一种生物气溶胶旋风式分离采集装置的设计与验证

程 智，洪大富，李 抄，严新忠，周卫斌，杜耀华*

（1.军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津 300161；2.天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222）

0 引言

生物气溶胶是指悬浮于空气中包含有微生物或生物大分子等生物活性物质的微粒体系，按照内含的生物活性物质属性可将其分为细菌气溶胶、病毒气溶胶、生物毒素气溶胶及真菌气溶胶等[1]。病原微生物（包括新型冠状病毒等）所形成的生物气溶胶对公共卫生安全存在潜在危害。生物气溶胶经过气流输送，输送过程中经过蒸发，会转化为粒径更小的气溶胶。小粒径（小于1.5 μm）生物气溶胶质量更轻，受重力作用更小，极易在空气中长时间悬浮、扩散[2-10]。深入理解小粒径生物气溶胶的传播规律、开展小粒径气溶胶的高效收集，可为溯源分析提供更为精确的前置信息，对制订感控措施、降低感染风险具有重要意义。旋风式分离采集装置是一种用于气固体系或者液固体系的分离设备，其工作原理是依靠气流切向引入造成的旋转运动，使具有不同惯性离心力的颗粒或液滴在结构内部实现分离。高雪琦等[11]对不同结构尺寸下小型旋风分离器对微米级颗粒的分离性能进行计算研究，表明排气管直径对粒子阻滞效率和压力降影响显著。狄文静等[12]对PM2.5 细颗粒物进行分离，分析了流速对粒子分离性能的影响，在避免压力降升高的前提下提升了分离效果。孟柯含等[13]研究了分离器在大气监测过程中影响分离性能的因素，应用离散相模型进行气固两相流耦合计算，得到了较优的排气管长度结果。唐守强[14]对分离气相流场进行了数值模拟，得到了压力降随着入口气流速度及排气管插入深度的增大而增大、随排气口直径及圆柱段长度的增大而减小的规律。此外，美国TSI公司等结合粉尘检测仪推出了撞击式粒径切割器用于小粒径气溶胶的分离，但此类粒径切割器工作流量较低（小于5 L/min），依赖黏性油脂对非目标颗粒进行吸附，通用性和易用性不足[15]。

本文对经典旋风式粒径分离模型进行优化，应用不同结构参数对不同粒径生物气溶胶在分离、采集装置中的逃逸情况进行模拟仿真及讨论，根据仿真最优结果设计生物气溶胶旋风式分离采集装置，完成生物气溶胶粒径分离采集实验验证[16-20]。结果表明，本文设计的生物气溶胶旋风式分离采集装置对小粒径生物气溶胶具有较好的分离效果。

1 理论分析

1.1 粒子在生物气溶胶旋风式分离采集装置内部的运动方程

粒子在生物气溶胶旋风式分离采集装置内部的运动满足连续方程和运动方程[21]。

1.1.1 连续方程——质量守恒定律

根据质量守恒定律，对于单位质量流体在Cartesian 坐标系下的单位质量流体连续方程为

矢量形式为

式中，ρ 为流体密度；t 为时间；V 为流动速度矢量，u、v、w 为其在x、y、z 方向上的分量；xi为空间点的坐标；ui为在时间t 下坐标xi点的速度分量。

1.1.2 运动方程——动量守恒定律

根据运动守恒定律，Cartesian 坐标系下单位质量动量守恒方程为

式中，p 为流体压力；F 为单位质量流体所受外部作用力，Fx、Fy、Fz为其在x、y、z 方向上的分量，Fi为其在时间t 坐标xi点上的分量；τ为流体的黏性应力，τi，j为其在（i，j）上的张量分量；μ 为流体动力黏性系数，通常称黏性系数，μ'为膨胀黏性系数，μ、μ'的大小由流体分子的性质和分子之间的相互作用决定，由于流体的μ'值往往要比μ 值小得多，一般情况下膨胀黏性系数μ'可忽略不计[22]；δi，j为Kronecker 符号；Sm为流体质量源，Smx、Smy、Smz为Sm在x、y、z 方向上的分量，Smi为其在时间t 坐标xi点上的分量。

