弥散供氧的实验及仿真研究

金 浩，廖 姣

(湖南泰瑞医疗科技有限公司 环境洁净研究设计院，湖南 长沙 410221)

1 前 言

近年来，随着生活节奏的加快，人们待在室内的时间越来越长。医学研究发现，室内的氧气浓度普遍低于室外环境，而大部分亚健康的不适表现与长期慢性缺氧有着密切关系[1]。随着氧气供应对人体生理、病理复杂影响机制研究的不断深化，弥散供氧在预防医学、临床医学、职业病医学、老年医学等领域逐渐得到广泛应用[2]。对于繁重脑力的劳动者、老年人、孕妇和慢性病康复期病人，弥散供氧已经成为必不可少的治疗手段之一[3]。此外，随着高原地区的开发，到高原旅游、生活、工作的人越来越多，弥散供氧也将成为人们应对高原氧气稀薄环境的必备产品[4-6]。

为了更好地进行弥散供氧选型，首先通过实验研究氧气在两种不同面积房间内的弥散规律，并通过Scflow V2020的仿真模型分析两个房间的弥散氧分布随时间的变化情况。最后通过对比，验证Scflow V2020的仿真模型能否模拟不同房间弥散氧浓度的分布情况。

2 实验及方法

本实验针对房间的大小，采用不同流量的制氧机制氧，并通过Φ10的PU管和型号为TR603的射灯式布氧口实现弥散制氧。同时采用型号为green 5(触摸屏版)的氧气浓度测试仪对房间的氧气浓度进行测定。房间内初始氧气浓度为20.9%，温度为25℃。根据GB/T 35414—2017《高原地区室内空间弥散供氧(氧调)要求》，平原地区弥散供氧空间的氧气浓度要求在23%以下，因此实验重点检测房间内氧气浓度达到23%之前的变化情况。

2.1 房间A弥散氧实验

房间A的空间为3.1 m×1.67 m×2.8 m，采用一台10 L家用制氧机[7]和一个弥散终端对房间进行弥散制氧，一台氧气浓度测试仪测试房间的氧气浓度[8-10]。实验设备如图1所示。氧气浓度达到23%的测试时间为40 min，测试时间间隔为10 min。

图1 房间A实验设备

2.2 房间B弥散氧实验

房间B的空间为7.81 m×5.37 m×2.89 m，采用一套制氧设备对房间进行供氧。制氧设备包括一台80 L制氧机，一台1.22 m3/min的螺杆空气压缩机，一台型号为SE-40HA赛银冷干式压缩空气干燥器冷干机，一台0.3 m3储气罐以及一台0.6 m3的储氧罐。通过10个弥散终端对房间进行弥散制氧，一台氧气浓度测试仪实时测试房间的氧气浓度。实验设备如图2所示，弥散供氧流程如图3所示。氧气浓度达到23%的测试时间为30 min，测试时间间隔为10 min。

图2 房间B实验设备

图3 弥散供氧流程图

3 仿真建模

Scflow V2020软件包括前处理、求解器以及后处理3部分，可以实现气体及液体的流体动力学仿真模拟。将基于Scflow V2020软件，模拟房间A及房间B内的氧气弥散过程。

3.1 前处理

在Creo 4.0中对房间A及房间B进行几何建模，包括射灯式进氧口等特征，随后将所建立的几何模型导入Scflow V2020的前处理模块。对进氧口和门创建0.01 m的伸出实体，选择全部物体并抽出流体域。定义流体域内的混合气体成分参数(氧气和氩气)以及氧气入口位置和时间周期、步长。最后根据不同零件大小定义网格大小得到仿真模型。

房间A内设置环境温度为25℃，弥散终端出氧量为10 L/min，氧气浓度为90%，出氧压力为0.04 MPa，时间周期为2000 s(根据弥散终端的出氧量和出氧口数量以及房间的体积换算出单个出氧口由21%达到23%氧浓度大约需要1740 s，因此设置计算时间周期为2000 s)，步长0.01 s。氧气和氩气参数设置如表1和表2所示。混合气体输入设置浓度为92.1%的氧气和浓度为7.9%的氩气。弥散终端的网格大小设置为0.5 mm。房间的网格大小设置为30 mm。划分的网格如图4。

表1 氧气参数设置

表2 氩气参数设置

图4 房间A网格划分模型

房间B内设置环境温度为25℃，弥散终端出氧量为80 L/min，氧气浓度为90%，出氧压力为0.4 MPa，时间周期为2000 s(根据弥散终端的出氧量和出氧口数量，以及房间的体积换算出单个出氧口由21%达到23%氧浓度大约需要1818 s，因此设置计算时间周期为2000 s)，步长0.01 s。氧气和氩气参数设置与表1和表2一致。

