通風(fēng)模式對住艙人員咳嗽液珠擴(kuò)散過程的影響

鄭立捷，許建，吳方良，徐文濤，龍正偉

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072

通風(fēng)模式對住艙人員咳嗽液珠擴(kuò)散過程的影響

鄭立捷1，許建1，吳方良1，徐文濤1，龍正偉2

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072

針對郵輪上呼吸道疾病發(fā)病率高及缺乏相關(guān)定量研究的現(xiàn)狀，采用計(jì)算流體力學(xué)方法分析了游客在密閉住艙內(nèi)因?yàn)榭人援a(chǎn)生的液珠在空氣中的傳播擴(kuò)散過程，對空氣流動(dòng)采用非定常雷諾平均納維—斯托克斯方程求解，對液珠擴(kuò)散采用歐拉模型求解，計(jì)算工況考察了改變通風(fēng)模式和加大通風(fēng)量等方式降低液珠濃度的控制效果。研究結(jié)果表明：加大通風(fēng)量在置換通風(fēng)模式比混合通風(fēng)模式下可更好地控制液珠的擴(kuò)散，混合通風(fēng)模式需要3次換氣才能把住艙內(nèi)的液珠基本排空，而置換通風(fēng)模式僅需2次換氣，且住艙內(nèi)液珠平均濃度的下降服從指數(shù)分布。此外，游客睡姿對呼吸區(qū)域內(nèi)液珠濃度峰值和吸入劑量有較大影響。

郵輪住艙；液珠擴(kuò)散；通風(fēng)模式；數(shù)值模擬

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.006.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：鄭立捷，許建，吳方良，等.通風(fēng)模式對住艙人員咳嗽液珠擴(kuò)散過程的影響［J］.中國艦船研究，2016，11（2）：12-20.

ZHENG Lijie，XU Jian，WU Fangliang，et al.Influences of ventilation modes on the coughing droplet dispersion process in a cruise cabin［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：12-20.

0　引　言

郵輪產(chǎn)業(yè)在全球休閑旅游市場上發(fā)展迅速，2013年全球約有2 130萬人次的游客乘坐郵輪。而且郵輪作為一座移動(dòng)的城市，正變得越來越大，一些大型郵輪包括游客和船員在內(nèi)的人員總數(shù)已經(jīng)超過3 000人［1］。來自世界各地的游客聚集在單次平均航行天數(shù)為7天的郵輪上，對于公共健康安全帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。游客和船員大量的時(shí)間在郵輪上的住艙、餐廳、酒吧等“室內(nèi)”空間環(huán)境中度過，這樣封閉的空間利于病菌在人與人之間傳播，因此郵輪又被稱為流動(dòng)的疾病“孵化器”。呼吸道疾病是郵輪上發(fā)病率最高的疾病，約占所有疾病中的29.1%［2］，如流感、白喉病、水痘和麻疹等。一般認(rèn)為，空氣是呼吸道疾病傳播的重要途徑，即已染病游客或船員發(fā)生呼吸行為時(shí)，如呼吸、咳嗽、說話或抽鼻等，附著在呼出液珠上的呼吸道疾病病菌通過空氣傳播擴(kuò)散，被其他健康人員吸入呼吸道而致病［3］。

近年來，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）已廣泛用于預(yù)測建筑室內(nèi)空間和交通運(yùn)輸工具密閉空間內(nèi)人員呼出液珠的傳播擴(kuò)散。比如：He等［4］模擬了一典型辦公室內(nèi)在不同通風(fēng)模式下人員呼出液珠的傳播擴(kuò)散；Gupta等［5］計(jì)算了一個(gè)7排座、雙走道全滿員客機(jī)機(jī)艙內(nèi)由坐在正中的染病乘客引起的呼出液珠的傳播；Zhu等［6］數(shù)值預(yù)測了公共客車微環(huán)境內(nèi)流感病毒在車廂空氣中的傳播；Zhang等［7］模擬了在一個(gè)滿員高速鐵路客車的車廂內(nèi)，1名乘客咳嗽釋放出的液珠的擴(kuò)散過程。但通過文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外鮮有針對船舶密閉住艙之類的低矮狹小空間內(nèi)，對人員呼吸行為產(chǎn)生的液珠的傳播擴(kuò)散過程的定量研究。

