基于动量源法模拟人走动对洁净室污染物扩散的影响

2020-12-29岑冬冬曹世杰

机械设计与制造工程 2020年12期

岑冬冬, 曹世杰,2

(1.苏州大学轨道交通学院，江苏苏州 215131)(2.广州大学土木工程学院，广东广州 510006)

洁净室是指空气洁净度达到规定级别标准的密闭房间，洁净室不仅要能控制室内温度、相对湿度，而且还要控制颗粒物、细菌、压力、有关气体浓度以及气流分布。当前已经有关于洁净度要求较高的区域比如手术室操作台等亟需加强无菌化操作管理，例如手术中尽量减少人员流动等规定[1]，尽量做到隔离、洁污分流，避免交叉感染[2]，并且限制在手术台上翻动病人[3]。目前有关医院空气环境的研究大部分以微生物浓度、洁净度、温湿度、压差控制等为研究要素，较少以人为要素的研究，然而人、物移动产生的尾流对室内污染物扩散的影响很大[4]，特别是手术室中由于护士的活动，提高了手术病人的细菌暴露度[5]。在2003年，一架从香港飞往北京的客机出现了SARS病毒感染案例，而且感染者与病毒携带者最远相距7排座位，正常情况下，病毒传染应在座位前后两排[6]，飞行乘务人员的来回走动加大了SARS病毒的扩散范围[7]。目前研究人的行为对室内气流组织影响的数值仿真方法是动网格法[8]，然而动网格法有计算时间长、几何结构复杂、网格生成时间长等缺点[5]，因而Meyers等[9]提出将动量源法应用于大范围风场中物体运动对流体影响的数值仿真，以节约计算时间，Gao等[10]在潜水艇螺旋桨的模拟中将螺旋桨考虑成静止的，并在螺旋桨表面添加动量源，从而将非稳态模拟简化为稳态模拟，节约了计算时间。

本文应用动量源方法模拟人体在室内的走动，研究人的走动对室内气流组织和污染物扩散的影响。

1 实验和模拟

本文应用小型环境舱来进行人的走动对气流组织影响的实验，该环境舱内部净空间尺寸为1 m×1 m×1 m，合计净空间体积为 1 m3，整个舱体采用8 mm厚的亚克力板粘结而成，如图1所示。环境舱包括两部分，即稳流舱和测试舱；污染源为点燃的蚊香；送风方式为上送下回；采用电机驱动齿条来控制人体模型的运动，通过控制电机正反转和转速来调整模型移动方向和速度。本文中测试仪器主要包括：数字式风速仪2台，型号为TSI-9515，这是一款专门针对室内空气品质的风速测量装置；超细粒子计数器2台，型号为TSI8525 P-TRAKTM，可检测直径小于0.1 μm的粒子，并对其进行计数。

图1 实验舱示意图

本文数值仿真中采用(RNG)k-ε模型模拟流体湍流[11]，采用拉格朗日追踪法模拟颗粒物的运输过程[12]。

1.1 实验舱实验

在实验舱中，送风参数和流场的送风速度可控，在测试舱侧面开有小孔，用来布置相应的风速和污染物浓度测点，即可记录不同位置上气流速度和污染物浓度的变化。室内流场实验和污染物浓度测试实验详细步骤如下：

2)通风一段时间，待环境舱内流场稳定后(监测点风速保持不变)，开始测试两条监测线(与入口的距离分别为x=0.3 m和x=0.7 m)的速度分布。该组数据用来验证数值仿真气流组织模型的可靠性。

3)用超细粒子计数器(P-TRAK 8525)监测背景粒子数浓度(约11 000个/cm3)。

4)运行变频风机清理环境舱内的污染物，同时用超细粒子计数器监测舱内颗粒物数量浓度，直到舱内颗粒物浓度达到稳定的状态，即舱内颗粒物浓度保持恒定(粒子数约为1 200个/cm3)。

5)调节风机，分别选择3种不同的送风速度(即0.3，0.4，0.5 m/s)，在入口处释放粒子源(燃烧蚊香)，同时用超细粒子计数器监测舱内颗粒物浓度，持续通风直到舱内浓度保持不变。

6)监测环境舱中两条监测线的各4个不同位置上的颗粒浓度值，在测量过程中气流组织和颗粒物分布保持稳定，该组数据用于验证数值仿真的污染物扩散模型的可靠性。

1.2 数值模拟

1.2.1控制方程

对环境舱中气流的三维非定常湍流流动进行模拟，该流体的流动满足如下控制方程。

当黑社会性质组织发展到一定阶段时，基于经济利益的追求和经济实力的支撑等本质特征，多数开始以公司、企业的形式出现在市场经济的平台。更为有害的是，世界范围内恶名昭彰的黑社会犯罪组织多半也是富甲一方的企业财团，2014年《财富》杂志曾经报导“日本国最大的暴力团山口组，依仗着毒品、赌博及恐吓取财等犯罪行为，年收入高达66亿美元”。

