбулентному и определяется несколько значений числа Рейнольдса: в области ламинарного течения, в переходной области (критическое течение) и при турбулентном течении.
В динамике жидкости ламинарный (обтекаемый) поток возникает, когда жидкость течёт слоями без разрыва между слоями.
При низких скоростях жидкость имеет свойство течь без бокового перемешивания — соседние слои скользят мимо друг друга, как игральные карты. Здесь нет поперечных токов, перпендикулярных направлению потока, вихрей или пульсаций.
В ламинарном потоке движение частиц жидкости происходит упорядоченно, по прямым линиям, параллельно поверхности. Ламинарное течение — режим потока с высокой диффузией импульса и конвекцией низкого импульса.
Если жидкость течёт через закрытый канал (трубку) или между двух плоских пластин, может возникнуть ламинарный либо турбулентный поток — это зависит от скорости и вязкости жидкости. Ламинарный поток возникает при более низких скоростях, которые ниже порога, при котором он становится турбулентным. Турбулентный поток представляет собой менее упорядоченный режим потока, с вихрями или небольшими пакетами частиц жидкости, что приводит к боковому перемешиванию. В ненаучных терминах ламинарный поток называют гладким.
Всё же, чтобы лучше понять, что есть такое «ламинарный» поток, лучше один раз увидеть как выглядит этот «пластинчатый» поток. Жидкость движется и не движется — это очень характерное описание ламинарного течения. Поток будто замёрзшая струя, но достаточно подставить под эту струю руку, чтобы увидеть движение воды (любой другой жидкости).
Когда жидкость протекает через закрытый канал, такие как труба или между двумя плоскими пластинами, либо из двух типов потока может иметь место в зависимости от скорости и вязкости жидкости: ламинарный потока или турбулентного потока . Ламинарный поток имеет тенденцию к возникновению при более низких скоростях, ниже порога, при котором он становится турбулентным. Турбулентный поток является менее упорядоченно режимом потока, который характеризуется завихрениями или небольшими пакетами жидких частиц, которые приводят к боковому перемешиванию. В не-научных терминах, ламинарный поток является гладким , в то время как турбулентный поток является грубым .
Отношения с числом Рейнольдса
Тип потока, происходящих в жидкости в канале имеет важное значение в задачах динамики текучих сред, а затем воздействует тепло и массообмен в системах текучих сред. Безразмерное число Рейнольдса является важным параметром в уравнениях, которые описывают ли привести полностью разработанные условия потока в ламинарный или турбулентный поток. Число Рейнольдса отношения силы инерции к сдвигающей силе жидкости: как быстро жидкость двигается относительно того, как вязкое это, независимо от масштаба системы текучей среды. Ламинарный поток обычно происходит, когда жидкость двигается медленно или жидкость очень вязкая. В увеличении числа Рейнольдса, например, за счет увеличения скорости потока текучей среды, поток будет переход от ламинарного к турбулентному потоку в определенном диапазоне чисел Рейнольдса ламинарно-турбулентного перехода диапазона в зависимости от малых уровней помех в жидкости или несовершенства в проточной системе. Если число Рейнольдса очень мало, гораздо меньше, чем 1, то жидкость будет проявлять Стоукс , или ползучий, поток, где сила вязкости флюида доминировать инерционные силы.
Конкретный расчет числа Рейнольдса, а значения, где происходит ламинарное течение, будет зависеть от геометрии системы потока и структуры потока. Общий пример потока через трубу , где число Рейнольдса определяется как
R e = ρ u D H μ = u D H ν = Q D H ν A , {\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho uD_{\text{H}}}{\mu }}={\frac {uD_{\text{H}}}{\nu }}={\frac {QD_{\text{H}}}{\nu A}},} Д Н представляет собой гидравлический диаметр трубы (м); Q представляет собой объемный расход (м 3 / с); Это область трубы в поперечном сечении (м 2); U является средней скоростью жидкости ( единицы СИ : м / с); μ представляет собой динамическую вязкость жидкости (Па · с = Н · с / м 2 = кг / (м · с)); ν является кинематической вязкостью жидкости, ν = μ / р (м 2 / с); ρ представляет собой плотность жидкости (кг / м 3).Для таких систем, ламинарный поток имеет место, когда число Рейнольдса ниже критического значения приблизительно 2040, хотя диапазон перехода обычно составляет от 1,800 и 2,100.
Для гидравлических систем, происходящих на внешних поверхностях, таких как обтекания объектов, взвешенных в жидкости, другие определения для чисел Рейнольдса могут быть использованы для прогнозирования тип потока вокруг объекта. Частицы число Рейнольдса Re р будет использоваться для частиц, взвешенных в жидкости текучей, например. Как и в случае потока в трубах, ламинарный поток, как правило, происходит при более низких значениях числа Рейнольдса, в то время турбулентного потока и связанные с ними явления, такие как вихрей , происходит при более высоких числах Рейнольдса.
Примеры
Общее применение ламинарного потока в гладком потоке вязкой жидкости через трубку или трубу. В этом случае скорость потока изменяется от нуля на стенках максимума вдоль центра поперечного сечения сосуда. Профиль потока ламинарного потока в трубе может быть рассчитан путем деления потока в тонкие цилиндрических элементы и применения вязкой силы к ним.