有效的船舶通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將減少氣載污染物和傳染病傳播的危險(xiǎn)。一般而言，郵輪上有多種客房類型，如陽臺房、海景房、套房及內(nèi)艙房等，其中海景房（由于郵輪抗沉性需要，其窗戶一般密閉且不可打開）和內(nèi)艙房占有相當(dāng)?shù)谋壤▓D1），具有低矮、狹長、密閉等特點(diǎn)，且完全依靠機(jī)械通風(fēng)，并不能像陽臺房和套房那樣可以借助自然通風(fēng)來改善房間內(nèi)的空氣環(huán)境。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，定量分析游客在郵輪上呆的時(shí)間最長的“室內(nèi)”空間環(huán)境——密閉客房住艙內(nèi)由于咳嗽產(chǎn)生的液珠在空氣中的傳播擴(kuò)散過程，考察加大通風(fēng)量、改變通風(fēng)模式等方式對降低液珠濃度的作用，為優(yōu)化改進(jìn)郵輪上的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和氣流組織設(shè)計(jì)及呼吸道疾病的量化危險(xiǎn)評估提供參考。

圖1　郵輪典型甲板層房間布局圖（部分）Fig.1　Typical deck plan of cabins on a cruise ship（partially）

1　計(jì)算方法及驗(yàn)證

1.1計(jì)算方法

人體咳嗽出的液珠在空氣中擴(kuò)散將影響密閉住艙內(nèi)的空氣微環(huán)境，這一流動(dòng)現(xiàn)象是個(gè)氣液兩相流動(dòng)的問題。對于空氣流動(dòng)，本研究采用求解非定常雷諾平均納維—斯托克斯方程（URANS）的方法。對于液珠的擴(kuò)散，由于咳嗽引起的液珠將在極短的時(shí)間（小于1 s）內(nèi)迅速蒸發(fā)為1 μm的液珠核，因此本研究忽略液珠蒸發(fā)的瞬態(tài)過程，同時(shí)液珠擴(kuò)散時(shí)的重力沉降效應(yīng)也忽略不計(jì)［8］，可以將液珠相等效為一被動(dòng)的標(biāo)量組分，采用歐拉模型求解。

URANS方程和歐拉模型可被描述為如下通用控制偏微分方程

式中：ρ為空氣密度；?為標(biāo)量變量，分別代表直角坐標(biāo)系3個(gè)方向上的速度分量uj（xj，j=1，2，3）；t為時(shí)間；Γ?，eff為有效擴(kuò)散系數(shù)；S?為源項(xiàng)。通過指定不同的?變量值，式（1）可代表連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流方程、能量方程和污染物的對流擴(kuò)散方程。

室內(nèi)氣體流動(dòng)通常為湍流，因此需要湍流模型封閉動(dòng)量方程中的雷諾應(yīng)力項(xiàng)。RNG k-ε湍流模型在模擬室內(nèi)氣流方面相比其他渦粘模型有著更好的精度和穩(wěn)定性以及較少的計(jì)算消耗［9］，因此，本研究采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

式（1）的離散采用有限體積法和二階迎風(fēng)格式，有限體積法是將計(jì)算域劃分為許多網(wǎng)格計(jì)算單元，然后將所有網(wǎng)格計(jì)算單元上的控制方程積分，將非線性的偏微分方程離散為一組以各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)表示的代數(shù)方程。采用標(biāo)準(zhǔn)的對數(shù)律壁面函數(shù)橋接近壁面網(wǎng)格單元的求解變量和壁面上相應(yīng)的量。采用隱式Simple算法耦合壓力和速度場。動(dòng)量方程的浮力效應(yīng)通過Boussinesq假設(shè)計(jì)算，即假設(shè)流體的浮力與其密度的變化成正比。

