水平动态送风气流下人体呼出飞沫核的扩散特性研究

2022-03-22赵凯玥

制冷与空调 2022年1期

赵凯玥柏茜程勇

（1.重庆大学土木工程学院重庆 400045；2.重庆大学国家级低碳绿色建筑联合研究中心重庆400045；3.重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室重庆 400045）

0 引言

封闭的空间是空气传播的高危场所[1]，2003年的SARS 流行病，2009年H1N1 流感，2013年的H7N9 禽流感病毒以及2020年的新型冠状病毒肺炎都说明了防治传染病和预防未知突发性感染病，尤其是空气传染病的重要性。通风被广泛认为是控制室内空气传播最具有影响力的工程方法[2,3]，因此气流组织形式对于室内人员交叉感染的影响重大。张林等采用数值模拟的方法对教室内某一人员呼出的液滴在水平送风、置换通风以及混合通风三种送风方式下呼吸区液滴浓度变化规律进行了研究，得出水平送风条件下呼吸区液滴浓度最低，感染风险最低[4]。Ai 等通过实验对水平气流分布的房间进行了人员之间交叉感染的研究，得出水平气流分布的应用将有效地消除近距离人群交叉感染的高风险[1]。这些研究得出：水平送风能有效降低室内交叉感染风险，但均是在稳态送风条件下进行的，针对于水平动态送风气流对人与人之间空气传播的影响，还有待进一步研究。

水平动态送风气流相较于稳态送风有潜力改善人体热舒适[5]，但水平送风模式与动态送风模式的结合可能会对室内交叉感染产生不同的影响：高速期内送风速度大可能会加快人体呼出飞沫核的排除，降低交叉感染风险；同时也可能会加强人体呼出飞沫核与周围气流的掺混，加剧交叉感染风险。因此本文在水平动态送风条件下，针对7 个工况，利用CFD 软件进行数值模拟，分析室内气流组织分布特性、人体呼出飞沫核扩散特性以及不同工况对于室内交叉感染的影响，为创造一个热舒适良好且交叉感染风险低的室内环境提供参考。

1 研究方法

1.1 物理模型

以一间8.4m 长×5.4m 宽×2.6m 高的教室为模拟对象，房间形状见图1（a）。在工作区内布置6张桌子及12 个人体M1-M12，桌子距离地面0.735m，尺寸为1.2m 长×0.4m 宽，为改善计算网格质量以提高计算的精准度，将人体简化为0.4m长×0.25m 宽×1.2m 高的长方体，其表面积与一个坐姿成年人的表面积相同。6 个方形送风口及6 个方形回风口对称布置于西侧墙壁的下部，且均匀分布在人体前侧，送风口距离地面1.25m，回风口距离地面0.395m，尺寸均为0.17m×0.17m。房间的右外墙上设有两扇窗户，前侧窗户尺寸为2.3m×1.45m，后侧窗户尺寸为2.3m×1.76m。此外，室内还有6 盏均匀布置于工作区上方的白炽灯，尺寸为0.555m×0.555m。在假人前方0.1m 处设置测点P3、P4、P5、P10、P11、P12，测点高度为坐姿人体头部呼吸区高度1.1m，如图1（b）所示。

图1 物理模型Fig.1 Physical model

为建立准确的CFD 模型以保证数值模拟计算结果的准确性及可靠性，课题组前期进行了实验研究。实验在香港城市大学成都研究院的实验室中进行，通过控制风机频率改变送风速度，控制冷水流量改变送风温度，进而调节各水平动态送风工况的送风参数。在不同工况下，对人体前三个高度（0.1m、0.6m、1.1m）、送风口及回风口的空气速度和温度进行了实验测量，测量时长为三个送风周期，同时室内温度及房间北侧壁面温度在实验全程进行不间断的测量，所有仪器在测量前均进行了校准，实验中所采用的仪器及其参数如表1所示，详细的实验步骤和方法，请参考文献[13]。

表1 实验仪器参数Table 1 Information on measurement instruments

1.2 CFD 模型

根据文献[6]及文献[7]，直径在0.5～10μm 之间的颗粒物能在空气中停留较长时间，其在空气中的运输模式与气体类似，且飞沫核的直径为0.25 到42μm 不等，其中97%分布在0.5 到2μm 之间，虽然人体呼出的含有病原体的飞沫核是颗粒物，但示踪气体所表征的污染物分布与颗粒物的分布相似。因此，本文所建立的CFD 模型采用CO2示踪气体来模拟人体呼出飞沫核，并采用Species 组分输运模型模拟CO2在室内的扩散。

