苗 露, 石 碩

(山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

飛沫是當(dāng)人咳嗽、打噴嚏,或?qū)⑺D(zhuǎn)化為細(xì)霧時(shí)產(chǎn)生的顆粒狀水分和固態(tài)微粒的混合態(tài)顆粒,粒徑范圍跨度很大。飛沫中大粒徑顆粒速降后在空氣中并不長(zhǎng)期存在,但小粒徑顆粒的液體蒸發(fā)后可轉(zhuǎn)變成更小粒徑的飛沫核,懸浮在空氣中被視為氣溶膠顆粒[1]。為方便闡述,本文不刻意區(qū)分飛沫、飛沫核、氣溶膠顆粒等。

電梯具有封閉性、空間狹小、人員聚集的特點(diǎn)[2]。相對(duì)密閉的空間環(huán)境和通風(fēng)不暢導(dǎo)致電梯空間殘存有大量的污染物,一旦存在致病性飛沫氣溶膠顆粒,電梯將是感染病毒的高風(fēng)險(xiǎn)公共場(chǎng)所[3-4]。

梅丹等人[5]針對(duì)廂式電梯10 s內(nèi)咳嗽飛沫核的擴(kuò)散進(jìn)行了研究,對(duì)比不同通風(fēng)方式下的顆粒擴(kuò)散特征及濃度分布,發(fā)現(xiàn)四角通風(fēng)方式能夠較快地稀釋空間的飛沫核濃度。張桉康等人[6]模擬了普通病房3種氣流組織形式下的飛沫污染傳播分布,發(fā)現(xiàn)采用上送下回的氣流組織可降低病房人員交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。汪新智等人[7]模擬了電梯轎廂不同飛沫顆粒噴射位置的顆粒擴(kuò)散傳播過(guò)程,結(jié)果發(fā)現(xiàn),轎廂地面和面對(duì)感染源的轎廂壁面,容易形成病毒沉積。Zhu等人[8]通過(guò)流體力學(xué)方法,對(duì)公共汽車(chē)內(nèi)飛沫顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究,并分析了混合通風(fēng)和置換通風(fēng)下飛沫顆粒的排除效率。Zhang等人[9]研究了封閉空調(diào)房間飛沫顆粒的擴(kuò)散特性,對(duì)比不同通風(fēng)方案飛沫病毒的暴露風(fēng)險(xiǎn),發(fā)現(xiàn)置換通風(fēng)比混合通風(fēng)的排污效果更優(yōu)。Zhang等人[10]對(duì)高鐵車(chē)廂內(nèi)呼吸噴出的飛沫氣溶膠進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)車(chē)廂前門(mén)至后門(mén)間有氣流時(shí),飛沫氣溶膠的傳播距離更遠(yuǎn),乘客的感染風(fēng)險(xiǎn)增大。

本文采用數(shù)值模擬方法,以人體口腔作為氣溶膠顆粒噴射源,研究分析在不同通風(fēng)方式下電梯轎廂內(nèi)氣溶膠顆粒的彌散分布、通風(fēng)方式凈化能力。

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型

以載質(zhì)量為1 000 kg的客運(yùn)電梯轎廂作為研究模型,電梯運(yùn)行速度為1.5 m/s。選取乘坐電梯從基層到頂層勻速上行運(yùn)行36 s作為研究過(guò)程。電梯轎廂x、y、z軸(見(jiàn)圖1)方向尺寸為1.50 m×2.35 m×1.60 m,坐標(biāo)原點(diǎn)落在電梯后壁面左下角交點(diǎn)處。電梯轎廂內(nèi)只有1人。

圖1 各通風(fēng)方式送排風(fēng)口布置(軟件截圖)

建立貼合人體實(shí)際外形的簡(jiǎn)化人體模型,人體模型站立于轎廂中心位置,簡(jiǎn)化后的人體模型高度為1.75 m。根據(jù)人體呼吸特性,人體模型的口腔形狀近似為長(zhǎng)方形,尺寸設(shè)定為0.01 m×0.02 m。口腔中心高度為1.65 m。選擇人體未戴口罩交談作為研究狀態(tài),氣溶膠顆粒噴射源為人體口腔,人面朝電梯轎廂門(mén)。為方便分析,將電梯轎廂的6個(gè)內(nèi)壁面分成頂棚、地面、壁面,其中壁面包括轎廂門(mén)。