Другой пример может служить потоком воздуха над самолетом крылом . Пограничный слой представляет собой очень тонкий лист воздуха, лежащий на поверхность крыла (и все другие поверхности самолета). Поскольку воздух имеет вязкость , этот слой воздуха имеет тенденцию прилипать к крылу. По мере того как крыло двигается вперед по воздуху, пограничный слой сначала плавно перетекает над обтекаемой формой из аэродинамического профиля . Здесь поток ламинарный и пограничный слой является ламинарным слоем . Прандтль применил концепцию ламинарного пограничного слоя с аэродинамическими поверхностями в 1904 году.
барьеры ламинарного потока
Ламинарный поток воздуха используется для разделения объемов воздуха, или предотвратить в воздухе загрязняющих веществ из входе в зону. Капоты ламинарного потока используется для исключения загрязнения из чувствительных процессов в области науки, электронике и медицине. Воздушные завесы часто используются в коммерческих условиях, чтобы нагретый или охлажденный воздух проходит через дверные проемы. Реактор с ламинарным потоком (LFR) представляет собой реактор , который использует ламинарный поток для изучения химических реакций и механизмов процесса.
В течение последних десяти лет за рубежом и в нашей стране возросло количество гнойно-воспалительных заболеваний вследствие инфекций, которые приобрели название «внутрибольничные» (ВБИ) – так определила Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ). По анализу заболеваний, вызванных ВБИ, можно сказать, что их продолжительность и частота напрямую зависят от состояния воздушной среды больничных помещений. Для того, чтобы обеспечить требуемые параметры микроклимата в операционных залах (и производственных чистых помещениях), используются воздухораспределители однонаправленного потока. Как показали результаты контроля окружающей среды и анализа движения воздушных потоков, работа таких распределителей может обеспечить требуемые параметры микроклимата, однако отрицательно влияет на бактериологический состав воздуха. Для достижения необходимой степени защиты критической зоны нужно чтобы поток воздуха, который выходит из устройства, не терял форму границ и сохранял прямолинейность движения, другими словами, поток воздуха не должен сужаться или расширяться над выбранной для защиты зоной, в которой находится хирургический стол.
В структуре здания больницы помещения операционных требуют наибольшей ответственности из-за важности хирургического процесса и обеспечения необходимых условий микроклимата для того, чтобы этот процесс был удачно проведен и завершен. Основным источником выделения различных бактериальных частиц является непосредственно медицинский персонал, который генерирует частицы и выделяет микроорганизмы во время движения по помещению. Интенсивность появления новых частиц в воздушном пространстве помещения зависит от температуры, степени подвижности людей, скорости движения воздуха. ВБИ, как правило, перемещается по помещению операционного зала с воздушными потоками, и никогда не падает вероятность ее проникновения в уязвимую полость раны оперируемого больного. Как показали наблюдения, неправильная организация работы систем вентиляции обычно приводит к настолько быстрому накоплению инфекции в помещении, что ее уровень может превысить допустимую норму .
Уже несколько десятков лет зарубежные специалисты пытаются разработать системные решения по обеспечению необходимых условий воздушной среды операционных палат. Поток воздуха, который поступает в помещение, должен не только поддерживать параметры микроклимата, ассимилировать вредные факторы (тепло, запах, влажность, вредные вещества), но и поддерживать защиту выбранных зон от возможности попадания в них инфекции, а значит - обеспечивать требуемую чистоту воздуха операционных. Зона, в которой проводят инвазивные операции (проникновение в организм человека), называется «критической» или операционной зоной . Стандартом такая зона определяется как «операционная санитарно-защитная зона», под этим понятием подразумевается пространство, в котором размещены операционный стол, аппаратура, столики для инструментов, и находится медицинский персонал. В есть такое понятие, как «технологическое ядро». Оно относится к зоне, в которой ведутся производственные процессы в условиях стерильности, эту зону можно по смыслу соотнести с операционной.
Для того, чтобы предотвратить проникновение бактериального загрязнения в самые критические области, широкое применение получили способы экранирования, в основе которого лежит использование вытеснения воздушного потока. С этой целью были разработаны воздухораспределители ламинарного потока воздуха, имеющие различную конструкцию. Позже «ламинарный» стал называться «однонаправленным» потоком. Сегодня можно встретить самые разные варианты названия воздухораспределяющих устройств для чистоты помещений, например, «ламинарный потолок», «ламинар», «операционная система чистого воздуха», «операционный потолок» и прочие, но от этого их суть не меняется. Распределитель воздуха встраивается в конструкцию потолка над защищаемой зоной помещения. Он может быть различных размеров, это зависит от расхода воздуха. Оптимальная площадь такого потолка не должна быть менее 9 м 2 , для того чтобы он мог полностью перекрыть зону со столами, персоналом и оборудованием. Вытесняющий поток воздуха малыми порциями медленно поступает сверху вниз, отделяя, таким образом, асептическое поле зоны операционного воздействия, зону, где передается стерильный материал от зоны окружающей среды. Воздух удаляется из нижней и верхней зон защищаемого помещения одновременно. В потолок встраиваются HEPA-фильтры (класс Н по ), которые пропускают через себя приток воздуха. Фильтры только задерживают живые частицы, не обеззараживая их.