本文主要研究室内速度场及温度场，对物理模型做如下假设：室内气体为不可压缩气体；室内气流流动状态为湍流状态；室内空气满足Boussinesq假设，即除动量方程的浮力项外，其他项的密度按常数处理。采用标准壁面函数来模拟近壁面区域的湍流流动，采用DO（discrete ordinate）辐射模型来计算不同壁面（外墙、外窗、人体表面、灯）之间的热传递，采用标准k-ε湍流两方程模型来模拟室内环境。

k方程：

ε方程：

1.3 模拟设置

本研究在进行CFD 数值模拟时运用的软件是ANSYS Fluent 2020 R2。在进行模拟计算时，控制方程离散化方法采用有限体积法[8]。采用SIMPLE法作为压力-速度耦合算法[9]。采用二阶迎风格式进行离散化，二阶隐式格式用于时间离散化[10]。在模拟过程中，动量残差的收敛准则设为10-4，质量残差、湍流动能残差、湍流耗散残差、能量残差和辐射强度残差的收敛准则设为10-6[11]。

本研究采用Airpak 软件进行了网格划分，网格为六面体网格，对速度和温度梯度较大的位置如风口、热源及热壁面的局部网格进行了细化。本文根据网格独立性检验原则，采用了网格数量为193万、255 万、316 万的网格进行检验，综合考虑时间成本和计算精度，本文采用网格数量为255 万的网格进行水平动态送风模型的数值模拟。为分析人体呼出飞沫核的扩散特性，在网格数量为255 万的网格基础上，进一步对人体嘴巴附近的网格进行了局部加密，加密后网格数量为293 万。

模拟边界条件设置如表2所示。外墙的壁面温度值确定为302K，其余壁面视为绝热。对于脉动送风，由于送风速度与时间相关，通过用户自定义函数（UDF）来设定送风速度的边界条件。设教室内人员M4 呼出气体中含有污染物，以CO2代替呼出飞沫核进行模拟，设置人员嘴巴尺寸为0.01m×0.01m，边界条件为速度入口（velocity-inlet），假设人员恒定呼出污染物，参照文献[12]，设置其速度为0.89m/s，浓度为40000ppm，同时设置风口送风的CO2浓度为400ppm[12]。

表2 边界条件设置Table 2 Boundary condition setting

1.4 工况设置

现有研究表明，在送风温度21.5℃和周期平均送风速度1.5m/s 的水平动态送风工况下，热舒适情况较好[13]。因此，本研究依据相关研究[13]中所比较的26 个工况，选取了热舒适较好的7 种工况，如表3所示。

表3 工况设置Table 3 Working condition setting

2 结果及分析

2.1 数值模拟验证结果

为保证数值模拟的可靠性，本研究利用课题组前期研究所得的实验数据对CFD 模型进行验证。实验工况的周期平均送风速度为1.7m/s，送风温度为21.5℃，取人体头部呼吸区高度1.1m 的两测点P3、P5 处的数据进行验证，对600s 内的空气速度及450s 内的空气温度的变化趋势进行对比，验证结果如图2 和图3所示。

图2 Y=1.1m 处空气速度的实验和模拟结果对比Fig.2 Comparison of experimental and simulation results of air velocity at Y=1.1m

图3 Y=1.1m 处空气温度的实验和模拟结果对比Fig.3 Comparison of experimental and simulation results of air temperature at Y=1.1m

由空气速度和温度的对比结果可知，模拟结果和实验结果的趋势相近，拟合程度相对较好。对于空气速度及温度，模拟结果和实验结果的最大速度差在0.3m/s 左右，最大温度差在1℃左右，与相关研究[13]内的最大偏差相同，根据相关研究[13]，空气速度差和空气温度差在合理误差范围内，该模型模拟验证结果良好，故该模型可用于进一步计算分析气流组织特性和污染物扩散特性。