收斂標(biāo)準(zhǔn)為同時(shí)達(dá)到質(zhì)量和熱平衡，能量方程收斂殘差為10-6，其他變量收斂殘差為10-3。

1.2計(jì)算方法的驗(yàn)證

采用Yuan［10］對一小型辦公室內(nèi)的氣流分布、空氣溫度和示蹤氣體濃度的測量結(jié)果，對本研究的CFD計(jì)算方法（RNG k-ε湍流模型模擬空氣流動(dòng)，歐拉模型模擬示蹤氣體的擴(kuò)散）予以驗(yàn)證。如圖2所示，該辦公室長5.16 m，寬3.65 m，高2.43 m，其內(nèi)的空氣流動(dòng)為綜合送風(fēng)慣性力引起的強(qiáng)制對流和發(fā)熱人體或物體引起的自然對流的混合對流模式，與后文2.1節(jié)所介紹的研究對象的流動(dòng)模式一致，因此選擇該試驗(yàn)的測量結(jié)果來驗(yàn)證CFD計(jì)算方法。

圖2　用于驗(yàn)證CFD計(jì)算方法的辦公室布局圖［10］Fig.2　The office configuration used for CFD program validation［10］

該辦公室中的2名工作人員、2臺電腦及天花板上的6盞燈為發(fā)熱體，熱源總功率為636 W；SF6作為示蹤氣體來模擬人員呼出的CO2；采用置換通風(fēng)模式，該模式是將新鮮空氣直接從住艙底部送入人員活動(dòng)區(qū)，由于送風(fēng)溫度低于室內(nèi)空氣溫度，送風(fēng)在重力作用下先蔓延至地板表面，隨后在后繼送風(fēng)的推動(dòng)和室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱對流的卷吸提升作用下由下至上流動(dòng)，形成室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)氣流，最后在房間頂部排出住艙外。整個(gè)室內(nèi)氣流分層流動(dòng)，在垂直方向上形成室內(nèi)溫度梯度和濃度梯度。

散流器的送風(fēng)溫度為17℃，送風(fēng)量為183 m3/h，該散流器為多孔結(jié)構(gòu)，其實(shí)際通流有效面積小于散流器的外形面積。因此采用動(dòng)量源法［11］，設(shè)置散流器的入流邊界條件，可同時(shí)保證質(zhì)量流量和動(dòng)量流量一致。其核心思想是采用與原散流器風(fēng)口外形尺寸相同的矩形開口來代替，將風(fēng)口動(dòng)量流量設(shè)置為實(shí)際空氣的動(dòng)量流量Min，定義如下

式中：m為實(shí)際入流空氣的質(zhì)量流量，kg/s；vr為實(shí)際風(fēng)口流速，m/s；L為實(shí)際入流風(fēng)量，m3/s；Ae為風(fēng)口有效面積，m2；A為風(fēng)口外形面積；f為風(fēng)口有效面積與外形面積之比。動(dòng)量源方法可以視為用無數(shù)個(gè)小矩形開口來代替實(shí)際的散流器風(fēng)口，確保了入流動(dòng)量這一影響射流特征的重要物理量和實(shí)際一致。

圖3對比了y方向中間截面上的氣流分布。CFD計(jì)算結(jié)果與測量結(jié)果相近，表明CFD可正確地復(fù)示房間下部的氣流循環(huán)，同時(shí)氣流速度的量級也與測量結(jié)果吻合較好。圖4顯示了辦公室正中央氣流速度、空氣溫度及示蹤氣體的濃度的測量值與CFD計(jì)算值。氣流速度、空氣溫度的CFD計(jì)算值與測量值吻合較好，在垂直方向上形成了溫度梯度；示蹤氣體濃度的計(jì)算值在辦公室下部與測量值吻合較好、在上部與測量值吻合欠佳，但CFD仍計(jì)算出了垂直方向上的濃度梯度。

CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比表明，1.1節(jié)中介紹的CFD計(jì)算方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測混合對流模式下密閉空間內(nèi)的氣流速度、空氣溫度及污染物的擴(kuò)散。

圖3　y方向中間截面上的氣流分布Fig.3　The airflow pattern observed by experiment［10］and computed by CFD in the mid-plane along the y-direction

