於幼華臺灣大學：環境工程學研究所蔡宜霖Tsai, I-LinI-LinTsai2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62768中文摘要 本研究利用以數值方法為基礎的計算流體力學軟體CFD (Computational Fluid Dynamics)，模擬氣相臭氧反應槽內部之各種設計條件的狀況，並對於氣相臭氧反應槽內部提出設計建議；另外，模擬氣相臭氧殺菌系統應用於病房內部之流場狀況，並且評估將臭氧釋放於病房空間中殺菌之可行性，以及觀察殘餘臭氧濃度是否符合法規限定值。 由CFD軟體模擬結果顯示，氣相臭氧反應槽之內部設計，放置於兩側之擋板形狀以入字型最好，放置於氣道中央之擋板形狀以正方形擋板最好，其系統之混合效果與進出口之壓差綜合評估較佳。比較氣相臭氧反應槽內部擋板的設計位置，顯示擋板位置以放置於氣道中央較佳，氣體混合亂度比放置兩側高14%，系統進出口壓差減少77%。 考慮空間換氣率、空氣與臭氧接觸時間及臭氧尾氣處理技術，CFD軟體模擬顯示，氣相臭氧殺菌系統於病房內部，設計流量以300LPM為宜，位置以病床右側最佳，放置的高程不同對於換氣效果沒有明顯影響。另外，將氣相臭氧殺菌系統設置於病房內部，可用CFD軟體模擬空間中臭氧濃度之分布，以與美國國家空氣品質標準(NAAQS)之上限值120ppb作比較評估。 以CFD軟體模擬氣相臭氧釋放於負壓病房內之流場，藉以評估臭氧直接空間消毒殺菌之效能，本研究設定臭氧機出口濃度100ppm (流量300LPM)，則分布於空間之臭氧濃度值範圍約為0.045~5ppm，根據相關文獻指出，對於大部份細菌與病毒可達到99%之消毒效率。 關鍵字：嚴重急性呼吸道症候群(SARS)、臭氧、空間消毒、計算流 體力學(CFD)、負壓病房Abstract This research uses Computational Fluid Dynamics software based on numerical analysis to simulate the inner flow field of gas-ozone reactor in all kinds of designed conditions to come out with the best design of inner gas-ozone reactor. The results of CFD simulation show that to evaluate the mixing effect and the pressure drop of system, the best shape of spoiler on both sides of the gas-ozone reactor is 入 , and the best shape of spoiler in the center of the gas-ozone reactor is square. The spoilers in the center are better than the spoilers on both sides of the gas-ozone reactor. The turbulence intensity increases 17% and the pressure difference drops 77% in the center compare to those on the both sides. The CFD simulation shows that the best flow rate of gas-ozone disinfections system placed in the sickroom is 300 LPM, and the best position is the right side of sickbed and the different altitude has no effect on the air change rate. Besides, CFD software can simulate the distribution of gas-ozone concentration in the sickroom with gas-ozone disinfection system, and the results will be compared with limited value of NAAQS ( 120ppb). The results of evaluation the efficiency of space disinfection by using gas-ozone in the negative pressure isolation room of hospital showed that the range of ozone concentration in the negative pressure isolation room was 0.045~5ppm during the conditions was the outlet ozone concentration 100ppm and flow rate 300LPM. According to the studies, the efficiency of space disinfection could reach 99% for more bacteria and virus under this ozone concentration. Key words : Severe Acute Respiratory Syndrome(SARS)、Ozone、 Space disinfection、Computational Fluid Dynamics (CFD)、negative pressure isolation room參考文獻 References Alder, M. G. and G. R. Hill, “The Kinetics and Mechanism of Hydroxide Ion Catalyzed Ozone Decomposition in Aqueous Solution,” J. Am. Chem. Soc., 72, 1884 (1950). Anderson, S. K. and J. J. Spivey, “Deep Oxidation of Hydrocarbons,” Applied Catalysis A: General, 81, 239-255 (1961). Anna, M., S. Krystyna and M. 