劉琦，謝承利，李偉光，劉文川，龍新平

1 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

2 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044

3 重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044

4 武漢大學(xué) 水射流理論與新技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072

0 引 言

船舶艙室是一個(gè)相對(duì)密閉的室內(nèi)環(huán)境，其空氣品質(zhì)受污染源、顆粒物、溫度、濕度等諸多因素影響。日本“鉆石公主”號(hào)（Diamond Princess）郵輪新冠病毒感染事件使船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更加清晰地意識(shí)到，必須設(shè)計(jì)可靠的船舶空氣調(diào)節(jié)和通風(fēng)系統(tǒng)、建立合理的氣流組織，以有效保障艙室的空氣品質(zhì)，從而降低病毒通過(guò)空氣傳播導(dǎo)致交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。

為確保船舶傳染病隔離病房?jī)?nèi)含有病毒的污染空氣不侵入周圍的潔凈空間，通常需要設(shè)計(jì)負(fù)壓系統(tǒng)以維持病房?jī)?nèi)部較低的負(fù)壓環(huán)境。美國(guó)疾病控制中心認(rèn)為，控制氣流進(jìn)出房間的最小壓差僅為0.25 Pa，但考慮門開(kāi)閉和熱浮升力效應(yīng)等影響，推薦隔離房間負(fù)壓大于2.5 Pa[1]。我國(guó)《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定，負(fù)壓隔離病房與其相鄰及相通的緩沖間、走廊壓差應(yīng)保持不小于5 Pa的負(fù)壓差。此類準(zhǔn)則和規(guī)范為相應(yīng)的負(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要參考，但是無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估病房?jī)?nèi)壓力波動(dòng)等實(shí)際因素對(duì)其內(nèi)部氣流組織和污染物分布的影響，同時(shí)缺少針對(duì)船舶隔離艙室負(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)研究。近年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)已在室內(nèi)污染物擴(kuò)散分布研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-7]。研究人員基于雷諾平均Navier-Stokes方程（RANS）方法并結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)人員走動(dòng)和門開(kāi)閉過(guò)程的流場(chǎng)特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，結(jié)果表明，室內(nèi)物體移動(dòng)誘導(dǎo)的氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)和污染物的擴(kuò)散分布產(chǎn)生重要影響[8-10]。由于物體運(yùn)動(dòng)與流場(chǎng)特性高度耦合，固體表面誘導(dǎo)的流體運(yùn)動(dòng)具有極強(qiáng)的瞬態(tài)特性，大渦模擬（large eddy simulation，LES）方法較RANS方法可以更好地捕捉此類流場(chǎng)特性和污染物運(yùn)動(dòng)規(guī)律[11-12]。

壓差是隔離艙室負(fù)壓系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)輸入，通常可參考借鑒相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但目前相關(guān)評(píng)估指標(biāo)都是基于靜態(tài)參數(shù)，缺少對(duì)隔離艙室門開(kāi)啟的過(guò)程中污染物擴(kuò)散規(guī)律的動(dòng)態(tài)評(píng)估。試驗(yàn)研究方法具有費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、靈活性差等局限性，CFD方法是解決此類問(wèn)題的有效手段。因此，本文將以某型應(yīng)急醫(yī)療救援船隔離艙室的負(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，對(duì)其典型隔離艙室開(kāi)展三維實(shí)尺度污染物擴(kuò)散大渦模擬研究，并對(duì)比分析空間離散精度以及時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)模擬結(jié)果帶來(lái)的影響；重點(diǎn)對(duì)不同壓差工況下，模擬分析隔離艙室門動(dòng)態(tài)開(kāi)啟過(guò)程中的流場(chǎng)特性以及污染物擴(kuò)散規(guī)律；以期為傳染病隔離艙室安全性評(píng)估及壓差設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 模擬計(jì)算方案

1.1 房間三維模型

本文計(jì)算采用的三維模型如圖1所示，其中隔離艙室的長(zhǎng)（L1）、寬（W1）、高（H1）分別為4，3.9和2.6 m，緩沖間長(zhǎng)（L2）、寬（W2）、高（H2）分別設(shè)置為2.9，3.9和2.6 m，中間艙室門的寬度（WD）為0.9 m、高度（HD）為2.0 m，高度方向即為z軸方向。初始時(shí)刻，隔離艙室壓力值設(shè)定為P1，緩沖室壓力設(shè)定為P2，則隔離艙室壓差為 ΔP=P1-P2。由于本文壓差都為負(fù)值，下文統(tǒng)一取其絕對(duì)值進(jìn)行表述。艙室門初始時(shí)刻處于關(guān)閉位置，即艙室門將隔離艙室和緩沖間隔開(kāi)。計(jì)算開(kāi)始后，艙室門以角速度ω = π/2 rad/s轉(zhuǎn)向緩沖間一側(cè)，在t=1 s時(shí)刻停止運(yùn)動(dòng)并保持在90°全開(kāi)位置。