2.2 通風(fēng)方式

電梯轎廂分別采用自然、機(jī)械通風(fēng)方式。通風(fēng)方式1為自然通風(fēng)方式,通風(fēng)方式2～4均為機(jī)械通風(fēng)方式。各通風(fēng)方式送排風(fēng)口布置見(jiàn)圖1。通風(fēng)方式1,轎廂頂棚左右兩側(cè)各設(shè)置6個(gè)均勻分布的自然送風(fēng)孔(孔徑0.01 m),送風(fēng)孔中心均距轎廂邊緣0.02 m。轎廂左右壁面底部中間位置分別設(shè)置1個(gè)排風(fēng)口(尺寸為0.4 m×0.1 m)。通風(fēng)方式1主要利用電梯運(yùn)行過(guò)程中的自然風(fēng)力,氣流從頂部送風(fēng)孔流入,從底部排風(fēng)口排出。通風(fēng)方式2,送風(fēng)口設(shè)置在轎廂頂棚后側(cè)中間位置,排風(fēng)口設(shè)置在轎廂左壁面底部中間位置。通風(fēng)方式3,送風(fēng)口分別設(shè)置在轎廂頂棚左右兩側(cè)中間位置,排風(fēng)口分別設(shè)置在左右壁面底部中間位置。通風(fēng)方式4,兩送風(fēng)口沿轎廂頂棚3等分線分布,排風(fēng)口分別設(shè)置在左右壁面底部中間位置。機(jī)械送風(fēng):送風(fēng)口尺寸為0.50 m×0.08 m,排風(fēng)口尺寸為0.4 m×0.1 m。

2.3 數(shù)學(xué)模型

電梯轎廂內(nèi)的氣流流態(tài)一般為湍流,RNGk-ε模型在預(yù)測(cè)主渦強(qiáng)度方面表現(xiàn)更好,能更好地處理流體旋轉(zhuǎn)和旋流流動(dòng)[11-12]。因此,使用RNGk-ε湍流模型對(duì)流場(chǎng)中的空氣連續(xù)相進(jìn)行模擬。數(shù)學(xué)模型控制方程包括質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流耗散方程。

忽略氣溶膠顆粒間的相互作用力,采用拉格朗日模型對(duì)離散的氣溶膠顆粒進(jìn)行獨(dú)立追蹤[13]。對(duì)比氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)所受作用力數(shù)量級(jí)可以發(fā)現(xiàn),氣溶膠顆粒所受曳力作用最明顯,重力次之。此外,由于氣溶膠顆粒與空間內(nèi)氣體存在一定溫差,需考慮熱泳力對(duì)顆粒的影響。因此,模擬電梯轎廂內(nèi)氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí),顆粒受力需考慮曳力、重力、熱泳力。

3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

3.1 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件對(duì)電梯轎廂空間進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,在人體口腔及送、排風(fēng)口附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。通風(fēng)方式2的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。在誤差允許范圍內(nèi),考慮到計(jì)算機(jī)性能,為節(jié)約計(jì)算資源,網(wǎng)格數(shù)選取105 624。

圖2 通風(fēng)方式2的網(wǎng)格劃分(軟件截圖)

3.2 模型設(shè)定

以人體口腔作為噴射源,向電梯噴射氣溶膠顆粒,對(duì)模型進(jìn)行以下設(shè)定:忽略電梯轎廂縫隙滲風(fēng)量。忽略氣溶膠顆粒的蒸發(fā)特性,氣溶膠顆粒的粒徑不變且液滴形態(tài)為球體。將顆粒設(shè)置為水顆粒。忽略飛沫氣溶膠的吸入過(guò)程,僅研究氣溶膠顆粒的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散情況。忽略轎廂底部所受的壓力波影響[14],設(shè)定電梯運(yùn)行方向從基層到頂層勻速上行。

3.3 邊界條件、初始條件

① 電梯轎廂與人體

電梯轎廂頂棚、地面、壁面均為恒溫壁面(299 K),人體表面為恒溫表面(304 K)。

為節(jié)約計(jì)算資源,簡(jiǎn)化說(shuō)話過(guò)程,設(shè)定人體口腔在時(shí)間t=1 s時(shí)釋放900個(gè)氣溶膠顆粒,噴射方向沿z軸水平噴射。氣溶膠顆粒的初速度為2.5 m/s,溫度為306 K[15]。