1.2 空气-生物气溶胶粒子两相流场运动微分方程

根据连续方程和运动方程，将空气-生物气溶胶粒子两相流场中的气体看作连续介质，将生物气溶胶粒子看作离散介质。

为了计算颗粒在连续介质中的运动情况，采用离散相模型（discrete phase model，DPM）来跟踪单个颗粒在连续介质中的运动轨迹。生物气溶胶粒子在空气中占有的比例很小（体积分数小于12%），因此不考虑粒子间的相互影响。单个粒子的运动轨迹受到曳力、重力和其他力的影响，其运动方程为

式中，u 为流体相速度；up为生物气溶胶粒子速度；ρ为流体密度；ρp为生物气溶胶密度；gx为x 方向的重力加速度；Fx为x 方向的其他作用力，包括在数量级上更小的浮力、压力梯度力、质量力、Basset 力、Magnus升力，可以忽略不计；FD为生物气溶胶粒子的单位质量曳力。FD可表示为

式中，μ 为流体动力黏度；dp为生物气溶胶粒径；CD为曳力系数；Re 为相对雷诺数（颗粒雷诺数）。Re 由以下公式计算得到：

对于求解过程及结果展示由Fluent 软件多次迭代完成。

2 生物气溶胶旋风式分离采集装置的结构设计及仿真分析

2.1 结构设计

生物气溶胶旋风式分离采集装置的工作原理主要靠惯性离心力的作用，使大粒径粒子与小粒径粒子分离。生物气溶胶粒子受到的离心力F 计算公式如下：

式中，ρ 为生物气溶胶粒子的密度；dp为生物气溶胶粒径；v 为气体进气口速度；R 为生物气溶胶旋风式分离采集装置筒体半径。

由上式可知，离心力的大小与进气口气流速度v、生物气溶胶旋风式分离采集装置筒体半径R 及生物气溶胶粒子的密度ρ、粒径dp有关。因此在保证进气速度不变的前提下，调整生物气溶胶旋风式分离采集装置筒体直径D 的大小可以实现不同程度的粒径分离。

典型的旋风式分离采集装置结构如图1 所示，主要结构参数有筒体直径D、入口直径di、出口直径do、收集仓直径dd、筒体长度H、椎体长度L 和出口深度h。

图1 典型旋风式分离采集装置结构模型

本文在参考经典旋风式分离采集装置结构参数设定的基础上，重点针对5 个不同筒体直径D 的粒径分离情况进行了模拟仿真。其中，取di为4.4 mm，do为4.7 mm，dd为3.7 mm，H 为8 mm，L 为20.8 mm，h 为3 mm，按照筒体直径D 取值15～19 mm，步长1 mm 进行讨论。

为了能够最大程度地剔除非目标粒子并提高检测效率，本文在传统粒径分离器的基础上加以优化，在进气口顶端加设防护结构[23-26]，其主要作用为对粒子进行分离前筛选和防止消毒、喷淋等所用液体进入采样结构。如图2 所示，生物气溶胶通过防护结构下部入口进入旋风式分离采集装置，经分离作用后，大粒径生物气溶胶粒子被甩入大粒径收集仓，小粒径粒子由筒体右侧出口流出。

图2 生物气溶胶旋风式分离采集装置结构图

2.2 仿真分析

本文使用ANSYS 软件的ICEM CFD 模型网格处理工具对生物气溶胶旋风式分离采集装置的气路模型进行网格划分[27]，然后将网格文件导入Fluent软件进行数值计算和可视化处理。Fluent 软件流体仿真一共分为3 个阶段：前处理、求解和后处理。

2.2.1 前处理

前处理的目的是将具体问题转化为Fluent 求解器可以接受的形式，即先对流域模型进行网格划分。流域网格的数目和质量对求解过程有重要的影响。在计算机性能允许的情况下，网格的数目越多越好[28-30]，因为足够多的网格可以更加合理地描述流体的流动过程。

本文利用非结构网格划分方法对生物气溶胶旋风式分离采集装置的流域模型进行网格划分，筒体直径D 为18 mm 的生物气溶胶旋风式分离采集装置结构网格图如图3 所示。其中，面网格入口4 899个、出口1 038 个、壁面47 001 个，体网格399 592个，总网格数量为452 530 个。