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60 圖3-3-7 GAMBIT建置3D立體之弁鉆牉? 60 圖3-3-8 GAMBIT建置3D立體之split弁鉆牉?61 圖3-3-9 GAMBIT網格設定因子圖 62 圖3-3-10 GAMBIT產生面網格的方式 62 圖3-3-11 TGrid式體積網格建置說明 64 圖3-4-1 更改系統尺寸單位之設定介面 65 圖3-4-2 臭氧物種建立之設定介面 66 圖3-4-3 FLUENT運算器設定介面 67 圖3-4-4 FLUENT 黏滯模式設定介面 67 圖3-4-5 FLUENT 物種模式設定介面 68 圖3-4-6 FLUENT 操作條件設定介面 69 圖3-4-7 FLUENT 邊界條件設定介面 69 圖3-4-8 FLUENT 解參數設定介面 70 圖3-4-9 FLUENT 初始條件設定介面 70 圖3-4-10 FLUENT 疊代計算與殘差設定介面 71 圖3-4-11 FLUENT 網格計算之組織結構 72 圖3-4-12 FLUENT各種網格圖形 72 圖3-4-13 FLUENT 分離解法程序 77 圖4-1-1 無擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 (右為臭氧進氣口之細部mesh放大圖) 83 圖4-1-2 入字型擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 (右為入字型擋板之細部mesh放大圖) 83 圖4-1-3 三角擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 84 圖4-1-4 方形擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 84 圖4-1-5 半圓形擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 84 圖4-1-6 長薄擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 84 圖4-1-7 中央正方形擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 85 圖4-1-8 中央菱形擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 85 圖4-1-9 中央圓型擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 (右為圓型擋板之細部mesh放圖) 85 圖4-1-10 中央正方柱擋板氣相臭氧反應槽內部配置圖 86 圖4-1-11 中央正方柱擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 (俯視) 86 圖4-1-12 中央正方柱擋板氣相臭氧反應槽內部配置mesh圖 (側視) 87 圖4-1-13 普通病房wireframe空間配置圖 93 圖4-1-14 普通病房wireframe空間配置俯視圖 93 圖4-1-15 普通病房solid空間配置圖 93 圖4-1-16 普通病房空間配置mesh圖 93 圖4-1-17 負壓病房wireframe空間配置圖 94 圖4-1-18 負壓病房wireframe空間配置俯視圖 94 圖4-1-19 負壓病房solid空間配置圖 94 圖4-1-20 負壓病房空間配置mesh圖 94 圖4-2-1 氣相臭氧反應槽內無擋板(Case 4-2-1)之速度場圖 96 圖4-2-2 氣相臭氧反應槽內無擋板(Case 4-2-1)之亂流強度圖 97 圖4-2-3 氣相臭氧反應槽內無擋板(Case 4-2-1)之亂度分佈 長方圖 97 圖4-2-4 氣相臭氧反應槽內入字型擋板(case4-2-6)之速度場圖 98 圖4-2-5 氣相臭氧反應槽內入字型擋板(case4-2-6)之亂流 強度圖 98 圖4-2-6 氣相臭氧反應槽內入字型擋板(case4-2-6)之 亂度分佈長方圖 99 圖4-2-7 case 4-2-1~6 亂度積分值與壓差值比較圖 101 圖4-2-8 氣相臭氧反應槽內圓型擋板(case4-2-7)之速度場圖 102 圖4-2-9 氣相臭氧反應槽內圓型擋板(case4-2-7)之亂流強度圖 103 圖4-2-10 氣相臭氧反應槽內圓型擋板(case4-2-7)之亂度分佈 長方圖 103 圖4-2-11 氣相臭氧反應槽內正方形擋板(case4-2-8)之 速度場圖 104 圖4-2-12 氣相臭氧反應槽內正方形擋板(case4-2-8)之 亂流強度圖 104 圖4-2-13 氣相臭氧反應槽內正方形擋板(case4-2-8)之 亂度分佈長方圖 105 圖4-2-14 氣相臭氧反應槽內菱形擋板(case4-2-9)之速度場圖 105 圖4-2-15 氣相臭氧反應槽內菱形擋板(case4-2-9)之亂流強度圖 106 ?