2.2 气流组织特性分析

本节以典型工况5 为例，讨论水平动态送风条件下的气流组织特性。图4 是工况5 下不同送风速度时期，呼吸区截面（Y=1.1m）及竖直方向截面（X=5.1m）处的速度分布，房间的左右侧以呼吸区截面（Y=1.1m）的左右侧为准，位于送风上游的人员视为前侧人员。可以看出：室内气流经风口水平送出后，流经前排人员呼吸区，受人体阻力和气流卷吸的影响发生一定程度的速度衰减，在与人体碰撞后，绕前排人员周围区域流动，抵达后排人员呼吸区后，在室内形成左右两侧的回流，由壁面处的排风口排出。在低速期，如图（c）所示，室内气流经风口送出后，速度衰减较明显，气流显著下落，使大部分新风直接送入前排人员头部呼吸区，且气流向左右两侧形成的回流现象较明显。在高速期，如图（d）所示，射流长度明显大于低速期射流长度，气流经风口送出后速度衰减效果降低，先抵达人体头部上侧，导致气流在与人体头部碰撞后，部分向下流动至前排人员呼吸区。

图4 工况5 呼吸区截面（Y=1.1m）及竖直方向截面（X=5.1m）处的速度分布Fig.4 Velocity distribution at the section of breathing area(Y=1.1m)and vertical section(X=5.1m)in case 5

图5 是工况5 下不同送风速度时期，呼吸区截面（Z=1.1m）处的温度分布。可以看出：前排人员呼吸区内空气温度明显低于后排人员呼吸区空气温度，随着送风速度的增大，进入人员工作区的新风增多，进一步扩大了26℃左右的温度范围，且除工作区外，室内左右两侧的温度分布更加均匀。

图5 工况5 呼吸区截面（Z=1.1m）处的温度分布Fig.5 Temperature distribution at the cross section of breathing area(Z=1.1m)in case 5

2.3 飞沫核扩散特性分析

为探究同一工况下高、低速期的人体呼出飞沫核扩散特性，选取典型工况5 进行具体分析。图6是工况5 感染人员呼出CO2的分布情况。根据气流组织特性分析，气流在房间左侧产生了回流现象，由于其作用范围内无感染人员，左侧房间的污染物浓度分布维持在较低水平，如图所示。右侧气流经风口送入室内，流经感染人员M4 后裹挟CO2抵达人员M10 的呼吸区，在回流的影响下，气流向右发生偏移，部分携带CO2的气流流动至人员M11、M12 周围，另一部分流经房间后侧及右侧区域后从排风口排出。在低速期，室内空气速度水平较低，射流长度较低，感染人员M4 呼出的CO2被稀释扩散的效果不明显，且CO2主要分布于感染人员M4及其后排人员M10 附近，右侧气流的回流对CO2的浓度分布无显著影响。在高速期，空气速度水平较高，射流长度高于低速期射流长度，感染人员M4 呼出的CO2在高速气流的裹挟下，被迅速传递至后排人员M10、M11、M12 周围，且在右侧气流的回流作用下，携带CO2的气流与房间后侧空气充分混合，使得CO2在房间右后方浓度分布较为均匀，在房间右侧整体浓度水平较高。在送风周期内，人员M10-M12 周围具有高于其他人员周围的CO2浓度，因此认为人员M10-M12 为高危人员。

图6 工况5 下CO2 的分布情况Fig.6 Distribution of CO2 under condition 5

2.4 工况对比

2.4.1 送风周期总时长对比

本文所选7 个工况中存在两种不同送风周期总时长，即300s 和120s，本节在送风速度及高速期与低速期之比相同时，对不同送风周期总时长的工况下室内人员M4、M10-M12 周围CO2的分布进行分析，如图7所示为工况1（300s）和工况3（120s）的对比。

图7 各人员在不同送风周期总时长的工况下CO2 质量分数的变化Fig.7 Variation of CO2 mass fraction of each person under different total duration of air supply cycle

由图可知，对于感染人员M4，送风周期总时长较短的工况3 高低速期转变并未对其周围CO2质量分数分布情况产生明显影响，送风周期总时长较长的工况1 在低速期内由于长时间低速送风造成了感染人员M4 周围CO2的积累，导致其质量分数水平较高；在高速期内长时间高速送风有利于感染人员M4 周围CO2的排除，而质量分数呈现较低水平。对于高危人员M10-M12，低速期内由于工况1 长时间低速送风使感染人员呼出的CO2没有及时扩散，因此高危人员M10-M12 周围CO2质量分数相对于工况3 较低；高速期内由于工况3 高速送风的时长较短，感染人员呼出的CO2扩散程度弱，对于高危人员M10-M12 的影响相对于工况1较小。综合来看，当送风速度与高速期和低速期时长比值相同时，总时长300s 和总时长120s 的工况对于高危人员M12 周围的CO2分布的影响情况差别不大，对于感染人员M4 以及高危人员M10、M11 周围CO2分布的影响略有差别。