2.2.2 求解

2.2.2.1 流型选择

流体在生物气溶胶旋风式分离采集装置中的流动方式可以根据雷诺数Re 进行判断：

图3 生物气溶胶旋风式分离采集装置结构网格图

式中，ρ 为空气密度；u为气流的平均流速；Q0为流量大小；μ 为空气动力黏度；D0为当量直径。

对于圆管流动，当Re≤2 300 时，管流为层流；当Re≥8 000 时，管流为湍流；当2 300＜Re＜8 000时，流动处于层流与湍流间的过渡区。流体进入分离采集装置时管道直径为d，其中dd＜d＜D；气流流量Q1为28.3 L/min；空气密度ρ 为1.293 kg/m3，空气动力黏度μ 为1.836×10-5Pa·s。

按照筒体直径D 取值15～19 mm、步长1 mm，分别计算生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置中流动时的雷诺数Re，得到5 种筒体直径下对应的雷诺数Re 分别为2 820.6～11 434.2、2 644.3～11 434.2、2 488.7～11 434.2、2 350.5～11 434.2 和2 226.8～11 434.2。

由5 种筒体直径下的雷诺数Re 可知，流体在结构体中的流型均为混合流型。混合流型的数值模拟一般选用剪切应力输运（shear stress transport，SST）k-w 模型（以下简称“SST k-w 模型”），此模型是标准k-w 模型的变形，使用混合函数将标准k-ε 模型与k-w 模型结合。SST k-w 模型比标准k-ε 模型在广泛的流动领域中有更高的精度和真实度，适合于存在逆压力梯度时的边界层流动。因此，流动模型选择SST k-w 模型。

2.2.2.2 DPM

DPM 是Fluent 软件中提供的一种用于计算小颗粒、低浓度（体积分数小于12%）条件下的多相流动问题的特殊模型[30-31]。DPM 中将流体和固体小颗粒分别视为连续介质和离散介质，分别用Euler和Lagrange 方程进行计算，首先计算出连续相的运输方程，然后在Lagrange 坐标下计算离散相。这里的离散是指动量方程，不考虑固体小颗粒之间的碰撞。在气体——连续稀疏相的流动中，当固体颗粒的体积分数小于10%时，固体颗粒之间的距离相对于颗粒本身直径来说已经很远，颗粒之间相互碰撞的概率很小[32]，此时可以忽略颗粒间的相互作用。因此，本文选择DPM 进行数值模拟。

2.2.2.3 边界条件及主要参数设置

对模拟过程中边界条件及主要参数进行设置，采用SST k-w 流动模型，设置入口速度为28.3 L/min，出口压力为-6 000 Pa，壁面为无滑移固定壁，生物气溶胶粒子密度为1 800 kg/m3，采用耦合解法，分别对生物气溶胶粒子粒径取值0.5、1.0、1.5、3.0、4.0、5.0、10.0 μm 进行讨论。

2.2.3 后处理

本文对筒体直径D 的5 种取值进行了无差别模拟仿真，以考察粒径分离情况。为直观地展示模拟仿真结果，选取筒体直径为18 mm 的模拟仿真结果进行可视化分析。

图4（a）、（b）、（c）分别是粒径为0.5、1.0、1.5 μm的生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置内的路径图。由于这3 种生物气溶胶粒子质量很轻，受到重力和惯性的影响作用很小，其运动主要受到气流影响。由图4 可知，49 个生物气溶胶粒子进入分离仓之后随气流快速到达出口，有少量粒子受到气流影响进入了大粒径收集仓之后迅速逃逸，最终所有生物气溶胶粒子成功从出口完成逃逸，逃逸率为100%。

图5 是粒径为3.0 μm 的生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置内的路径图。由图5 可知，粒径为3.0 μm 的49 个生物气溶胶粒子进入粒径分离仓后，有2 个粒子受到气流影响进入了大粒径收集仓并滞留于此，47 个粒子成功完成逃逸，逃逸率为95.9%。

图4 小粒径生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置内的路径图

图6 是粒径为4.0 μm 的生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置内的路径图。随着生物气溶胶粒子粒径的增大，受到的重力和惯性作用也随之增大。由图6 可知，粒径为4.0 μm 的49 个生物气溶胶粒子进入粒径分离仓后，有25 个粒子逃逸，24 个粒子滞留于此，逃逸率为51.0%。

图5 粒径为3.0 μm 的生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置内的路径图

图6 粒径为4.0 μm 的生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置内的路径图

图7 粒径为5.0 μm 的生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置内的路径图

图7 是粒径为5.0 μm 的生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置内的路径图。由图7 可知，粒径为5.0 μm 的49 个生物气溶胶粒子进入粒径分离仓后，有2 个粒子完成逃逸，47 个粒子滞留于此，逃逸率为4.1%。