В последнее время на мировом уровне возросло внимание к вопросам обеззараживания воздушной среды больничных помещений и других учреждений, в которых присутствуют источники бактериальных загрязнений. В документах изложены требования о том, что необходимо обеззараживать воздух операционных помещений с эффективностью деактивации частиц от 95% и выше. Обеззараживанию подлежат также оборудование климатических систем и воздуховод . Бактерии и частицы, которые выделяет хирургический персонал, поступают в воздушную среду помещения непрерывно и накапливаются в ней. Для того, чтобы не дать концентрации вредных веществ в помещении достичь предельно допустимого уровня , необходимо постоянно контролировать воздушную среду. Этот контроль проводится в обязательном порядке после монтажа климатической системы, ремонта или технического обслуживания, то есть в то время, когда используется чистое помещение.
Для проектировщиков уже стало привычным применение в операционных помещениях воздухораспределителей однонаправленного потока сверхтонкой очистки со встроенными фильтрами потолочного типа.
Потоки воздуха, имеющие большие объемы, медленно движутся вниз помещения, отделяя, таким образом, защищаемую зону от окружающего воздуха. Однако многие специалисты не переживают о том, что одними только этими решениями для поддержания необходимого уровня обеззараживания воздушной среды во время проведения хирургических операций не обойтись.
Предложено большое количество вариантов конструкций воздухораспределительных устройств, каждый из них получил свое применение в определенной области. Специальные операционные помещения между собой внутри своего класса делятся на подклассы в зависимости от назначения по степени чистоты. Например, операционные кардиохирургические, общего профиля, ортопедические и т.д. Для каждого класса определены свои требования к обеспечению чистоты.
Впервые воздухораспределители для чистых помещений были применены в середине 50-х годов прошлого столетия. С того времени распределение воздуха в производственных помещениях стало традиционным в тех случаях, когда необходимо обеспечить сниженные концентрации микроорганизмов или частиц, производится все это через перфорированный потолок . Поток воздуха движется в одном направлении через весь объем помещения, скорость при этом остается равномерной - примерно 0,3 – 0,5 м/с. Подача воздуха производится через группу воздушных фильтров, обладающих высокой эффективностью, которые размещены на потолке чистого помещения. Воздушный поток подается по принципу воздушного поршня, который стремительно движется вниз через все помещение, удаляя вредные вещества и загрязнения. Удаляется воздух через пол. Такое движение воздуха способно удалить аэрозольные загрязнения, источниками которых служат процессы и персонал. Организация такой вентиляции нацелена на обеспечение необходимой чистоты воздуха операционного помещения. Ее минус в том, что она требует большого расхода воздуха, что не экономично. Для чистых помещений класса ISO 6 (по классификации ISO) или класса 1 000 допускается воздухообмен 70-160 крат/ч. Уже позже на смену пришли более эффективные устройства модульного типа, имеющие меньшие размеры и низкие расходы, что позволяет выбирать приточное устройство, отталкиваясь от размеров зоны защиты и необходимых кратностей обмена воздуха в помещении в зависимости от его назначения.
Эксплуатация ламинарных воздухораспределителей
Ламинарные устройства предназначены для применения в чистых производственных помещениях для раздачи воздуха больших объемов. Для реализации необходимы специально спроектированные потолки, регулирование давления в помещении и напольные вытяжки. При соблюдении этих условий распределители ламинарного потока обязательно создадут необходимый однонаправленный поток, имеющий параллельные линии тока. Благодаря высокой кратности воздухообмена, в приточном потоке воздуха поддерживаются условия, близкие к изотермическим. Спроектированные для распределения воздуха при обширных воздухообменах, потолки обеспечивают низкую стартовую скорость потока за счет своей большой площади. Контроль изменения давления воздуха в помещении и результат работы вытяжных устройств обеспечивают минимальные размеры зон рециркуляции воздуха, здесь срабатывает принцип «один проход и один выход». Взвешенные частицы падают на пол и удаляются, поэтому их рециркуляция практически невозможна.
Однако в условиях операционного помещения такие воздухонагреватели работают несколько иначе. Чтобы не превысить допустимые уровни бактериологической чистоты воздушной среды в операционных помещениях, по расчетам значения воздухообмена составляют около 25 крат/ч, а бывает и меньше. Другими словами, эти значения не сопоставимы со значениями, рассчитанными для производственных помещений. Чтобы поддерживать стабильное движение воздушных потоков между операционной и соседними помещениями, в операционной поддерживается избыточное давление. Воздух удаляется через вытяжные устройства, которые установлены симметрично в стенах нижней зоны. Для раздачи меньших объемов воздуха используются ламинарные устройства меньшей площади, устанавливаются они непосредственно над критической зоной помещения как островок посередине комнаты, а не занимают весь потолок.