2.4.2 高速期与低速期时长比值对比

在本文所选择的送风周期总时长为120s 的5个工况中，送风高速期与低速期时长之比有1、0.5、0.25 三种，本节选择高速期送风速度相同的工况3（比值为1）、工况5（比值为0.5）以及工况7（比值为0.25）进行对比分析，如图8所示。

图8 各人员在高速期与低速期时长比值不同的工况下CO2 质量分数的变化Fig.8 Variation of CO2 mass fraction under different duration ratio of high speed period and low speed period

工况3 的送风高速期与低速期时长比值为1，在工况3 送风条件下，感染人员M4 恒定呼出CO2，低速期大量积累CO2，高速期内人体持续呼出的以及低速期积累的CO2的扩散程度相对较小，故人员M4 周围CO2质量分数在高低速期转变时无明显变化。对于上述3 个工况，高速期内送风速度相同，送风时间：工况3＞工况5＞工况7，高速期内除工况3 对于感染人员M4 周围CO2的消除能力较差外，其余情况下感染人员M4，高危人员M10-M12周围CO2的消除均呈现较好效果。低速期内送风速度：工况7＞工况5＞工况3，送风时间：工况7＞工况5＞工况3，四位人员周围的CO2质量分数均在工况7 下呈现最低水平。因此低速期内长时间较高速送风能够有效消除感染人员M4，高危人员M10-M12 周围的CO2。

2.4.3 高速期与低速期不同送风速度对比

上节所讨论的3 种工况高速期送风速度相同，本节的讨论对象是送风周期总时长为120s，高速期与低速期时长比值为0.5，高低速期送风速度不同的工况4、工况5 以及工况6，对这3 种工况下的室内感染及高危人员周围的CO2分布进行对比分析，如图9所示。

图9 各人员在不同送风速度的三种工况下CO2 质量分数的变化Fig.9 Variation of CO2 mass fraction under three working conditions of different air supply speed

低速期内，送风速度：工况4＞工况5＞工况6，四位人员周围的CO2质量分数均在工况4 下呈现最低水平，可见低速期内较高速送风对于感染人员M4、高危人员M10-M12 周围CO2消除效果显著。高速期内，送风速度：工况6＞工况5＞工况4，在感染人员M4 周围，工况4 的高速期送风速度最低，使感染人员呼出的CO2的扩散作用较弱而部分CO2仍然积累在其周围，导致其周围CO2分布水平高于其他2 种工况；高危人员周围的CO2分布在3种工况下均呈现较低水平。综上：相同送风时长的情况下，高速期送风速度对室内交叉感染的影响较小，低速期内较高速送风能有效较低室内交叉感染风险，如工况4。

2.4.4 与稳态工况对比

由上述分析可知，高速期内送风速度与送风时长对室内交叉感染情况影响较小，低速期内长时间较高速送风能有效降低室内交叉感染风险，工况4的低速期为80s，送风速度为1.43m/s；工况7 的低速期为96s，送风速度为1.39m/s，且二者的低速期送风速度为7 个工况低速期中较高水平，室内人员周围CO2的分布水平在这两种工况下也呈现较低水平，因此认为工况4 和工况7 为较优工况，能有效降低室内交叉感染风险。将其与稳态送风工况条件下的感染人员与高危人员周围的CO2质量分数进行对比，如图10所示。

图10 各人员在三种工况下CO2 质量分数的变化Fig.10 Changes of CO2 mass fraction of each personnel under three working conditions

由图可知，四位人员在工况4 和工况7 下的污染物浓度变化趋势大致相同。工况4、工况7 对感染人员M4 周围CO2的降低效果在高速期优于稳态送风工况，在低速期弱于稳态送风工况。工况4、工况7 下高危人员M10 周围的CO2分布水平低于稳态送风工况，高危人员M11、M12 周围的CO2分布水平与稳态送风工况相近。而本文所探究室内交叉感染风险，相对于已感染人员M4，更关注高危人员M10-M12 周围的CO2分布水平，因此综合得出：工况4 和工况7 相对于稳态送风工况能更有效降低室内交叉感染风险。

根据文献[13]中对水平动态送风不同工况的热舒适性评价可知，工况4 的热舒适性优于工况7，结合两种工况对室内污染物浓度分布的影响，认为工况4 能在保障室内热舒适性的条件下，有效降低室内交叉感染风险。