图8 是粒径为10.0 μm 的生物气溶胶粒子在旋风式分离装置内的路径图。由图8 可知，由于粒子质量过大，粒径为10.0 μm 的49 个生物气溶胶粒子进入粒径分离仓之后全部滞留，逃逸率为0。

图8 粒经为10.0 μm 的生物气溶胶粒子在旋风式分离采集装置内的路径图

通过对5 种筒体直径的旋风式分离采集装置进行生物气溶胶粒子逃逸情况的数值模拟，得到了不同尺寸下旋风式分离采集装置的生物气溶胶粒子逃逸率。5 种不同筒体直径的生物气溶胶粒子逃逸率折线图如图9 所示。

由图9（a）、（b）、（c）可知，粒径为0.5～1.5 μm 的生物气溶胶粒子的逃逸率分别为68%～95%、82%～100%、94%～100%，大量目标粒子未能全部逃逸，不满足现实生物气溶胶粒径分离要求。图9（d）显示当生物气溶胶粒子粒径小于1.5 μm 时，粒子的逃逸率为100%；粒径为1.5～3.0 μm 时，粒子的逃逸率为95.9%～100%；粒径为4.0 μm 时，粒子逃逸率下降至51%；粒径大于5.0 μm 时，粒子逃逸率为4.1%。图9（e）显示粒径小于3.0 μm 粒子的逃逸率为100%，3.0～5.0 μm的粒子逃逸率为47.0%～100%，可知此结构对生物气溶胶粒子的分离效果不明显。

2.2.4 仿真结论

为制订最佳结构参数，本文对筒体直径为15、16、17、18 和19 mm 的5 种生物气溶胶旋风式分离采集装置的粒子逃逸情况进行了数值模拟。模拟结果显示，当生物气溶胶旋风式分离采集装置的筒体直径为18 mm 时，粒径小于1.5 μm 的生物气溶胶粒子逃逸率为100%，粒径为1.5～3.0 μm 的生物气溶胶粒子逃逸率为95.9%～100%，粒径为4.0 μm 的生物气溶胶粒子逃逸率下降至51%，粒径大于5.0 μm的生物气溶胶粒子逃逸率为4.1%。该结构参数的粒径分离效果明显，可以实现小粒径生物气溶胶粒子较大比例逃逸，有效阻留大粒径粒子。

综合考虑后，本文选择筒体直径为18 mm 的结构参数进行实验平台搭建。

图9 5 种不同筒体直径下生物气溶胶粒子逃逸率

2.3 实验平台搭建

最终加工完成的生物气溶胶旋风式分离采集装置实物如图10 所示，材质为高纯铝。

3 生物气溶胶旋风式分离采集装置实验验证

本文选用六级安德森采样器和尘埃粒子计数器设计实验，对生物气溶胶旋风式分离采集装置的粒径分离效果进行验证。

3.1 实验材料与设备

浮游菌微环境试验系统1 套，生物气溶胶旋风式分离采集装置1 个，六级安德森采样器2 台（以下称为采样器A、采样器B），TSI9310 尘埃粒子计数器1 台（以下简称“计数器”），无菌琼脂培养皿，金黄色葡萄球菌（浓度等级107cfu/mL）悬浊液，生物气溶胶雾化发生器1 个。

3.2 实验验证

3.2.1 实验一

采用粒子计数方法，对不同粒径通道的粒子数量进行计数测量，测试生物气溶胶旋风式分离采集装置对不同粒径粒子的分离效果。实验步骤如下：

（1）净化实验环境：浮游菌微环境试验系统自净10 min。

（2）构建生物气溶胶微环境：采用生物气溶胶雾化发生器发生细菌，持续工作5 min。

（3）验证生物气溶胶旋风式分离采集装置的分离效率：将生物气溶胶旋风式分离采集装置安装在计数器进样口，打开计数器计数1 min 后记录结果，共重复实验3 组，记录结果。

（4）在计数器进样口未安装生物气溶胶旋风式分离采集装置的条件下，按照步骤（1）、（2）、（3）共重复实验3 组，记录结果。

3.2.2 实验二

采用六级安德森采样器采集生物气溶胶，将经过生物气溶胶旋风式分离采集装置进行粒子阻留的采集结果与自由状态下的采集结果进行比对分析，考察生物气溶胶旋风式分离采集装置对不同粒径粒子的分离效果。实验步骤如下：