圖4　辦公室正中央氣流速度、空氣溫度及示蹤氣體濃度的CFD計(jì)算結(jié)果（線）與試驗(yàn)測量值（圓圈）的對比Fig.4　The comparison of the profiles of air velocity，air temperature and SF6 concentration between the CFD results （lines）and experimental data（circles）at the center of the office

2　算例設(shè)置

2.1幾何模型

圖5所示為本文所研究的密閉住艙。該住艙長3.1 m（船艏艉方向）、寬5.6 m（船左右舷方向）、高2.15 m，其高度顯著低于一般建筑房間的高度，體現(xiàn)了低矮、狹長、密閉等特點(diǎn)。共計(jì)算4個(gè)算例，算例的描述見表1，混合通風(fēng)模式和置換通風(fēng)模式均屬于機(jī)械通風(fēng)模式。混合通風(fēng)模式以稀釋原理為基礎(chǔ)，干凈空氣由房間頂部送入室內(nèi)，與室內(nèi)空氣充分混合，稀釋室內(nèi)污染物。

圖5　房間布局圖Fig.5　Cabin layout

表1　算例表Tab.1　Case table

住艙內(nèi)有2張單人床，其上各睡著1名游客，游客1假定為染病者，游客2處于健康狀態(tài)。住艙內(nèi)還有一床頭柜、桌子、沙發(fā)、衣柜和洗漱間。圖5（b）為用于CFD計(jì)算的物理模型，該模型不包含流體不能到達(dá)的單人床、床頭柜、桌子、衣柜和洗漱間等區(qū)域。

算例1采用由住艙頂部送入干凈空氣的混合通風(fēng)模式，住艙換氣率（ACH）依據(jù)GB/T 13409-92［12］為8次/h，即ACH=8。四向散流器（圖6（a））的每個(gè)送風(fēng)口的長和高分別為0.5 m×0.04 m，送風(fēng)溫度為22℃，送風(fēng)中的液珠濃度C=0，即為經(jīng)過濾凈化后的循環(huán)風(fēng)或循環(huán)風(fēng)與舷外新風(fēng)各成一定比例的混合風(fēng)。回風(fēng)口有2個(gè)，一個(gè)是由于洗漱間內(nèi)的抽風(fēng)機(jī)持續(xù)抽風(fēng)帶來，一部分風(fēng)從房間和洗漱間之間的門縫排出，ACH=8時(shí)約占30%，即抽風(fēng)量約為89.6 m3/h，門縫長和高分別為0.9 m×0.012 m；剩下大部分的空氣由住艙天花板上的主回風(fēng)口排出，主回風(fēng)口的長×寬為0.4 m×0.2 m。2個(gè)回風(fēng)口均設(shè)置為自由出流條件，且假定?C/?n=0，n為出口法線方向，即排出時(shí)液珠的濃度梯度為0。

使用熱盒來代表2名采取睡姿游客的人體，長×寬×高為1.8 m×0.4 m×0.2 m。2名游客的人體顯熱均為76 W，由于本研究不考慮輻射換熱，僅考慮對流換熱，依據(jù)文獻(xiàn)［13］，將人體的對流換熱設(shè)置為一半顯熱，即38 W。考慮住艙為晚上游客住宿使用，因此住艙內(nèi)不考慮晚上會關(guān)閉的電視和電燈等其他熱源，所有的壁面假定為絕熱邊界條件和零濃度梯度邊界條件，即?T/?n=0及?C/?n=0，n為壁面法線方向。

算例2在算例1的基礎(chǔ)上不改進(jìn)通風(fēng)模式，而是增大通風(fēng)量50%，即ACH=12，通過門縫抽風(fēng)量保持不變，仍為89.6 m3/h。

算例3和算例4的計(jì)算物理模型如圖7所示。算例3采用置換通風(fēng)模式，在桌子和床鋪之間接近地板處布置置換通風(fēng)散流器（圖6（b）），該散流器為多孔結(jié)構(gòu)，其風(fēng)口有效面積與外形（高×寬為0.6 m×0.4 m）面積之比為1∶3，采用1.2節(jié)所述的動(dòng)量源法設(shè)置該散流器風(fēng)口的入流邊界條件。

