邮轮隔离住舱防疫通风布置研究

刘嘉诚,谷家扬,张忠宇,刘志松

(1.江苏科技大学 海洋装备研究院,江苏 镇江 212000;2.招商局重工(江苏)有限公司,江苏 南通 226121)

0 引言

受新冠疫情影响,邮轮作为供乘客休闲娱乐的大型豪华高技术船舶,其防疫系统的研发设计成为邮轮设计的关键任务[1]。由中国船级社发布的《船舶防疫安全指南》明确指出隔离房的空调布置应能有效避免病毒对居住区扩散传染,隔离房通风布置不合理,将增大病毒传播的风险。

CFD数值模拟能够较为精确地仿真飞沫及颗粒物的扩散运动。ZHOU等[2]利用CFD方法研究了室内通风环境中的颗粒扩散,发现随着入口速度和地板温度的增加,沉积在底板上的颗粒物越少。王骁等[3]通过对大型舰船密闭舱室建立通风换气数学模型,监测了通风换气过程中舱室污染物浓度的变化情况,研究发现风口的布置是影响空间内污染物浓度的重要因素。HUANG等[4]通过数值仿真客船舱室门打开和关闭情况下患者咳嗽和说话的病毒颗粒运动情况,发现空调出口方向控制在向下15°内可有效限制病毒传播。

本文以某2级防疫安全要求的豪华邮轮防疫住舱为研究对象,通过数值模拟分析不同通风方案对于病毒颗粒物消杀率的影响,研究4种典型的船舶住舱或隔离病房通风布置方案通风效果,并综合考虑病毒消杀及邮轮设计建造的实际条件,提出一种切实可行的邮轮防疫住舱通风方案。

1 通风方案及控制方程

1.1 邮轮防疫住舱通风方案

本文选取了4种邮轮防疫住舱通风方案,见图1[5-6]。防疫住舱长×宽×高为7.8 m×2.8 m×2.3 m,送风口进风包括回风口回风及新风。回风口(防疫)与进风口之间的风机盘管(Fan Coil Unit,FCU)安装过滤器,病毒消杀率99%,FCU每个住舱独立设置。排风口开在卫生间顶部,由风机抽到防疫风管后进行消杀,排风口(空调)在住舱用作防疫隔离舱时关闭。

图1 邮轮防疫住舱通风方案

1.2 控制方程

本文采用连续相气体流动和拉格朗日颗粒相耦合的方法进行病毒颗粒的仿真研究,湍流模型采用流体近壁仿真效果较好的SST K-Omega模型[7],运输方程如下:

(1)

(2)

式中:μt为涡粘性;Sij为平均速度应变率张量;ρ为流体密度,kg/m3;k为湍流动能,J;其他常数α=0.556,β=0.09,β*=0.09,σ=0.5,σ*=0.5。

颗粒相采用拉格朗日多相模型。拉格朗日多相流模型能够对离散颗粒的运动进行模拟和追踪,单个颗粒的运动方程可表示为

(3)

式中:ρp为颗粒密度,kg/m3;ρg为气相密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;up为颗粒相速率,m/s;ug为气相速率,m/s;FD为流体对颗粒的曳力,N;Fx为除重力以外的其他力,包括压力梯度力、虚拟质量力、用户定义的力及库仑力,N。

2 通风方案数值计算

2.1 网格划分及无关性验证

采用多面体网格对计算域进行网格划分,在人口鼻处设置圆锥型喷射器,并对通风进、出口处进行网格加密。网格划分后的计算域见图2。

图2 网格划分后的计算域

为了尽可能节省计算资源,数值仿真之前需对计算域进行网格无关性验证,以确定最适合该计算域的网格划分方式。在计算域中选取一条垂直于住舱地面的垂直轴线,计算其速率,网格无关性验证结果见图3。从图3中可以看出,随着轴线高度的升高,气流速度总体呈现上升趋势但有一定波动。这是由于进、回风口都布置于住舱顶部,因此气流在房间内呈环形流动,并且顶部气体流动速度较快。采取网格数为83万的划分方式可以较为准确模拟气流运动的同时保证计算量的合理性,因此后续仿真研究采用网格数为83万的网格划分方式。