（1）净化实验环境：浮游菌微环境试验系统自净10 min。

（2）构建生物气溶胶微环境：采用生物气溶胶雾化发生器发生细菌，持续工作5 min。

图10 生物气溶胶旋风式分离采集装置实物图

（3）验证生物气溶胶旋风式分离采集装置的分离效率：在采样器A 进样口处安装生物气溶胶旋风式分离采集装置，采样器B 进样口直接暴露（如图11所示），同时开启采样器A 和采样器B 采样1 min 后记录结果，共重复实验3 组。

（4）实验后处理及数据分析：将采样器A 和采样器B 中取出的培养皿放入37 ℃恒温培养箱培养12 h后进行菌落计数，完成统计分析。

3.3 实验结果

将实验一中安装生物气溶胶旋风式分离采集装置状态下得到的粒子计数结果记为分离状态，未安装生物气溶胶旋风式分离采集装置状态下得到的粒子计数结果记为自由状态，结果详见表1。

图11 采样器A、采样器B 气溶胶粒子采集实验图

表1 计数实验结果统计表 单位：个

从表1 可知：对于粒径小于3.0 μm 的生物气溶胶粒子，分离状态和自由状态下计数结果的平均值基本相当，这说明本文设计的生物气溶胶旋风式分离采集装置对粒径0.3～＜3.0 μm 的粒子无明显阻留作用；对于粒径3.0～＜5.0 μm 的生物气溶胶粒子，分离状态下计数结果的平均值为457 个，自由状态下计数结果的平均值为966 个，逃逸率为47.3%，分离阻留作用开始显现；对于粒径5.0～＜10.0 μm 和10.0 μm及以上的生物气溶胶粒子，逃逸率分别为2.9%和0.4%，说明本文设计的生物气溶胶旋风式分离采集装置对粒径5.0 μm 及以上粒子有明显的分离阻留作用。

实验二中采样器A 和采样器B 的采样培养细菌计数结果详见表2。

表2 采样结果统计表 单位：个

从采样器A、采样器B 的平均值来看，第4、5、6级的采样结果基本相同；采样器B 第3 级的菌落计数约是采样器A 的2 倍；采样器A 第2 级的菌落计数仅1 个，是采样器B 的3.6%；采样器A 第1 级的菌落计数为1 个，而采样器B 为44 个（金黄色葡萄球菌的一般粒径为0.8 μm，当生物气溶胶发生瓶对其进行细菌雾化工作时，部分细菌会产生抱团现象），逃逸率为2.3%。说明本文设计的生物气溶胶旋风式分离采集装置对粒径小于3.3 μm 的生物气溶胶粒子基本无阻留；对于粒径大于3.3 μm 的粒子，随粒径增加分离阻留效率逐渐增大。

4 结语

生物气溶胶旋风式分离采集装置可以阻留大粒径生物气溶胶粒子，提高对小粒径气溶胶的采集效率。为获得最佳结构参数，本文借助Fluent 软件对生物气溶胶旋风式分离采集装置筒体直径为15、16、17、18 和19 mm 参数下的粒子逃逸情况分别进行数值模拟，结果显示当生物气溶胶旋风式分离采集装置筒体直径为18 mm 时，粒径小于1.5 μm 的生物气溶胶粒子逃逸率为100%，随粒径增加逃逸率迅速下降；粒径大于5.0 μm 时粒子逃逸率下降到4.1%，粒径分离效果明显，理论上可以在保证目标粒子通过的前提下最大程度阻留大粒径粒子。同时，根据模拟仿真结果搭建了实验结构，选取尘埃粒子计数器和六级安德森采样器对仿真结果进行验证，取得了与模拟仿真较为一致的实验结果，证明生物气溶胶旋风式分离采集装置可以有效阻留大粒径气溶胶粒子，达到粒径分离效果。

本设计为小粒径生物气溶胶的分离采集与分析提供了新的方法和思路，下一步将针对不同入口速度下的生物气溶胶旋风式分离采集装置最优参数进行仿真分析，以满足不同场景、不同采样分析方式对特定粒径气溶胶切割阻留的需要。