圖6　散流器Fig.6　Diffusers

圖7　算例3和算例4的計(jì)算物理模型Fig.7　Computational physical models of case 3 and 4

算例4考察睡姿對液珠擴(kuò)散的影響，游客1采用面向游客2的側(cè)臥睡姿，其他邊界條件保持不變。

2.2咳嗽的邊界條件設(shè)置

由于人體鼻腔呼吸產(chǎn)生的周期性氣流的射流動(dòng)量遠(yuǎn)小于嘴巴咳嗽產(chǎn)生的射流動(dòng)量，因此本研究忽略鼻腔的呼吸過程，即鼻腔呼吸的周期性氣流對住艙內(nèi)氣流產(chǎn)生的擾動(dòng)。根據(jù)Gupta的試驗(yàn)測量結(jié)果［5，14］（圖8），2名游客的嘴巴中心距離頭頂為0.2 m，面積設(shè)置為4 cm2（2 cm×2 cm），游客1咳嗽的角度為與嘴巴的法向方向向下呈角度30°，咳嗽出的液珠溫度為33℃，咳嗽產(chǎn)生一脈沖射流，最大咳嗽射流速度約為9 m/s，持續(xù)時(shí)間約為0.4 s，其速度隨時(shí)間變化的曲線如圖9所示，服從Γ概率分布，一次咳嗽噴出數(shù)量為106個(gè)直徑1 μm、體積約為0.69 L的液珠。

圖8　嘴巴的位置和咳嗽的角度Fig.8　Location of mouth and coughing angle

圖9　咳嗽的速度曲線Fig.9　Velocity curve of coughing

本研究首先對住艙空氣流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，以作為非定常模擬的初始條件。表1中的算例1～3的咳嗽邊界條件均相同，算例4中咳嗽的角度需要根據(jù)人的睡姿進(jìn)行相應(yīng)地改變，咳嗽的其他邊界條件保持不變，根據(jù)圖9的速度曲線編寫用戶自定義函數(shù)作為咳嗽的速度邊界條件。假定游客1在零時(shí)刻（t=0 s）進(jìn)行了一次咳嗽。其嘴巴在0～0.4 s時(shí)刻內(nèi)設(shè)定為速度邊界條件，在0.4 s后咳嗽將停止，則嘴巴將關(guān)閉變?yōu)楸诿孢吔鐥l件。游客2的嘴巴始終設(shè)置為壁面邊界條件。然后采取變步長的求解策略，繼續(xù)求解咳嗽產(chǎn)生的液珠在住艙內(nèi)持續(xù)1 350 s（即ACH=8時(shí)的住艙3次換氣所需的時(shí)間）的傳播擴(kuò)散。

對于算例1和3套用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（網(wǎng)格單元數(shù)分別為650 904，1 084 751和2 933 515）用于測試網(wǎng)格的獨(dú)立性，均在人體嘴巴處、人體其他部分、送風(fēng)口、主回風(fēng)口與洗漱間的門縫回風(fēng)口之間進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。網(wǎng)格獨(dú)立性測試結(jié)果表明，網(wǎng)格單元數(shù)量1 084 751具有足夠的解析精度，可用于捕捉住艙內(nèi)的湍流。反映邊界層厚度的無量綱值y+的平均值大于15，符合標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)律壁面函數(shù)的應(yīng)用要求。算例2～4采用同樣的網(wǎng)格劃分策略。

3　結(jié)果分析

為了評估游客2吸入液珠的暴露感染危險(xiǎn)，有必要對其面部附近的呼吸空間區(qū)域內(nèi)的液珠濃度進(jìn)行監(jiān)測，建立0.3 m×0.3 m×0.3 m的呼吸區(qū)域，如圖10所示。