По результатам наблюдений такие ламинарные воздухораспределители не всегда смогут обеспечить однонаправленный поток. Поскольку разница между температурой в приточной струе воздуха и температурой окружающей воздушной среды в 5-7 °С неизбежна, воздух более холодный, выходящий из приточного устройства, опустится гораздо быстрее, чем однонаправленный изотермический поток. Это привычное явление для работы потолочных диффузоров, установленных в общественных помещениях. Мнение о том, что ламинары обеспечивают однонаправленный стабильный воздушный поток в любом случае, независимо от того, где и как их применяют, ошибочно. Ведь в реальных условиях скорость вертикального низкотемпературного ламинарного потока будет расти по мере опускания к полу.
С увеличением объема приточного воздуха и снижением его температуры по отношению к воздуху помещения увеличивается ускорение его потока. Как показано в таблице, благодаря применению ламинарной системы, площадь которой 3 м 2 , а температурный перепад 9 °С, скорость воздуха на расстоянии 1,8 м от выхода увеличивается в три раза. На выходе из ламинарного устройства скорость воздуха составляет 0,15 м/с, а в районе операционного стола - 0,46 м/с, что превышает допустимый уровень . Многие исследования уже давно доказали, что при повышенной скорости приточного потока его «однонаправленность» не сохраняется.
| Расход воздуха, м 3 /(ч м 2) | Давление, Па | Скорость воздуха на расстоянии 2 м от панели, м/с | |||||
| 3 °С T | 6 °С T | 8 °С T | 11 °С T | NC | |||
| Одиночная панель | 183 | 2 | 0,10 | 0,13 | 0,15 | 0,18 | <20 |
| 366 | 8 | 0,18 | 0,20 | 0,23 | 0,28 | <20 | |
| 549 | 18 | 0,25 | 0,31 | 0,36 | 0,41 | 21 | |
| 732 | 32 | 0,33 | 0,41 | 0,48 | 0,53 | 25 | |
| 1,5 – 3,0 м 2 | 183 | 2 | 0,10 | 0,15 | 0,15 | 0,18 | <20 |
| 366 | 8 | 0,18 | 0,23 | 0,25 | 0,31 | 22 | |
| 549 | 18 | 0,25 | 0,33 | 0,41 | 0,46 | 26 | |
| 732 | 32 | 0,36 | 0,46 | 0,53 | – | 30 | |
| Более 3 м 2 | 183 | 2 | 0,13 | 0,15 | 0,18 | 0,20 | 21 |
| 366 | 8 | 0,20 | 0,25 | 0,31 | 0,33 | 25 | |
| 549 | 18 | 0,31 | 0,38 | 0,46 | 0,51 | 29 | |
| 732 | 32 | 0,41 | 0,51 | – | – | 33 | |
Результаты анализа контроля воздушной среды в помещениях операционных, проводимого Льюисом (Lewis, 1993) и Салвати (Salvati, 1982), выявили, что в некоторых случаях использование ламинарных установок с завышенными скоростями воздуха обуславливает рост уровня обсемененности воздуха в районе хирургического разреза, что может привести к его заражению.
Зависимость изменения скорости потока воздуха от температуры приточного воздуха и величины площади ламинарной панели отражена в таблице. При движении воздуха от начальной точки линии тока будут идти параллельно, затем границы потока поменяются, произойдет сужение в направлении к полу, а, следовательно, он уже не сможет защищать зону, которую определили размеры ламинарной установки. Имея скорость 0,46 м/с, поток воздуха захватит малоподвижный воздух помещения. А поскольку в помещение непрерывно поступают бактерии, в поток воздуха, выходящего из приточного устройства, будут попадать зараженные частицы. Этому содействует рециркуляция воздуха, которая возникает из-за подпора воздуха в помещении.
Для поддержания чистоты операционных помещений, согласно нормам , необходимо обеспечить дисбаланс воздуха за счет увеличения притока на 10% больше, чем вытяжка. Избыточный воздух поступает в смежные, не очищенные помещения. В современных операционных часто используются герметичные раздвижные двери, тогда избыточный воздух не может выйти и циркулирует по помещению, после чего забирается снова в приточное устройство с помощью встроенных вентиляторов, далее он проходит очистку в фильтрах и вторично подается в помещение. Циркулирующий поток воздуха собирает все загрязненные вещества из воздуха помещения (если он будет двигаться вблизи приточного потока, то может его загрязнить). Поскольку происходит нарушение границ потока, неизбежно подмешивание в него воздуха из пространства помещения, а, следовательно, и проникновение в защищаемую стерильную зону вредных частиц.
Повышенная подвижность воздуха влечет за собой интенсивное отслоение частиц отмершей кожи с открытых участков кожного покрова медицинского персонала, после чего они попадают в хирургический разрез. Однако, с другой стороны, развитие инфекционных заболеваний в период реабилитации после операции является следствием гипотермического состояния больного, которое усугубляется при воздействии на него подвижных потоков холодного воздуха. Итак, рационально работающий традиционный воздухораспределитель ламинарного потока в чистом производственном помещении может принести не только пользу, но и вред в процессе операции, проводимой в обычной операционной.