圖 1 房間三維模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional room model

1.2 數(shù)學(xué)模型

將隔離艙室在壓差作用下門開(kāi)啟過(guò)程中污染物的輸運(yùn)和擴(kuò)散過(guò)程視為不可壓縮流動(dòng)，且不考慮溫度效應(yīng)以及重力的影響。因此，采用盒式濾波函數(shù)對(duì)瞬態(tài)控制方程進(jìn)行濾波后，可以得到如下LES控制方程

本文將污染氣體視為連續(xù)介質(zhì)，采用CO2作為示蹤氣體。初始時(shí)刻t= 0 s時(shí)，僅在隔離艙室存在一定濃度的均勻分布的CO2，而緩沖間內(nèi)只有潔凈空氣。在艙室門開(kāi)啟過(guò)程中，空氣和CO2在房門誘導(dǎo)和房間壓差的共同作用下開(kāi)始進(jìn)行對(duì)流擴(kuò)散。因此，采用組分輸運(yùn)模型描述CO2的運(yùn)動(dòng)如下：

2 結(jié)果及分析

2.1 網(wǎng)格尺度及時(shí)間步長(zhǎng)敏感性分析

從式（3）可以發(fā)現(xiàn)，大渦模擬中亞格子渦黏系數(shù)與網(wǎng)格尺度相關(guān)，較細(xì)密的網(wǎng)格尺寸理論上可以求解更多尺度的流體運(yùn)動(dòng)，但是其計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)增加。因此，需要針對(duì)網(wǎng)格尺寸對(duì)模擬結(jié)果的影響進(jìn)行研究，這里以房間壓差ΔP=2.5 Pa的工況為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖2所示，3套網(wǎng)格Mesh 1，Mesh 2和Mesh 3的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別約為148.66萬(wàn)、341.9萬(wàn)和570.9萬(wàn)，并對(duì)門框中心線處5個(gè)不同時(shí)刻的速度分布值進(jìn)行對(duì)比。如圖3所示，模擬結(jié)果在z軸方向（艙室高度方向）上呈現(xiàn)出相似的分布規(guī)律：在門洞上部區(qū)域速度值變化較大；在門洞下部區(qū)域速度分布較均勻。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，基于Mesh 2的模擬結(jié)果與Mesh 1的預(yù)測(cè)結(jié)果有較為明顯的差異；而隨著網(wǎng)格的進(jìn)一步加密，Mesh 3與Mesh 2的預(yù)測(cè)結(jié)果更加趨于一致。

本文重點(diǎn)研究門開(kāi)啟過(guò)程中隔離艙室污染物進(jìn)入緩沖間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此，可定義污染物總擴(kuò)散量M作為模擬評(píng)估指標(biāo)，其計(jì)算公式為

圖 2 模型表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布Fig.2 Grids at the room model surface

圖 3 不同網(wǎng)格及不同時(shí)刻中線處速度分布對(duì)比Fig.3 Velocities along the centerline at different time for different meshes

圖 4 不同網(wǎng)格污染物總擴(kuò)散量隨時(shí)間的變化Fig.4 Time histories of total contaminants dispersion for different meshes

因此，本文將基于Mesh 2針對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)LES模擬的影響開(kāi)展進(jìn)一步研究。在LES模擬中，為了確保模擬結(jié)果的可靠性以及求解過(guò)程的穩(wěn)定性，時(shí)間步長(zhǎng)Δt應(yīng)該滿足CFL準(zhǔn)則，即

式中：u，v和w分別為計(jì)算域中流體速度在x，y，z方向上的分量；Δx, Δy和Δz分別為網(wǎng)格在x，y，z方向的尺度。可根據(jù)特征速度和特征長(zhǎng)度初步確定LES模擬中的時(shí)間步長(zhǎng)，因此，本文選取Δt=0.005 s作為參考基準(zhǔn)，并設(shè)置0.01和0.002 5 s這2種時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5所示為采用3種時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置的LES模擬預(yù)測(cè)的中線處不同時(shí)刻速度分布情況。在門洞上部區(qū)域，3種時(shí)間步長(zhǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果一致性較好；但在下部區(qū)域，在t=0.9 s和t=1.2 s時(shí)刻，0.002 5 s時(shí)間步長(zhǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果與其他2種時(shí)間步長(zhǎng)的模擬結(jié)果明顯偏離。圖6所示為采用3種時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)污染物總擴(kuò)散量隨時(shí)間的變化規(guī)律，可見(jiàn)Δt=0.01 s計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差，而Δt=0.005 s和Δt=0.002 5 s這2種時(shí)間步長(zhǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果能夠較好吻合。