混合气体输入设置浓度为92.1%的氧气和浓度为7.9%的氩气。弥散终端的网格大小设置为0.5 mm。房间的网格大小设置为30 mm。划分的网格如图5所示。

图5 房间B网格划分模型

3.2 求解器

将前处理导出的Sph文件导入Scflow V2020的求解器模块进行求解，得到各参数在时间周期内的收敛状态曲线如图6所示，图中显示了三向速率、压力、温度等参数相对时间的变化，并且随着时间接近稳定状态，预计变化会变小。纵轴显示对数刻度的变化，例如，-3表示10-3。解算器确定计算已达到稳定状态，所有物理量的变化低于10-4，则结束计算。

图6 收敛状态曲线图

3.3 后处理

将求解器导出的Fph文件导入Scflow V2020的后处理模块，查看房间内氧浓度分布情况。

4 结果与讨论

4.1 房间A的流体分析

4.1.1房间A的实验分析

如图7所示，开机40 min，观测每隔10 min室内氧气浓度变化量发现，室内氧气浓度最终维持在23%左右。由此可知，对于14 m3的房间采用10 L家用制氧机在40 min左右就可达到标准氧气浓度。

图7 房间A平均氧气浓度随时间变化的规律

4.1.2房间A的仿真分析

如图8所示，从房间A的Z向氧气浓度分布云图来看，计算2000 s后，Z=-0.718的截面氧气浓度从出氧口至房间底部呈阶梯状分布，且浓度依次递增，平均浓度约为23%。Z=-0.021的截面氧气浓度从出氧口至房间底部呈阶梯状分布，且浓度依次递增，其中出氧口浓度最高可达30%，房间两侧浓度略有升高，平均浓度约为24%。

如图9所示，从房间A的X向氧气浓度分布云图来看，计算2000 s后，X=-1.2236的截面氧气浓度从出氧口至房间底部呈阶梯状分布，且浓度依次递增，房间两侧浓度略有升高，平均浓度约为23%。X=-0.105的截面氧气浓度从出氧口下端约0.5 m位置至房间底部呈阶梯状分布，且浓度依次递增，其中出氧口浓度最高可达30%，房间两侧浓度略有升高，平均浓度约为24%。X=1.211的截面氧气浓度从出氧口至房间底部呈阶梯状分布，且浓度依次递增，平均浓度约为23%。

如图10所示，通过对比每10 min的室内氧气平均浓度的实验结果与仿真结果发现，氧气浓度均有上升趋势且仿真浓度略低于实验浓度值，仿真值与实验值基本持平。

图8 房间A的Z向氧气浓度分布云图

图9 房间A的X向氧气浓度分布云图

图10 房间A平均氧气浓度实验与仿真的比较

4.2 房间B的流体分析

4.2.1房间B的实验分析

如图11所示，开机30 min，观测每隔10 min室内氧气浓度变化量发现，室内氧气浓度最终维持在23%左右。由此可知，对于120 m3的房间采用80 L家用制氧机在30 min左右就可达到标准氧气浓度。

图11 房间B平均氧气浓度随时间变化的规律

4.2.2房间B的仿真分析

如图12所示，从房间B的Z向氧气浓度分布云图来看，计算30 min后，Z=1.690 46的截面氧气浓度从出氧口至房间底部呈阶梯状分布，且浓度依次递增，其中房间两侧浓度最高可达23%。平均浓度约为22%。Z=-0.105的截面氧气浓度从出氧口至房间底部呈阶梯状分布，且浓度依次递增，其中房间两侧浓度最高，约为23%，平均浓度约为22%。

图12 房间B的Z向氧气浓度分布云图

如图13所示，从房间B的X向氧气浓度分布云图来看，计算30 min后，X=2.460 73的截面氧气浓度从出氧口下端约1.5 m位置至四周呈阶梯状分布，且浓度依次递增，房间底部两侧浓度最高可达23%，平均浓度约为22%。X=-0.384 327的截面氧气浓度从出氧口位置至房间底部呈阶梯状分布，且浓度依次递增，其中房间内侧浓度略高于外侧浓度，两侧浓度最高可达22%，平均浓度约为23%。X=-2.775 22的截面氧气浓度从出氧口下端约1.5 m位置至四周呈阶梯状分布，且浓度依次递增，房间底部两侧浓度最高可达23%，平均浓度约为22%。

图13 房间B的X向氧气浓度分布云图

如图14所示，通过对比每10 min的室内氧气平均浓度的实验结果与仿真结果发现，氧气浓度均有上升趋势。前15 min仿真浓度略高于实验浓度值，15 min之后仿真浓度略低于实验浓度值，仿真值与实验值基本持平。

图14 房间B平均氧气浓度实验与仿真的比较

综合以上实验与仿真结果来看，Scflow V2020可以较好地模拟房间内氧气浓度达到23%的弥散过程，对实际弥散供氧过程的设计具有指导意义。

5 结 论

基于Scflow V2020分别建立了面积为3.1 m×1.67 m×2.8 m和7.81 m×5.37 m×2.89 m两个弥散供氧房间的仿真模型，并通过实验验证了该模型的正确性。该仿真模型为不同面积的房间，在氧气达到指定浓度所需的时间和对应规格的制氧机的型号提供了理论依据。