圖10　游客2面部附近的呼吸區(qū)域Fig.10　Breathing zone near the face of passenger 2

3.1游客2呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度

算例1～3在游客2呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示。所有的濃度值采用3個(gè)算例中的濃度最大值無量綱化。結(jié)果顯示，算例1在整體上有最大的液珠濃度，算例2次之。這是由于算例2加大了新風(fēng)量，可以更快地稀釋住艙內(nèi)的液珠濃度。并且其攪拌住艙內(nèi)空氣的效果更為明顯，使得更快地?cái)y帶游客1咳嗽出的液珠到達(dá)游客2的呼吸區(qū)域，相比算例1更早達(dá)到了呼吸區(qū)域內(nèi)液珠濃度的峰值，但之后由于持續(xù)不斷的新風(fēng)參與攪拌稀釋，液珠濃度迅速下降。算例3在呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度在整體上相比算例1和2最小，這表明不加大通風(fēng)量而僅改變通風(fēng)模式（由混合通風(fēng)模式改變?yōu)橹脫Q通風(fēng)模式），比僅加大通風(fēng)量對控制呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度更具效果。

圖11　游客2呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度曲線Fig.11　Droplet concentration curves in the breathing zone of passenger 2

考察游客2嘴巴中心處到天花板的垂直連線上的液珠濃度分布。t=105 s時(shí)的濃度變化曲線如圖12所示，所有的濃度值用3個(gè)算例中的濃度最大值無量綱化。結(jié)果表明，t=105 s時(shí)，算例1尚未攪拌均勻，呼吸區(qū)域內(nèi)（z=0.8～1.1 m）的液珠濃度值遠(yuǎn)大于住艙上部的液珠濃度值。而算例2由于通風(fēng)量加大的緣故，接近攪拌均勻。算例3在垂直方向上形成濃度梯度，呼吸區(qū)域的液珠濃度值遠(yuǎn)小于住艙上部的液珠濃度值，這是因?yàn)橹脫Q通風(fēng)模式產(chǎn)生了住艙內(nèi)氣流的分層流動(dòng)。

圖12　考察直線（游客2嘴巴中心處到天花板的垂直連線）上的液珠濃度曲線（t=105 s）Fig.12　Droplet concentration curves in an investigated line （t=105 s）

算例1～3均成功捕捉到人體產(chǎn)生的熱羽流。圖13分別顯示了算例1和3在t=0 s時(shí)在人體腰部，由于空氣與發(fā)熱人體之間的對流換熱而產(chǎn)生的熱羽流。

3.2液珠的擴(kuò)散過程

用算例1的數(shù)據(jù)說明液珠的擴(kuò)散過程。圖14顯示了游客1咳嗽剛結(jié)束時(shí)液珠的濃度分布（t= 0.4 s），濃度值采用咳嗽的液珠初始濃度值（1.45× 109個(gè)/m3）無量綱化。可以看出t=0.4 s時(shí)液珠濃度的分布與咳嗽射流的角度是一致的，且尚未擴(kuò)散出去。圖15為液珠擴(kuò)散后濃度的三維等值面圖，液珠濃度取值為咳嗽的液珠初始濃度值的2.5× 10-5倍。結(jié)果表明：液珠呈非定常、非均勻的空間分布。t=21 s時(shí)液珠云尚未到達(dá)游客2的呼吸區(qū)域，t=51，75，125 s時(shí)該濃度值的液珠云均到達(dá)呼吸區(qū)域。這與圖11中算例1相對較高的液珠濃度是一致的。

圖14　咳嗽剛結(jié)束時(shí)液珠的濃度分布（t=0.4 s）Fig.14　Droplet concentration distribution when coughing is finished（t=0.4 s）

圖15　液珠擴(kuò)散的濃度等值面圖（無量綱化的濃度值為咳嗽的液珠初始濃度值的2.5×10-5）Fig.15　Iso-surfaces of dispersed droplet concentration（the normalized concentration is 2.5×10-5compared with the concentration of the instantaneous coughed air）

3.3游客2的吸入劑量

相比游客2呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度，游客2對液珠的吸入劑量對于估計(jì)呼吸道疾病感染風(fēng)險(xiǎn)更為重要。吸入劑量（ID）的計(jì)算公式如下：

式中：C（t）為游客2呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度；t為時(shí)間；q為游客呼吸速率，設(shè)定為q=0.48 m3/h［15］。