由此可見(jiàn)，網(wǎng)格尺度和時(shí)間步長(zhǎng)都會(huì)對(duì)LES模擬結(jié)果產(chǎn)生一定影響，盡管加密網(wǎng)格以及減小時(shí)間步長(zhǎng)理論上可以求解更小尺寸的流體流動(dòng)特征，但也會(huì)使得計(jì)算量大幅增加，這不利于LES在復(fù)雜工程問(wèn)題上的應(yīng)用。因此，后續(xù)工況的計(jì)算基于本節(jié)的網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)分析結(jié)果。

2.2 壓差對(duì)污染氣體擴(kuò)散的影響分析

選取4種壓差工況，即ΔP= 0.25, 2.5, 5.0和10.0 Pa，基于LES對(duì)污染物在0～5 s時(shí)間段內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律分別進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中，分別對(duì)圖7所示的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度值隨時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中點(diǎn)1距離房間地面高度為0.25 m，點(diǎn)2高度為0.5 m，點(diǎn)3高度為1.5 m，點(diǎn)4高度為1.75 m。

圖 5 不同時(shí)間步長(zhǎng)及不同時(shí)刻中線處速度分布對(duì)比Fig.5 Velocities along the centerline at different time for different time steps

圖 6 不同時(shí)間步長(zhǎng)污染物總擴(kuò)散量隨時(shí)間的變化Fig.6 Time histories of total contaminants dispersion for different time steps

圖 7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.7 Illustration of the monitoring points

圖8～圖11所示分別為4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處在不同壓差工況下的速度變化規(guī)律。由圖可見(jiàn)，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的速度分布呈現(xiàn)出相同規(guī)律：在ΔP= 0.25 Pa工況下，速度先緩慢增大，在t=1 s時(shí)（即門停止運(yùn)動(dòng)時(shí)），速度迅速降低，隨后逐漸降低至最小值并緩慢回升，最終速度值趨于平緩；在ΔP= 2.5 Pa工況，速度值在0～1 s時(shí)間段內(nèi)逐漸降低，隨后速度開(kāi)始回升并趨于平緩；在ΔP= 5.0和10.0 Pa工況，速度值在0～0.5 s之內(nèi)達(dá)到最小值，隨后便開(kāi)始迅速增大。值得注意的是，ΔP= 2.5，5.0和10.0 Pa這3個(gè)工況下，在所監(jiān)測(cè)的4個(gè)點(diǎn)處都出現(xiàn)了明顯的速度峰值，其中ΔP=10.0 Pa時(shí)速度峰值出現(xiàn)在t= 1 s附近，隨著壓差減小，速度峰值也開(kāi)始減小，且對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)間開(kāi)始延后。由此可見(jiàn)，在門開(kāi)啟過(guò)程的誘導(dǎo)作用與房間內(nèi)外不同壓差的配合下，流體運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了截然不同的規(guī)律，這對(duì)污染物的擴(kuò)散也將產(chǎn)生影響。

圖12～圖15所示為4個(gè)不同壓差工況下污染物擴(kuò)散三維視圖，以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻距離地面高度z=1 m平面上的污染物擴(kuò)散俯視圖。污染物濃度采用隔離艙室內(nèi)初始濃度進(jìn)行無(wú)量綱處理，深藍(lán)色表示初始濃度的污染空氣，白色表示潔凈空氣。如圖12所示，ΔP= 0.25 Pa工況下，門開(kāi)啟過(guò)程誘導(dǎo)出一團(tuán)污染物，隨著時(shí)間推演污染物逐漸向艙室外部移動(dòng)并逐漸減小，在t= 4.0 s時(shí)仍有一部分污染物停留在艙門前部區(qū)域，若此時(shí)房門關(guān)閉，該部分污染物將有滯留在隔離艙室外部的風(fēng)險(xiǎn)。將圖13所示ΔP= 2.5 Pa工況的污染物擴(kuò)散規(guī)律與圖12對(duì)比，可見(jiàn)ΔP=0.25 Pa 時(shí)，污染物在艙室外部的分布范圍明顯減小。在圖14和圖15所示的ΔP= 5.0 和 10.0 Pa工況下，門誘導(dǎo)出的污染物體積明顯減小，且污染物向艙室外部擴(kuò)散的范圍也得到有效控制。本文模擬結(jié)果較好地捕捉到如圖16所示試驗(yàn)所得的門開(kāi)啟誘導(dǎo)空氣流動(dòng)的典型擴(kuò)散特征[16]。