② 通風(fēng)方式

自然通風(fēng)。頂部送風(fēng)孔設(shè)定為速度入口,入口空氣流速1.5 m/s,入口空氣溫度300 K。底部排風(fēng)口設(shè)定為壓力出口,出口壓力為-10 Pa。

機(jī)械通風(fēng)。頂部送風(fēng)口設(shè)定為速度入口,入口空氣流速2.5 m/s,入口空氣溫度294 K。底部排風(fēng)口設(shè)定為壓力出口,出口壓力為-10 Pa。

③ 初始條件

電梯轎廂內(nèi)空氣溫度為299 K。

3.4 模擬方法

采用Fluent軟件進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,顆粒物采用DPM模型計(jì)算,湍流模型選擇RNGk-ε模型計(jì)算。將送風(fēng)孔、送風(fēng)口、排風(fēng)口對(duì)氣溶膠顆粒的作用設(shè)定為逃逸邊界條件(Escape),將電梯轎廂頂棚、地面、壁面以及人體表面對(duì)氣溶膠顆粒作用設(shè)定為捕獲邊界條件(Trap)。采用SIMPLE算法,離散格式為二階迎風(fēng)格式,單時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)收斂殘差低于1×10-6。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 氣溶膠顆粒彌散分布

通風(fēng)方式1～4不同時(shí)間顆粒粒徑分布分別見(jiàn)圖3～6。本文采用顆粒粒徑分布表征氣溶膠顆粒的彌散情況。顆粒粒徑較大時(shí),表征較多數(shù)量的氣溶膠顆粒積聚在一處,呈團(tuán)狀。

圖3 通風(fēng)方式1不同時(shí)間顆粒粒徑分布(軟件截圖)

由圖3可知:對(duì)于通風(fēng)方式1,1.2～4.0 s內(nèi),由于人體溫度高于環(huán)境溫度,產(chǎn)生熱羽流現(xiàn)象,氣溶膠顆粒隨熱羽流向上運(yùn)動(dòng),呈現(xiàn)聚團(tuán)狀。9～18 s內(nèi),氣溶膠顆粒逐漸由轎廂頂部下行至人體正前方,人體呼吸區(qū)氣溶膠顆粒濃度增大。36 s時(shí),氣溶膠顆粒彌散范圍擴(kuò)大,但氣溶膠顆粒的團(tuán)狀情況仍比較明顯。

由圖4可知:對(duì)于通風(fēng)方式2,1.2～4.0 s內(nèi),熱羽流攜帶氣溶膠顆粒向上運(yùn)動(dòng),積聚在電梯轎廂頂部前側(cè)。9～18 s內(nèi),氣溶膠顆粒由上至下擴(kuò)散。18 s時(shí),氣溶膠顆粒主要分布在人體后側(cè),受轎廂頂部后側(cè)送風(fēng)作用明顯。36 s時(shí),氣溶膠顆粒擴(kuò)散至整個(gè)轎廂空間。

圖4 通風(fēng)方式2不同時(shí)間顆粒粒徑分布(軟件截圖)

由圖5可知:對(duì)于通風(fēng)方式3,1.2～4.0 s內(nèi),熱羽流攜帶氣溶膠顆粒向上運(yùn)動(dòng),積聚在電梯轎廂頂部前側(cè)。9～18 s內(nèi),氣溶膠顆粒由上至下擴(kuò)散。18 s時(shí),氣溶膠顆粒主要分布在人體兩側(cè),受轎廂頂部左右兩側(cè)送風(fēng)作用明顯。36 s時(shí),氣溶膠顆粒擴(kuò)散至整個(gè)轎廂空間。

圖5 通風(fēng)方式3不同時(shí)間顆粒粒徑分布(軟件截圖)

由圖6可知:對(duì)于通風(fēng)方式4,氣溶膠顆粒噴出后,受頂部中間送風(fēng)氣流作用明顯,送風(fēng)氣流可穿透熱羽流。4 s時(shí),氣溶膠顆粒并未在轎廂空間上部積聚,而是分布在轎廂底部。在轎廂頂部中間送風(fēng)氣流的作用下,9～18 s內(nèi),氣溶膠顆粒的擴(kuò)散程度明顯。36 s時(shí),大部分氣溶膠顆粒在通風(fēng)氣流作用下排出電梯轎廂。