圖16對比了算例1～3在1 350 s內(nèi)游客2對液珠的吸入劑量，所有的吸入劑量值用3個(gè)算例中的吸入劑量最大值無量綱化。算例1的吸入劑量最大，而算例2和算例3的吸入劑量值分別是算例1的64.7%和32.3%。結(jié)果表明：僅改變通風(fēng)模式，可將吸入劑量值控制在原有值的1/3左右，是僅增大通風(fēng)量50%的吸入劑量值的1/2左右。

圖16　游客2的吸入液珠劑量Fig.16　Inhaled droplet dose of passenger 2

3.4新風(fēng)稀釋效果分析

圖17對比了算例1～3中整個(gè)住艙內(nèi)液珠平均濃度的變化趨勢，來考察送風(fēng)口送入新風(fēng)的稀釋效果。所有的濃度值采用3個(gè)算例中的平均濃度最大值無量綱化。在游客1咳嗽完將106個(gè)液珠噴射進(jìn)住艙空氣環(huán)境后，算例1～3的住艙內(nèi)的液珠平均濃度均相同，且均在40 s后液珠平均濃度開始下降，這表明開始有液珠通過主回風(fēng)口及與洗漱間的門縫回風(fēng)口排出。3個(gè)算例中液珠平均濃度的下降趨勢均服從指數(shù)分布，但下降的速度并不相同，算例1最慢，算例2，3基本相同。這表明僅改變通風(fēng)模式的方法可與僅增大通風(fēng)量50%的方法取得相近的控制效果。

圖17　住艙內(nèi)的液珠平均濃度Fig.17　Averaged droplet concentration in the cabin

當(dāng)ACH=8時(shí)，對于算例1，經(jīng)過450，900和1 350 s后，殘余在住艙內(nèi)的液珠數(shù)量與咳嗽出的液珠數(shù)量的比例分別為25.8%，6.9%和1.8%。而對于算例3，殘余液珠數(shù)量的比例分別為16.5%，2.4%和0.3%。當(dāng)ACH=12時(shí)，對于算例2，經(jīng)過300，600和900 s后，殘余液珠數(shù)量的比例分別為30.1%，7.9%和2.6%。這表明混合通風(fēng)模式下需經(jīng)過3次換氣才能將一次咳嗽產(chǎn)生的液珠基本排空，而在置換通風(fēng)模式下僅需要2次換氣就可基本排空。

4　討　論

算例4考察游客1采用面向游客2的側(cè)臥睡姿時(shí)，對游客2呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度和吸入劑量的影響。圖18為算例1和4在游客2呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度隨時(shí)間的變化曲線。所有的濃度值用2個(gè)算例中的濃度最大值無量綱化。結(jié)果顯示，算例4相比算例1最大濃度高約2.5倍，但吸入劑量僅高29.5%，且峰值出現(xiàn)時(shí)間更早，這是由于游客1側(cè)臥面向游客2咳嗽，液珠更容易擴(kuò)散到游客2的呼吸區(qū)域的緣故（圖19相比圖15（b），液珠云基本覆蓋了游客2的呼吸區(qū)域）。游客1采取側(cè)臥的睡姿在加大通風(fēng)量或置換通風(fēng)模式下的控制效果及游客1采取其他睡姿等有待進(jìn)一步研究。

圖18　游客2呼吸區(qū)域內(nèi)的液珠濃度曲線（算例1和4）Fig.18　Droplet concentration curves in the breathing zone of passenger 2（case 1 and 4）

圖19　液珠擴(kuò)散的濃度等值面圖（算例4，t=51 s，無量綱化的濃度值為咳嗽的液珠初始濃度值的2.5×10-5）Fig.19　Iso-surface of dispersed droplet concentration（case 4，t=51 s，the normalized concentration is 2.5×10-5compared with the concentration of the instantaneous coughed air）