Такая особенность характерна для ламинарных устройств со средней площадью около 3 м 2 – оптимальной для защиты операционной зоны. По американским требованиям , скорость потока воздуха на выходе из ламинарного устройства не должна быть выше 0,15 м/с, то есть с площади 0,09 м 2 в помещение должно приходить 14 л/с воздуха. В данном случае будет поступать 466 л/с (1677,6 м 3 /ч) или около 17 крат/ч. Поскольку согласно нормативная величина воздухообмена в операционных помещениях должна составлять 20 крат/ч, согласно – 25 крат/ч, то 17 крат/ч вполне соответствует требуемым нормам. Выходит, что значение 20 крат/ч подходит для помещения, имеющего объем 64 м 3 .
По нынешним нормам площадь общехирургического профиля (стандартной операционной) должна быть не менее 36 м 2 . Однако к операционным, предназначенным для проведения более сложных операций (ортопедических, кардиологических и т.д.), предъявляются более высокие требования, зачастую объем таких операционных - около 135 – 150 м 3 . Для таких случаев потребуется система распределения воздуха, имеющая большую площадь и производительность воздуха.
Если организуется приток воздуха для операционных большего размера, это приводит к возникновению проблемы поддержания ламинарности потока от уровня на выходе до операционного стола. Проводились исследования потоков воздуха в нескольких операционных помещениях. В каждом из них устанавливались ламинарные панели, которые по занимаемой площади можно разделить на две группы: 1,5 – 3 м 2 и более 3 м 2 , а также были построены экспериментальные установки для кондиционирования воздуха, которые позволяют менять значение температуры приточного воздуха. В ходе исследования были проведены замеры скорости поступающего воздушного потока при различных его расходах и изменении температуры; эти замеры можно увидеть в таблице.
Критерии чистоты операционных помещений
Для правильной организации циркуляции и распределения воздуха в помещении необходимо выбрать рациональный размер приточных панелей, обеспечить нормативную скорость потока и температуру приточного воздуха. Однако эти факторы не гарантируют абсолютное обеззараживание воздуха. Более 30 лет ученые решают вопрос обеззараживания операционных помещений и предлагают разные противоэпидемиологические мероприятия. Сегодня же перед требованиями современных нормативных документов по эксплуатации и проектированию больничных помещений стоит цель обеззараживания воздуха, где основным способом предупреждения накопления и распространения инфекций являются системы ОВК .
Например, согласно стандарту , главная цель его требований – обеззараживание, а в сказано, что «правильно спроектированная система ОВК сводит к минимуму воздушно-капельное распространение вирусов, спор грибков, бактерий и других биологических загрязнений», главную роль в контроле инфекций и других вредных факторов играет система ОВК. В определены требования к системам кондиционирования воздуха помещений, которые говорят о том, что проектирование системы подачи воздуха должно обеспечить минимизацию проникновения бактерий вместе с воздухом в чистые зоны, и поддержать максимально возможный уровень чистоты в оставшейся части операционного помещения.
Однако в нормативных документах не содержатся прямые требования, отражающие определение и контроль эффективности обеззараживания помещений с различными способами вентиляции. Поэтому при проектировании приходится заниматься поисками, которые требуют много времени и не дают заниматься основной работой.
Было выпущено большое количество нормативной литературы о проектировании систем ОВК для операционных залов, в ней описаны требования к обеззараживанию воздушной среды, которым проектировщикоу достаточно трудно соответствовать по целому ряду причин. Для этого мало только знать современное обеззараживающее оборудование и правила работы с ним, нужно еще поддерживать дальнейший своевременный эпидемиологический контроль воздуха в помещениях, что и создает представление качества работы систем ОВК. Это, к сожалению, не всегда соблюдается. Если производимая оценка чистоты производственных помещений ориентируется на наличие в нем частиц (взвешенных веществ), то показатель чистоты в чистых больничных помещениях представлен живыми бактериальными или колониеобразующими частицами, их допустимые уровни приведены в . Чтобы не превысить эти уровни, нужен регулярный контроль воздуха помещений по микробиологическим показателям, для этого требуется вести подсчет микроорганизмов. Методика сбора и подсчета для оценки уровня чистоты воздушной среды не была приведена ни в одном нормативном документе. Очень важно, что подсчет микроорганизмов должен производиться в рабочем помещении во время проведения операции. Но для этого требуется готовый проект и установка системы распределения воздуха. Степень обеззараживания или эффективности работы системы определить до начала работы в операционном зале невозможно, устанавливается это только во время проведения хотя бы нескольких операций. Здесь возникает ряд трудностей для инженеров, ведь необходимые исследования противоречат соблюдению противоэпидемической дисциплины больничных помещений.
Способ воздушных завес
Правильно организованная совместная работа притока и удаления воздуха обеспечивает требуемый воздушный режим операционного зала. Для улучшения характера движения потоков воздуха в операционной необходимо обеспечить рациональное взаиморасположение вытяжных и приточных устройств.
