室内飞沫传染性微生物的换气优化模拟

摘要：利用计算流体力学（CFD）方法模拟了空调房间中换气次数、风口位置和飞沫源初始位置对类SARS病毒飞沫浓度分布的影响，在各种空调送风方式下，依据送风、排风口位置和病毒飞沫喷口的位置，得到空调系统迅速疏散和排出微生物的合理气流组织、换气次数和送排风方式，对于维持室内飞沫微生物低浓度，有效防御生物污染具有一定的意义，并且为防止飞沫微生物传播的旧空调系统的改造及其新空调系统的优化设计提供理论依据。

关键词：气流组织；换气次数；数值模拟

Abstract: using computational fluid dynamics (CFD) method to simulate the breath during times of air conditioning room, tuyere position and droplet initial position of source of SARS virus droplets on the distribution of the concentration, in all kinds of air conditioning air supply under way, according to the supply air vents, position and virus droplets of jet position, get air conditioning system and the discharge of microbial quickly evacuated reasonable airflow organization, take a breath times and send exhaust way, to maintain indoor spray microbial low concentration, effective defense biological pollution has certain significance, and, to prevent the spread of airborne microorganisms old air conditioning system transformation and its new air conditioning system provides the theory basis for the optimization design.

Keywords: airflow organization; Take a breath times; Numerical simulation

中图分类号：R122.2+4文献标识码： A 文章编号：

0 引言

2003年SARS在世界范围内尤其是在中国大陆地区的流行，严重威胁到人们的健康甚至生命，其容易传播及容易感染发病的特点更是引起人们的极大恐慌。由于SARS 病毒可以通过飞沫传播，而且人体口腔飞沫还容易携带其它许多病毒和细菌微生物，针对飞沫产生的不同条件（如呼吸、喷嚏等），对其在室内的传播和扩散过程进行数值模拟分析显得尤为重要。

本文依据类SARS病毒飞沫在空气中运动的基本规律，建立流体流动和传质的数学模型，描述病毒飞沫在空调房间随气流组织流动的速度场和浓度场，进一步建立类SARS病毒飞沫在人呼吸、咳嗽和打喷嚏时室内运动轨迹，利用计算机仿真技术，耦合模拟求解空调房间在各种条件下对类SARS病毒飞沫运动轨迹的影响状况，在各种空调送风方式下，依据送风、排风口位置和病毒飞沫喷口的位置，得出合理的气流组织和换气次数。

1 数学模型

1.1 物理模型的建立

本文采用 的房间模型，布置一个送风口和一个回风口，尺寸均为 ，见图1。送风口位于侧墙下部 处，换气次数为10次/h，回风口位于房间的顶部。在房间正中间有一人，背向送风口，假设人体模型的尺寸为长（X） 宽（Y） 高（Z）＝ 。本模型中为便于计算将人实际呼吸产生的飞沫转化为离人顶部很小（100mm）的空气层中的源项，即，假设该空气层中存在飞沫产生源，其释放量等于实际飞沫的产生量[3]，飞沫源在位置1（x=1.5m，y=1.5m，z=1.6m），其释放强度为常数：1.0 。

图 1数值模拟模型示意图

1.2 数学模型的建立

湍流流动采用 模型，其控制方程可统一写为通用的输运方程形式：

（1）

式中 为通用因变量，分别表示动量方程中的速度u,v,w，能量方程中的温度T，浓度方程中的 ，湍流动能方程中的湍流动能 及湍流动能耗散方程中的耗散率 ； 表示对流项； 表示扩散项； 为广义扩散系数； 表示源项，组分方程中为 ，即任意一点的污染物的释放强度，其余详见文献[4]。

边界条件：对于速度，按照固体壁面无滑移边界条件处理；对于 和 则按照壁面函数法来处理；假设在春秋两季，室内外温差不大的环境下，房间维护结构保温性能良好，壁面按绝热边界处理；送风口采用速度入口边界条件(velocity-inlet)；出口边界采用齐次Neumann条件处理[5]。

基于以上的模型和边界条件，采用有限容积法离散控制方程，网格采用基于直角坐标的均匀网格。对流项和扩散项采用混合格式离散，速度和压力的耦合采用SIMPLE算法进行求解，动量方程采用交错网格系统。求解方法采用交替扫描的三对角解法(TDMA)。

2 模拟结果分析与讨论

2.1 风口位置的影响

下面将对两种风口位置时通风房间内的飞沫浓度分布进行分析比较。图2为异侧上进下出和同侧上进下出通风房间模型示意图。

图2异侧上进下出和同侧上进下出通风房间模型示意图

（a）换气次数为10的速度场

（b）气次数为10次时的浓度场

图3异侧上进下出通风房间中心平面（y=1.5m）的流场和浓度场示意图

（a）换气次数为10的速度场

（b）气次数为10次时的浓度场

图4同侧上进下出通风房间中心平面（y=1.5m）的流场和浓度场示意图

图3和图4分别给出两种风口位置时房间中心平面(y=1.5m)的速度场和飞沫浓度场分布的示意图。换气次数为10次/h，其中假设人体模型的尺寸为长（X） 宽（Y） 高（Z）＝ ，飞沫源在位置2（x=1.5m，y=1.5m，z=0.8m）。在图3和图4的两种气流组织形式下，通风房间的平均浓度是房间上半部远低于下半部，这是因为房间上半部位于送风的主流区，且距离飞沫的产生源又比较远，因此房间的上半部飞沫浓度很低；通过比较图3a和图4a，我们可以看出在同侧上进下出通风房间流场在右部中下区域形成了一个较大的回流区，以至于图4b中该区域中的飞沫浓度很高，而异侧上进下出通风房间在该区域没有回流区，飞沫能快速直接地排出室外，因此图4b房间中下部飞沫的平均浓度要远高于图3b。因此，在相同条件下，同侧送回风容易产生回流区，而异侧送回风不容易产生，对飞沫的排出比较有利。

（a） 0～400s的变化曲线图

（b） 400～3900s的变化曲线图

图5不同风口位置时房间飞沫的平均浓度随时间变化的曲线图