图3 网格无关性验证

2.2 边界条件设置

利用STAR CCM+软件,对病毒颗粒进行非稳态仿真以研究不同通风方案单位时间内的病毒消杀率。仿真模型中病毒颗粒通过喷射器产生,呼吸条件下病毒颗粒的参数设定如下[8-9]:喷射器速度[0,0,0.3]m/s,质量流率1.31×10-14kg/s,颗粒直径最小值0 μm、最大值2.5 μm、参考值0.5 μm,喷射作用时间4 s/次,动力粘度1.855×10-5Pa·s。

计算域边界由墙壁、人体、送风口、回风口(防疫)、排风口、排风口(空调)及病毒颗粒组成,边界条件设定见表1。由于本文旨在研究住舱通风布置方案对病毒颗粒运动的影响,故4种通风方案的边界条件设置方法相同,只改变通风口布置位置。

表1 各通风方案边界条件参数

按照邮轮住舱设计经验,排风口的位置布置在卫生间舱顶,位置固定不变,气体经排风管道排出后进行消杀处理。排风口(空调)在住舱用作防疫住舱时关闭,在仿真模型中按壁面处理。送风口进风包括回风口回风与新风,共计0.166 kg/s。

3 防疫通风布置方案分析

3.1 流场分析

首先对4种防疫住舱通风方案的气流组织进行分析,探究不同通风方案下住舱气体流动的均匀程度,进风口所在截面即X=0截面气体速度矢量见图4。

图4 X=0截面处速度矢量图(单位:m/s)

图4(a)气体从进风口进入住舱后垂直向下流动,到达地面后向四周扩散运动,该过程气体流速较大。此方案下住舱气流组织较为均匀,气流平均速度为0.160 m/s。图4(b)气体流向与图4(a)类似,但由于图4(b)的回风口在舱室右侧,因此从图中可以明显看出气体流动偏向回风口的方向,使得右侧卫生间内的气体流动更加充分,气体流动的整体效果好于图4(a)上送上回的通风方案。此方案下舱室气流平均速度为0.163 m/s。图4(c)、图4(d)气体从进风口进入住舱之后,沿住舱顶部水平运动至卫生间墙壁后向下扩散运动。为了更直观地对比分析2种侧面送风方案的气流组织,对回风口所在截面即X=-1.25截面处速度矢量进行分析,见图5。

图5 X=-1.25截面处速度矢量图(单位:m/s)

图5(a)中回风口布置在右侧,因此卫生间内气体流速较高,气流组织更为均匀。该方案住舱内气流平均速度为0.218 m/s。由图5(b)可以看出,由于其回风口布置于左侧,与进风口同侧,因此气体在到达卫生间墙壁后回流气体较多,舱室底部气体流速较大,造成卫生间内气流量较小,故气体流速较低。该方案住舱内气流平均速度为0.212 m/s。

3.2 颗粒运动情况

为确保颗粒在防疫住舱内充分运动,设置仿真时间为3 000 s。防疫舱室部分颗粒的运动轨迹见图6。图6(a)受室内气体流动影响,颗粒从喷射器喷出后整体向斜下方运动一段距离后颗粒开始分散。一部分颗粒向回风口及排风口方向运动,后经回风口或排风口排出;另一部分颗粒向住舱左侧运动,到达壁面后消失,没有经通风系统排出住舱。图6(b)颗粒从喷射器喷出后,受上方进风口气体流动影响,颗粒向斜下方运动一段距离后颗粒开始分散。由于该方案下回风口和排风口均在住舱右侧,故大部分颗粒向右侧运动,最后经回风口和排风口排出;向住舱左侧运动的颗粒少于方案1。图6(c)颗粒从喷射器喷出之后被气流吹向右侧。结合图4(c)可得知,气流从进风口到达右侧卫生间壁面之后,由于气体流速较大故存在大量气体回流,因此也有一部分颗粒向住舱进风口所在方向回流,可是回风口与排风口均布置在住舱右侧,使得颗粒在住舱内运动轨迹较长且更为杂乱。图6(d)颗粒从喷射器喷出后的运动轨迹与图6(c)通风方案基本一致,但由于回风口与进风口同侧布置,故颗粒运动轨迹明显短于图6(c)通风方案。