-2-16 氣相臭氧反應槽內菱形擋板(case4-2-9)之亂度 分佈長方圖 106 圖4-2-17 case4-2-1和4-2-7~9之亂度積分值與壓差值 比較圖 108 圖4-2-18 氣相臭氧反應槽內外圈各7個入字型擋板(case4-2-11) 之速度圖 110 圖4-2-19 氣相臭氧反應槽內外圈各7個入字型擋板(case4-2-11) 之亂流強度圖 110 圖4-2-20 氣相臭氧反應槽內外圈各7個入字型擋板(case4-2-11) 之亂度分佈長方圖 111 圖4-2-21 不同case之亂度積分值與壓差值比較圖 113 圖4-2-22 氣相3D臭氧反應槽中央正方柱擋板之速度場圖 (中心切面) 114 圖4-2-23 氣相3D臭氧反應槽中央正方柱擋板之亂流強度圖 115 圖4-2-24 氣相3D臭氧反應槽中央正方柱擋板之亂度分布 長方圖 115 圖4-3-1 切X=1m,4m平面之負壓病房內流速分布圖 118 圖4-3-2 切Z=1m,4m平面之負壓病房內流速分布圖 118 圖4-3-3 負壓病房進風口顆粒蹤線圖(正Z方向) 119 圖4-3-4 負壓病房穩態下進風口跡線圖 119 圖4-3-5 切X=1m,4m平面之普通病房內流速分布圖 120 圖4-3-6 切Z=1m,4.5m平面之普通病房內流速分布圖 121 圖4-3-7 普通病房進風口顆粒蹤線圖(正Z方向) 121 圖4-3-8 普通病房穩態下進風口跡線圖 122 圖4-3-9 流量50LPM下之切面(z=4.8)速度向量圖 123 圖4-3-10 流量100LPM下之切面(z=4.8)速度向量圖 123 圖4-3-11 流量200LPM下之切面(z=4.8)速度向量圖 124 圖4-3-12 流量300LPM下之切面(z=4.8)速度向量圖 124 圖4-3-13 流量400LPM下之切面(z=4.8)速度向量圖 125 圖4-3-14 流量800LPM下之切面(z=4.8)速度向量圖 125 圖4-3-15 流量50LPM下之切面(x=3.8)速度向量圖 126 圖4-3-16 流量300LPM下之切面(x=3.8)速度向量圖 127 圖4-3-17 流量800LPM下之切面(x=3.8)速度向量圖 127 圖4-3-18 三向流速隨著流量變動之折線圖 129 圖4-3-19 空氣平均年齡隨著流量變動之折線圖 129 圖4-3-20 各流量變動區間所減少之空氣平均年齡比較圖 130 圖4-3-21 不同機具穢韘鼽m對於空氣平均年齡影響之比較 132 圖4-4-1 切高程10cm平面之負壓病房臭氧濃度分布圖 (臭氧出口濃度100ppm) 134 圖4-4-2 切高程40cm平面之負壓病房臭氧濃度分布圖 (臭氧出口濃度100ppm) 134 圖4-4-3 切高程100cm平面之負壓病房臭氧濃度分布圖 (臭氧出口濃度100ppm) 135 圖4-4-4 負壓病房內釋放氣相臭氧之濃度分布 (臭氧出口濃度100ppm) 135 圖4-4-5 切高程10cm平面之負壓病房臭氧濃度分布圖 (臭氧出口濃度25ppm) 137 圖4-4-6 切高程40cm平面之負壓病房臭氧濃度分布圖 (臭氧出口濃度25ppm) 137 圖4-4-7 切高程100cm平面之負壓病房臭氧濃度分布圖 (臭氧出口濃度25ppm) 138 圖4-4-8 負壓病房內釋放氣相臭氧之濃度分布 (臭氧出口濃度25ppm) 138 表目錄 表2-1-1 臭氧的物理化學性質(McCarthy and Smith, 1974) 7 表2-1-2 有機物反應特性以及與臭氧直接反應的速率常數(kO3) (Hoigne and Bader,1983；Hoigne et al.,1985) 13 表2-1-3 有機物與臭氧直接反應(kO3)即與自由機反應的速率常數比較(kOH．) (Barker and Jones,1988) 14 表2-1-4 氣相臭氧殺菌相關實驗之參數整理(任立宇, 2004) 15 表2-1-5 臭氧濃度對照表「EPA-454R00-005」 20 表2-1-6 AQI(AIR Quality Index)「EPA-454/R00-005」 21 表3-4-1 FLUENT 可設定之邊界條件 73 表4-1-1 負壓病房room35021空間繪製之數據 88 表4-1-2 普通病房room01120空間繪製之數據 90 表4-1-3 病房內部空調流量數據 92 表4-2-1 各case之進出口壓差與亂度積分表 101 表4-2-2 各case之進出口壓差與亂度積分表 108 表4-2-3 各case之進出口壓差與亂度積分表 113 表4-3-1 不同流量下空氣平均年齡與三向流速數據 128 表4-3-2 不同穢韘鼽m與平均空氣年齡之數據表 132 符號說明 ρ : 流體密度 (kg/m3) µ：動力黏滯性係數 (N•s/m2) P：壓力 (N/m2) u：X方向速度值 (m/s) v：Y方向速度值 (m/s) w：Z方向速度值 (m/s) g：重力加速度 (m/s2) F：其他外力 (N) τ：應力張量 (N/m2) K：分子熱傳導係數 (W/m/ ∘K ) Sh：熱來源項 (卡/莫耳/度) h：熱焓量 (卡/莫耳/度) L：距離牆壁最短距離 (m) A：表面積 (m2) Γ：流體擴散係數 (m2/s) ㄐGCFD軟體內under-relaxation factor V：流體所佔體積 (m3) Ks：邊界表面粗糙度 (mm) Gk：由層流速度梯度而產生的湍流動能 (kg•m2/s2) Gb：由浮力而產生的湍流動能 (kg•m2/s2) Ym：在可壓縮湍流中，過渡的擴散產生的波動 (kg•m2/s2) Cp：定壓比熱 ( cal / (g•∘K)) σ：湍流Prandtl 數 I：湍流強度，為湍流波動大小與參考速度的比值8938226 bytesapplication/pdfen-US計算流體力學(CFD)空間消毒臭氧嚴重急性呼吸道症候群(SARS)負壓病房Severe Acute Respiratory Syndrome(SARS)OzoneSpthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62768/1/ntu-93-R91541101-1.pdf