Рис. 1. Анализ работы воздушной завесы
Использование как площади всего потолка для распределения воздуха, так и всего пола для отведения является невозможным. Вытяжные устройства на полу – это негигиенично, поскольку они быстро загрязняются и трудно очищаются. Сложные, громоздкие и дорогие системы не получили широкого распространения в небольших операционных палатах. Поэтому наиболее рациональным считается «островное» размещение ламинарных панелей над защищаемой зоной и установка вытяжных отверстий в нижней части помещения. Это дает возможность организовать потоки воздуха по аналогии с чистыми промышленными помещениями. Этот способ более дешевый и компактный. Успешно применяются воздушные завесы, выступающие как защитный барьер. Воздушная завеса соединяется с потоком приточного воздуха, образуя узкую «оболочку» из воздуха с большей скоростью, которую специально создают по периметру потолка. Такая завеса постоянно работает на вытяжку и не дает поступать в ламинарный поток загрязненному окружающему воздуху.
Чтобы лучше понять принцип работы воздушной завесы, можно представить операционное помещение с вытяжкой, установленной со всех четырех сторон комнаты. Приток воздуха, который поступает из расположенного в центре потолка «ламинарного островка», может только опускаться вниз, при этом расширяясь в стороны стен по мере приближения к полу. Это решение позволит уменьшить зоны рециркуляции и размеры участков застоя, где собираются вредные микроорганизмы, предотвратить смешение воздуха помещения с ламинарным потоком, снизить его ускорение, стабилизировать скорость и получить перекрытие нисходящим потоком всей стерильной зоны. Это способствует изоляции защищаемой зоны от окружающего воздуха и позволяет удалить из нее биологические загрязнители.
Рис. 2 показывает стандартную конструкцию воздушной завесы, имеющей щели по периметру комнаты. Если организовать вытяжку по периметру ламинарного потока, произойдет его растягивание, воздушный поток расширится и заполнит всю зону под завесой, и как результат предотвращение эффекта «сужения» и стабилизация требуемой скорости ламинарного потока.
Рис. 2. Схема воздушной завесы
На рис. 3 представлены значения фактической скорости воздуха при правильно спроектированной воздушной завесе. Они наглядно показывают взаимодействие воздушной завесы с ламинарным потоком, который движется равномерно. Воздушная завеса позволяет избежать установки громоздкой вытяжной системы на весь периметр помещения. Вместо нее, как принято в операционных, в стенах устанавливается традиционная вытяжка. Воздушная завеса служит защитой зоны, охватывающей хирургический персонал и стол, не дает возвращаться загрязненным частицам в начальный воздушный поток.
Рис. 3. Фактический профиль скоростей в сечении воздушной завесы
Какого же уровня обеззараживания можно добиться при использовании воздушной завесы? Если ее плохо спроектировать, то она не принесет большего эффекта, чем ламинарная система. Ошибиться можно на высокой скорости воздуха, тогда такая завеса может «вытягивать» воздушный поток быстрее, чем нужно, и он не успеет достичь операционного стола. Неконтролируемое поведение потока может дать угрозу проникновения зараженных частиц в защищаемую зону с уровня пола. Также завеса с недостаточной скоростью всасывания не сможет полностью шибировать воздушный поток и может в него втянуться. В таком случае воздушный режим операционной будет такой же, как при применении только ламинарного устройства. Во время проектирования нужно правильно выявить диапазон скоростей и выбрать соответствующую систему. От этого зависит расчет характеристик обеззараживания.
Воздушные завесы имеют целый ряд явных преимуществ, но не стоит применять их везде, ведь не всегда требуется создание стерильного потока во время операции. Решение о том, насколько необходимо обеспечивать уровень обеззараживания воздуха, принимается совместно с хирургами, участвующими в данных операциях.
Заключение
Вертикальный ламинарный поток ведет себя не всегда предсказуемо, что зависит от условий его использования. Ламинарные панели, которые эксплуатируются в чистых производственных помещениях, зачастую не обеспечивают необходимый уровень обеззараживания в операционных залах. Установка систем воздушных завес помогает управлять характером движения вертикальных ламинарных воздушных потоков. Воздушные завесы помогают осуществлять бактериологический контроль воздуха в операционных помещениях, особенно при длительных хирургических вмешательствах и постоянном нахождении пациентов со слабой иммунной системой, для которых огромным риском являются воздушные инфекции.
Статья подготовлена А. П. Борисоглебской с использованием материалов журнала «ASHRAE».
Литература
- СНиП 2.08.02–89*. Общественные здания и сооружения.
- СанПиН 2.1.3.1375–03. Гигиенические требования к размещению, устройству, оборудованию и эксплуатации больниц, родильных домов и других лечебных стационаров.
- Инструктивно-методические указания по организации воздухообмена в палатных отделениях и операционных блоках больниц.
- Инструктивно-методические указания по гигиеническим вопросам проектирования и эксплуатации инфекционных больниц и отделений.
- Пособие к СНиП 2.08.02–89* по проектированию учреждений здравоохранения. ГипроНИИздрав Минздрава СССР. М., 1990.
- ГОСТ ИСО 14644-1–2002. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 1. Классификация чистоты воздуха.
- ГОСТ Р ИСО 14644-4–2002. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 4. Проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию.
- ГОСТ Р ИСО 14644-5–2005. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 5. Эксплуатация.
- ГОСТ 30494–96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
- ГОСТ Р 51251–99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка.
- ГОСТ Р 52539–2006. Чистота воздуха в лечебных учреждениях. Общие требования.