圖6 通風(fēng)方式4不同時(shí)間顆粒粒徑分布(軟件截圖)

4.2 通風(fēng)方式凈化能力

36 s時(shí)電梯轎廂氣溶膠顆粒殘存率見(jiàn)表1。氣溶膠顆粒殘存率為某時(shí)電梯轎廂懸浮氣溶膠顆粒數(shù)量(不含被各種表面捕獲數(shù)量)比初始總釋放氣溶膠顆粒數(shù)量(900個(gè))。由表1可知,通風(fēng)方式1在36 s時(shí)的氣溶膠顆粒殘存率為100%,說(shuō)明自然通風(fēng)無(wú)法及時(shí)有效排出電梯轎廂內(nèi)的氣溶膠顆粒。在自然通風(fēng)條件下的電梯轎廂內(nèi),未佩戴口罩交談所引起的病毒氣溶膠顆粒傳播感染風(fēng)險(xiǎn)極大。因此,通風(fēng)方式1不可取。

表1 36 s時(shí)電梯轎廂氣溶膠顆粒殘存率

36 s時(shí)通風(fēng)方式2～4氣溶膠顆粒捕獲率見(jiàn)表2。氣溶膠顆粒捕獲率為某時(shí)被電梯轎廂頂棚、地面、壁面以及人體表面捕獲的氣溶膠顆粒數(shù)量比初始總釋放氣溶膠顆粒數(shù)量。由表2可知,通風(fēng)方式3的氣溶膠顆粒捕獲率最大,通風(fēng)方式4的氣溶膠顆粒捕獲率最小。由表1、2可知,與通風(fēng)方式2相比,雖然36 s時(shí)通風(fēng)方式3的氣溶膠顆粒殘存率比較低,但氣溶膠顆粒捕獲率更高,說(shuō)明通風(fēng)方式3下發(fā)生病毒接觸式感染風(fēng)險(xiǎn)更高。在機(jī)械通風(fēng)方式中,通風(fēng)方式4各表面氣溶膠顆粒捕獲率最低,發(fā)生病毒接觸式感染風(fēng)險(xiǎn)最低。

表2 36 s時(shí)通風(fēng)方式2～4氣溶膠顆粒捕獲率

通風(fēng)方式2～4電梯轎廂懸浮氣溶膠顆粒數(shù)量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖7。由圖7可知,在1 s時(shí)氣溶膠顆粒數(shù)量達(dá)到峰值(900個(gè))。通風(fēng)方式2～4電梯轎廂氣溶膠顆粒懸浮數(shù)量均隨時(shí)間延續(xù)而減少。相同時(shí)間,通風(fēng)方式4電梯轎廂氣溶膠顆粒懸浮數(shù)量最少。

圖7 通風(fēng)方式2～4電梯轎廂懸浮氣溶膠顆粒數(shù)量隨時(shí)間變化

對(duì)于通風(fēng)方式4,送風(fēng)氣流從頂部中間位置送入,下行氣流對(duì)整個(gè)空間氣溶膠顆粒的運(yùn)動(dòng)控制作用明顯,絕大多數(shù)氣溶膠顆粒被輸送至排風(fēng)口排出,36 s時(shí)氣溶膠顆粒殘存率僅為17.9%,很少有氣溶膠顆粒附著在電梯轎廂各表面及人體表面。通風(fēng)方式4的病毒氣溶膠顆粒傳播與病毒接觸式感染風(fēng)險(xiǎn)均小于其他通風(fēng)方式,通風(fēng)凈化能力理想。

5 結(jié)束語(yǔ)

① 自然通風(fēng)無(wú)法及時(shí)有效排出電梯轎廂內(nèi)的氣溶膠顆粒。

② 與通風(fēng)方式2相比,通風(fēng)方式3發(fā)生病毒接觸式感染風(fēng)險(xiǎn)更高。

③ 通風(fēng)方式4的病毒氣溶膠顆粒傳播與病毒接觸式感染風(fēng)險(xiǎn)均小于其他通風(fēng)方式,通風(fēng)凈化能力理想。