质量守恒方程：

(1)

动量方程：

(2)

人在走动时，人体表面会对接触的空气产生作用力，而这个力和接触面积、速度成正比，所以本文在数值仿真的动量方程中添加一个动量源Fi，动量源(其方向与物体运动方向相同)的大小F可以用人体前部区域的动态压力的乘积来计算：

(3)

式中：v为人体移动的平均速度；A为产生运动的人体的截面积。

1.2.2边界条件设置

为了验证动量源方法的可靠性，本文应用动网格法进行对比验证。分别运用动网格方法和动量源法对数值仿真模型进行网格划分，网格数量分别为1 370 522和1 535 450。送风速度分别是0.3,0.4和0.5 m/s，对应换气次数为7，9.3和13.7。湍流的入口边界条件湍流强度和水力直径分别设定为10%和0.32 m。对于没有明显温差的情况，热羽流对气流组织的影响可以忽略。数值模拟中的边界条件为：进风口为速度入口，壁面为无滑移边界[13]。在应用动网格模拟人的走动时，整个计算域由两部分组成：静态区域和动态区域，如图2(a)、(c)所示。应用自定义函数(UDF)控制人体模型所对应网格的移动，如图2(c)所示。在动量源法中，在人体模型与空气接触位置添加了动量源，用来模拟移动物体与空气之间的相互作用，如图2(b)、(d)所示。本文数值仿真颗粒物设置为：颗粒物源释放速度为100个/s，颗粒物直径为1 μm，颗粒物释放速率为1E-11 kg/s。

图2 计算模型的几何形状和网格

2 结果

图3为送风速度分别为0.3，0.4和0.5 m/s下实验舱内监测点x方向速度的实验与数值仿真结果对比。由图中可以看出，数值仿真结果与实验结果吻合较好，偏差保持在10%以内；上部区域的气流速度大于下部，这是因为该区域接近送风入口，受入口射流影响较大；在下部区域，空气流速比较小，说明上送下回的送风方式对下部区域影响较小，在实际情况中要改善人体活动区域的空气品质，则需要考虑多种送风方式。

图3 数值仿真和实验气流组织x方向归一化气流速度对比

应用数值仿真的方法模拟人的走动对气流组织的影响，图4为使用动量源法和动网格法环境舱中气流组织x方向归一化气流速度的对比。在靠近送风口区域，由于入口射流的强烈影响，气体流动速度较大。由图4中可以看出，应用动量源法得到的气流速度略大于采用动网格法得到的速度值，但是偏差保持在20%以内(14.5%)。

图4 动网格法和动量源法气流组织x方向归一化气流速度的对比(t=2 s)

2.1 人的走动对气流组织的影响

应用动量源法研究人体模型移动对室内气流组织的影响，图 5显示了气流组织受人体模型移动时的动态变化，其中矩形虚线框代表人体模型，送风速度为0.5 m/s(对应的换气次数为13.7)，模型移动速度为0.1 m/s。由图5可知，和人体模型移动区域相比，气流速度在远离移动区域位置处较低(低于0.01 m/s)；人体模型的移动对气流分布有较大影响，一旦模型开始移动，模型周边的气流速度显著增加，甚至在模型尾流区速度高达0.16 m/s，大于人体的移动速度(0.1 m/s)；环境舱中，气体扰动区域随着人的移动而不断扩大，其中尾流区域的最大长度约为0.15 m；当人体模型停止移动，整个运动区域的气流速度在14 s时就急剧下降到低于0.01 m/s。人的走动对室内气流的影响虽然没有持续很长时间，但对气流组织和污染物扩散有很大的影响。

图5 应用动量源法模拟人的走动对气流组织的影响

2.2 人的走动对室内颗粒物扩散的影响

图6比较了在3种人体模型移动速度影响下，实验舱内4个区域中颗粒物浓度的衰减，其中人体模型移动速度分别为0，0.1，0.2 m/s。由图可知，模型移动速度对区域A和C颗粒物的扩散影响较为明显，因为该区域靠近人体模型移动区域；颗粒物浓度在不同区域的衰减情况表现出明显的差异；人的走动影响了气流组织的分布，进而影响了颗粒物的扩散(对流扩散)，在区域C中随着模型移动速度增加颗粒物衰减反而降低了，而在区域A颗粒物的衰减速度随着模型移动速度增加而增加。从颗粒物衰减结果可以看出人的走动加快了颗粒物的扩散，却并不一定会提高颗粒物的去除效率。在区域C，模型移动速度为0.1 m/s和0.2 m/s时颗粒物衰减至原来浓度10%所需要的时间分别比模型移动速度为0 m/s快了21.2%和19.6%。