- ГОСТ Р МЭК 61859–2001. Кабинеты лучевой терапии. Общие требования безопасности.
- ГОСТ 12.1.005–88. Система стандартов.
- ГОСТ Р 52249–2004. Правила производства и контроля качества лекарственных средств.
- ГОСТ 12.1.005–88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
- Инструктивно-методическое письмо. Санитарно-гигиенические требования к лечебно-профилактическим учреждениям стоматологического профиля.
- МГСН 4.12-97. Лечебно-профилактические учреждения.
- МГСН 2.01-99. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению.
- Методические указания. МУ 4.2.1089-02. Методы контроля. Биологические и микробиологические факторы. Минздрав России. 2002.
- Методические указания. МУ 2.6.1.1892-04. Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при проведении радионуклидной диагностики с помощью радиофармпрепаратов. Классификация помещений ЛПУ.
Изучение свойств потоков жидкостей и газов очень важно для промышленности и коммунального хозяйства. Ламинарное и турбулентное течение сказывается на скорости транспортировки воды, нефти, природного газа по трубопроводам различного назначения, влияет на другие параметры. Этими проблемами занимается наука гидродинамика.
Классификация
В научной среде режимы течения жидкости и газов разделяют на два совершенно разных класса:
- ламинарные (струйные);
- турбулентные.
Также различают переходную стадию. Кстати, термин «жидкость» имеет широкое значение: она может быть несжимаемой (это собственно жидкость), сжимаемой (газ), проводящей и т. д.
История вопроса
Еще Менделеевым в 1880 году была высказана идея о существовании двух противоположных режимов течений. Более подробно этот вопрос изучил британский физик и инженер Осборн Рейнольдс, завершив исследования в 1883 году. Сначала практически, а затем с помощью формул он установил, что при невысокой скорости течения перемещение жидкостей приобретает ламинарную форму: слои (потоки частиц) почти не перемешиваются и движутся по параллельным траекториям. Однако после преодоления некоего критического значения (для различных условий оно разное), названного числом Рейнольдса, режимы течения жидкости меняются: струйный поток становится хаотичным, вихревым - то есть, турбулентным. Как оказалось, эти параметры в определенной степени свойственны и газам.
Практические расчеты английского ученого показали, что поведение, например, воды, сильно зависит от формы и размеров резервуара (трубы, русла, капилляра и т.д.), по которому она течет. В трубах, имеющих круглое сечение (такие используют для монтажа напорных трубопроводов), свое число Рейнольдса - формула описывается так: Re = 2300. Для течения по открытому руслу другое: Re = 900. При меньших значениях Re течение будет упорядоченным, при больших - хаотичным.
Ламинарное течение
Отличие ламинарного течения от турбулентного состоит в характере и направлении водных (газовых) потоков. Они перемещаются слоями, не смешиваясь и без пульсаций. Другими словами, движение проходит равномерно, без беспорядочных скачков давления, направления и скорости.
Ламинарное течение жидкости образуется, например, в узких живых существ, капиллярах растений и в сопоставимых условиях, при течении очень вязких жидкостей (мазута по трубопроводу). Чтобы наглядно увидеть струйный поток, достаточно немного приоткрыть водопроводный кран - вода будет течь спокойно, равномерно, не смешиваясь. Если краник отвернуть до конца, давление в системе повысится и течение приобретет хаотичный характер.
Турбулентное течение
В отличие от ламинарного, в котором близлежащие частицы движутся по практически параллельным траекториям, турбулентное течение жидкости носит неупорядоченный характер. Если использовать подход Лагранжа, то траектории частиц могут произвольно пересекаться и вести себя достаточно непредсказуемо. Движения жидкостей и газов в этих условиях всегда нестационарные, причем параметры этих нестационарностей могут иметь весьма широкий диапазон.
Как ламинарный режим течения газа переходит в турбулентный, можно отследить на примере струйки дыма горящей сигареты в неподвижном воздухе. Вначале частицы движутся практически параллельно по неизменяемым во времени траекториям. Дым кажется неподвижным. Потом в каком-то месте вдруг возникают крупные вихри, которые движутся совершенно хаотически. Эти вихри распадаются на более мелкие, те - на еще более мелкие и так далее. В конце концов, дым практически смешивается с окружающим воздухом.
Циклы турбулентности
Вышеописанный пример является хрестоматийным, и из его наблюдения ученые сделали следующие выводы:
- Ламинарное и турбулентное течение имеют вероятностный характер: переход от одного режима к другому происходит не в точно заданном месте, а в достаточно произвольном, случайном месте.
- Сначала возникают крупные вихри, размер которых больше, чем размер струйки дыма. Движение становится нестационарным и сильно анизотропным. Крупные потоки теряют устойчивость и распадаются на все более мелкие. Таким образом, возникает целая иерархия вихрей. Энергия их движения передается от крупных к мелким, и в конце этого процесса исчезает - происходит диссипация энергии при мелких масштабах.
- Турбулентный режим течения носит случайный характер: тот или иной вихрь может оказаться в совершенно произвольном, непредсказуемом месте.
- Смешение дыма с окружающим воздухом практически не происходит при ламинарном режиме, а при турбулентном - носит очень интенсивный характер.