对比分析图6防疫住舱内颗粒运动轨迹,上侧送风的通风方案颗粒运动轨迹明显短于侧面送风的通风方案,病毒颗粒经过更短的路程即可排出住舱。上侧送风时,防疫住舱内颗粒运动轨迹集中在住舱右侧即回风口一侧,若将住舱门设置在左侧墙壁,则可在必要的人员进出开门时有效减少病毒颗粒向防疫住舱外扩散。侧面送风时,结合图4住舱速度矢量图可以看出,此时住舱内气流组织从左侧送风口向右侧运动,且气体流速明显高于上侧送风方案的气体流速,因此若防疫住舱采用侧面送风方案时,可以考虑将住舱门开在住舱前侧或后侧(图6视角)以减少开门时颗粒扩散。

3.3 防疫效果

本文以颗粒消杀率来衡量防疫住舱不同通风方案的防疫效果。由于排风经风机抽至特定区域进行消杀并且回风也经过FCU中消杀装置进行消杀,故颗粒消杀率为回风口(防疫)及排风口排出颗粒数之和与喷射器喷向住舱中颗粒总数的比。颗粒消杀率越高,说明该通风方案对病毒颗粒的排出及消杀效果越好。

4种通风布置方案的颗粒消杀率见图7。

图7 4种通风方案病毒颗粒消杀率

为使颗粒在住舱内充分运动,选取计算时间为3 000 s,验证消除时间敏感性对颗粒消杀率的影响。由图7可以看出2 500 s后颗粒消杀率基本趋于稳定。3 000 s时,方案4的防疫效果最佳,为78.3%;方案2次之,为77.7%;方案1为76.7%;方案3的防疫效果最差,为57.6%。

由于3 000 s时方案1、方案2及方案4的颗粒消杀率差别较小,因此分别统计回风口(防疫)及排风口3 000 s内的颗粒消杀率,以深入对比分析各防疫住舱通风布置方案的防疫效果,见图8。由图8可以看出,方案1、方案2和方案4各出口颗粒排除率总和相差不大,但排风口和回风口(防疫)的颗粒消杀率存在差异,其中,方案3的颗粒消杀率明显低于其他3种方案,因此只对另外3种通风方案的防疫效果进行对比分析。对于排风口颗粒消杀率而言,方案2排风口颗粒消杀率最高,为28.7%;方案1次之,为22.8%;方案4最少,为21.4%。对于回风口(防疫)颗粒消杀率而言,方案4回风口颗粒消杀率最高,为56.8%;方案1次之,为54.1%;方案2最少,为49.2%。

图8 4种通风方案各通风出口颗粒消杀率

当3种通风方案总体颗粒消杀率相差不大的前提下,排风口将病毒颗粒直接排出住舱进行集中消杀,而回风口(防疫)利用FCU中的消杀装置进行消杀。对于防疫住舱的防疫效果而言,通过排风口直接将病毒颗粒排出住舱的消杀方式对病毒颗粒浓度的控制更为显著。同时,卫生间作为防疫工作的重点及难点区域,3种通风方案排风口均布置在卫生间舱壁顶部,排风口颗粒消杀率高,代表卫生间内消杀效率高。

因此,对于本文研究对象来说,方案2的上送侧回的通风方案为最佳通风布置方案。4种通风方案防疫效果相关参数见表2。

表2 4种通风布置方案防疫效果相关参数

4 结论

(1)由隔离住舱流场分析可知:上侧送风的通风布置方案舱室内的气流平均速度较低,因此病毒颗粒排出舱室的时间较晚,但气流组织较为均匀;侧面送风的通风布置方案气流速度较快,故病毒颗粒能够较早地排出住舱进行消杀,但是由于其气流速度过快,使得一部分病毒颗粒吸附于住舱侧面舱壁,大幅降低病毒颗粒消杀率。

(2)上送上回、上送侧回及侧送侧回(同侧)的通风布置方案在3 000 s后病毒颗粒消杀率可达到76.7%、77.7%及78.3%。在总体颗粒消杀率相差不大的前提下,应优先选取卫生间排风口颗粒消杀率较高的方案,即通风布置方案2的上送侧回的通风方案。

(3)通过分析病毒颗粒运动轨迹,为邮轮防疫住舱舱门的布置位置提供了建议,同时发现当回风口与排风口布置在一侧时,卫生间的气流组织更为均匀并且其病毒消杀率也得到明显提高。