為便于比較模擬結(jié)果，算例3采用的置換通風(fēng)模式采用了與算例1一樣的送風(fēng)溫度（均為22℃）和送風(fēng)風(fēng)量。置換通風(fēng)采用更低的送風(fēng)溫度對液珠濃度的控制效果可能更好，并且由于低矮住艙層高的限制，導(dǎo)致流動(dòng)分層效果并沒有高大層高的空間好，且置換通風(fēng)散流器一般較大，狹小住艙較難布置，因此針對不同層高的住艙、不同送風(fēng)參數(shù)和幾何布置的置換通風(fēng)設(shè)計(jì)需要用CFD的方法進(jìn)一步深化研究。另外算例2加大了50%的通風(fēng)量，在一定程度上起到了稀釋液珠濃度的效果，但將導(dǎo)致能耗的增加，影響郵輪營運(yùn)利潤，同時(shí)船用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的容量限制可能無法達(dá)到增加50%的需求。

5　結(jié)　論

本文采用求解URANS和歐拉模型的計(jì)算流體力學(xué)方法對郵輪密閉住艙內(nèi)游客咳嗽產(chǎn)生的液珠的擴(kuò)散傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬。考察了加大通風(fēng)量、改變通風(fēng)模式及人體睡姿等情況下降低液珠濃度的控制效果。采用有著相近流動(dòng)現(xiàn)象的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證的RNG k-ε湍流模型和歐拉模型、由測量結(jié)果輸入的咳嗽邊界條件及網(wǎng)格獨(dú)立性分析，保證了計(jì)算結(jié)果的可信性。有關(guān)研究結(jié)果如下：

1）混合通風(fēng)模式加大通風(fēng)量和置換通風(fēng)模式均可有效控制健康狀態(tài)游客呼吸區(qū)域內(nèi)液珠濃度和吸入劑量，但后者效果更好。

2）混合通風(fēng)模式需要3次換氣才能把住艙內(nèi)的液珠基本排空，而置換通風(fēng)模式僅需2次換氣。

3）混合通風(fēng)模式和置換通風(fēng)模式下，住艙內(nèi)液珠的平均濃度的下降服從指數(shù)分布。

4）游客睡姿對呼吸區(qū)域內(nèi)液珠濃度峰值和吸入劑量有較大影響。

本研究對船舶密閉艙室內(nèi)液珠擴(kuò)散過程和氣載傳染病的傳播提供了定量的理解，可為優(yōu)化改進(jìn)郵輪上的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和氣流組織設(shè)計(jì)提供參考。該方法可用于其他氣態(tài)污染物和小顆粒的輸運(yùn)模擬，也可用于呼吸道疾病的定量危險(xiǎn)評估等。

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Influences of ventilation modes on the coughing droplet dispersion process in a cruise cabin

ZHENG Lijie1，XU Jian1，WU Fangliang1，XU Wentao1，LONG Zhengwei2
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China

Aiming at problem of the high infection rate of respiratory diseases on cruise ships and the corre?sponding lack of quantitatively research，the Computational Fluid Dynamics（CFD）method is adopted in this paper to analyze the droplet transmission and dispersion process coughed by an infected passenger ac?commodated in an enclosed cabin quantitatively.The air flow equation is solved by solving the unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes equations while the Eulerian model is used to simulate the coughed drop?let dispersion.The controlling effects for reducing the droplet concentration are also investigated under vari?ous conditions of changing ventilation modes and increasing ventilation rates.The results show that the dis?placement ventilation mode is superior to the mixed ventilation mode when increasing the ventilation rate to control the droplet dispersion.The mixed ventilation mode needs at least three air changes to empty the droplet，while the displacement ventilation mode needs only two，and the reduction of averaged droplet concentration obeys exponential distribution.In addition，the sleeping gestures of the infector have big in?fluences on the droplet concentration in the breathing zone and inhaled dose of the susceptible.

cruise cabin；droplet dispersion；ventilation mode；numerical simulation

U664.86

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.003

2015-03-09網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-3-17 10:56

人力資源與社會保障部留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助啟動(dòng)類項(xiàng)目

鄭立捷（通信作者），男，1979年生，博士，高級工程師。研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)及流體

力學(xué)。E-mail：zhenglijie1979@163.com

許建，男，1963年生，博士，研究員。研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)及流體力學(xué)