- Несмотря на то, что граничные условия стационарны, сама турбулентность носит ярко выраженный нестационарный характер - все газодинамические параметры меняются во времени.
Есть и еще одно важное свойство турбулентности: оно всегда трехмерно. Даже если рассматривать одномерное течение в трубе или двумерный пограничный слой, все равно движение турбулентных вихрей происходит в направлениях всех трех координатных осей.
Число Рейнольдса: формула
Переход от ламинарности к турбулентности характеризуется так называемым критическим числом Рейнольдса:
Re cr = (ρuL/µ) cr,
где ρ - плотность потока, u - характерная скорость потока; L - характерный размер потока, µ - коэффициент cr - течение по трубе с круглым сечением.
Например, для течения со скоростью u в трубе в качестве L используется Осборн Рейнольдс показал, что в этом случае 2300 Аналогичный результат получается в пограничном слое на пластине. В качестве характерного размера берется расстояние от передней кромки пластины, и тогда: 3×10 5 Ламинарное и турбулентное течение жидкости, а соответственно, критическое значение числа Рейнольдса (Re) зависят от большего числа факторов: от градиента давления, высоты бугорков шероховатости, интенсивности турбулентности во внешнем потоке, перепада температур и пр. Для удобства эти суммарные факторы еще называют возмущением скорости, так как они оказывают определенное влияние на скорость потока. Если это возмущение невелико, оно может быть погашено вязкими силами, стремящимися выровнять поле скоростей. При больших возмущениях течение может потерять устойчивость, и возникает турбулентность. Учитывая, что физический смысл числа Рейнольдса - это соотношение сил инерции и сил вязкости, возмущение потоков подпадает под действие формулы: Re = ρuL/µ = ρu 2 /(µ×(u/L)). В числителе стоит удвоенный скоростной напор, а в знаменателе - величина, имеющая порядок напряжения трения, если в качестве L берется толщина пограничного слоя. Скоростной напор стремится разрушить равновесие, а противодействуют этому. Впрочем, неясно, почему (или скоростной напор) приводят к изменениям только тогда, когда они в 1000 раз больше сил вязкости. Вероятно, более удобно было бы использовать в качестве характерной скорости в Re cr не абсолютную скорость потока u, а возмущение скорости. В этом случае критическое число Рейнольдса составит порядка 10, то есть при превышении возмущения скоростного напора над вязкими напряжениями в 5 раз ламинарное течение жидкости перетекает в турбулентное. Данное определение Re по мнению ряда ученых хорошо объясняет следующие экспериментально подтвержденные факты. Для идеально равномерного профиля скорости на идеально гладкой поверхности традиционно определяемое число Re cr стремится к бесконечности, то есть перехода к турбулентности фактически не наблюдается. А вот число Рейнольдса, определяемое по величине возмущения скорости меньше критического, которое равно 10. При наличии искусственных турбулизаторов, вызывающих всплеск скорости, сравнимый с основной скоростью, поток становится турбулентным при гораздо более низких значениях числа Рейнольдса, чем Re cr , определенное по абсолютному значению скорости. Это позволяет использовать значение коэффициента Re cr = 10, где в качестве характерной скорости используется абсолютное значение возмущения скорости, вызываемое указанными выше причинами. Ламинарное и турбулентное течение свойственно всем видам жидкостей и газов в разных условиях. В природе ламинарные течения встречаются редко и характерны, например, для узких подземных потоков в равнинных условиях. Гораздо больше этот вопрос волнует ученых в контексте практического применения для транспортировки по трубопроводам воды, нефти, газа и других технических жидкостей. Вопрос устойчивости ламинарного течения тесно связан с исследованием возмущенного движения основного течения. Установлено, что оно подвергается воздействию так называемых малых возмущений. В зависимости от того, угасают или растут они со временем, основное течение считается устойчивым либо неустойчивым. Одним из факторов, влияющих на ламинарное и турбулентное течение жидкости, является ее сжимаемость. Это свойство жидкости особенно важно при изучении устойчивости нестационарных процессов при быстром изменении основного течения. Исследования показывают, что ламинарное течение несжимаемой жидкости в трубах цилиндрического сечения устойчиво к относительно малым осесимметричным и неосесимметричным возмущениям во времени и пространстве. В последнее время проводятся расчеты по влиянию осесимметричных возмущений на устойчивость течения во входной части цилиндрической трубы, где основное течение находится в зависимости от двух координат. При этом координата по оси трубы рассматривается как параметр, от которого зависит профиль скоростей по радиусу трубы основного течения. Несмотря на столетия изучения, нельзя сказать, что и ламинарное, и турбулентное течение досконально изучены. Экспериментальные исследования на микроуровне ставят новые вопросы, требующие аргументированного расчетного обоснования. Характер исследований носит и прикладную пользу: в мире проложены тысячи километров водо-, нефте-, газо-, продуктопроводов. Чем больше будет внедряться технических решений по уменьшению турбулентности при транспортировке, тем более эффективной она будет.Понятие возмущения скорости
Расчеты и факты
Устойчивость режима ламинарного течения в трубопроводе
Течение сжимаемых и не сжимаемых жидкостей
Вывод