圖 8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處不同壓差工況下速度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.8 Time histories of velocity under different differential pressures at monitoring point 1

圖 10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處不同壓差工況下速度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.10 Time histories of velocity under different differential pressures at monitoring point 3

圖 11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處不同壓差工況下速度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.11 Time histories of velocity under different differential pressures at monitoring point 4

圖 13 Δ P=2.5Pa時(shí)污染物擴(kuò)散規(guī)律Fig.13 Evolution of contaminants dispersion under ΔP=2.5Pa

圖 14 Δ P=5.0Pa時(shí)污染物擴(kuò)散規(guī)律Fig.14 Evolution of contaminants dispersion under ΔP=5.0Pa

圖 15 Δ P=10.0Pa時(shí)污染物擴(kuò)散規(guī)律Fig.15 Evolution of contaminants dispersion under ΔP=10.0Pa

圖 16 門開(kāi)啟誘導(dǎo)空氣流動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果[16]Fig.16 Smoke visualization of door opening induced flow[16]

圖 17 不同壓差工況下污染物總擴(kuò)散量隨時(shí)間的變化Fig.17 Time histories of total contaminants dispersion under different differential pressures

圖17所示為基于式（5）計(jì)算的不同壓差工況下進(jìn)入隔離艙室外部空間的污染物總擴(kuò)散量隨時(shí)間的變化規(guī)律。ΔP= 0.25 Pa壓差下，進(jìn)入緩沖間的污染物在t= 3.3 s達(dá)到最大值，隨后開(kāi)始緩慢降低，在t= 5 s時(shí)仍滯留在外部空間的污染物總量仍處于一個(gè)較高水平。ΔP= 2.5 Pa壓差下，污染物總擴(kuò)散量在t= 1.1 s時(shí)達(dá)到最大值，隨后也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在t= 5 s時(shí)緩沖間內(nèi)尚有少量污染氣體。ΔP= 5.0 和 10.0 Pa工況下，污染物總擴(kuò)散量都在t= 1 s之內(nèi)達(dá)到最大值，且其峰值明顯小于其他2種工況。在ΔP= 5.0 Pa工況下，t= 2 s時(shí)污染物總擴(kuò)散量為0。在t= 3 s時(shí)刻，ΔP= 5.0 Pa工況下擴(kuò)散出的污染物在壓差作用下也已經(jīng)全部返回隔離病房。

3 結(jié) 論

本文基于大渦模擬（LES）方法結(jié)合示蹤氣體組分輸運(yùn)方程對(duì)隔離艙室門開(kāi)啟過(guò)程中污染物的對(duì)流擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)對(duì)空間離散尺度和時(shí)間離散步長(zhǎng)開(kāi)展敏感性分析，并對(duì)不同壓差工況下隔離艙室門動(dòng)態(tài)開(kāi)啟過(guò)程中流場(chǎng)速度分布特性及污染物擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

1） 網(wǎng)格尺度和時(shí)間步長(zhǎng)都會(huì)對(duì)LES模擬結(jié)果產(chǎn)生一定影響，以污染物總擴(kuò)散量為指標(biāo)對(duì)網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行敏感性分析，可確保本文LES模擬結(jié)果的可重復(fù)性。

2） 在門開(kāi)啟過(guò)程的誘導(dǎo)與不同壓差的協(xié)同作用下，流體呈現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，速度峰值的大小和出現(xiàn)峰值的時(shí)間有明顯差異，壓差越大，速度峰值越大，且出現(xiàn)峰值所需時(shí)間越短。

3） 不同壓差工況下，污染物擴(kuò)散速度和擴(kuò)散范圍都呈現(xiàn)出較大差異。當(dāng)壓差 ΔP=0.25Pa時(shí)，污染物總擴(kuò)散量在t=5 s時(shí)刻仍維持較高水平；當(dāng)壓差 ΔP=2.5Pa時(shí)，污染物總擴(kuò)散量峰值大幅下降，但污染物在t=5 s時(shí)刻仍未完全消失；當(dāng)壓差ΔP=5.0Pa時(shí)，污染物總擴(kuò)散量在t=3 s時(shí)即變?yōu)?；當(dāng)壓差 ΔP=10.0Pa時(shí)，污染物總擴(kuò)散量在t=2 s時(shí)變?yōu)?。因此，提高隔離病房負(fù)壓值一方面可以減小污染物擴(kuò)散峰值，同時(shí)，也可以縮短已擴(kuò)散污染物在壓差作用下返回隔離病房的時(shí)間。

4 致 謝

本文的數(shù)值計(jì)算工作得到了武漢大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心的支持和幫助。