水平動態送風氣流下人體呼出飛沫核的擴散特性研究

趙凱玥 柏 茜 程 勇

（1.重慶大學土木工程學院 重慶 400045；2.重慶大學國家級低碳綠色建筑聯合研究中心 重慶400045；3.重慶大學綠色建筑與人居環境營造教育部國際合作聯合實驗室 重慶 400045）

0 引言

封閉的空間是空氣傳播的高危場所[1]，2003年的SARS 流行病，2009年H1N1 流感，2013年的H7N9 禽流感病毒以及2020年的新型冠狀病毒肺炎都說明了防治傳染病和預防未知突發性感染病，尤其是空氣傳染病的重要性。通風被廣泛認為是控制室內空氣傳播最具有影響力的工程方法[2,3]，因此氣流組織形式對于室內人員交叉感染的影響重大。張林等采用數值模擬的方法對教室內某一人員呼出的液滴在水平送風、置換通風以及混合通風三種送風方式下呼吸區液滴濃度變化規律進行了研究，得出水平送風條件下呼吸區液滴濃度最低，感染風險最低[4]。Ai 等通過實驗對水平氣流分布的房間進行了人員之間交叉感染的研究，得出水平氣流分布的應用將有效地消除近距離人群交叉感染的高風險[1]。這些研究得出：水平送風能有效降低室內交叉感染風險，但均是在穩態送風條件下進行的，針對于水平動態送風氣流對人與人之間空氣傳播的影響，還有待進一步研究。

水平動態送風氣流相較于穩態送風有潛力改善人體熱舒適[5]，但水平送風模式與動態送風模式的結合可能會對室內交叉感染產生不同的影響：高速期內送風速度大可能會加快人體呼出飛沫核的排除，降低交叉感染風險；同時也可能會加強人體呼出飛沫核與周圍氣流的摻混，加劇交叉感染風險。因此本文在水平動態送風條件下，針對7 個工況，利用CFD 軟件進行數值模擬，分析室內氣流組織分布特性、人體呼出飛沫核擴散特性以及不同工況對于室內交叉感染的影響，為創造一個熱舒適良好且交叉感染風險低的室內環境提供參考。

1 研究方法

1.1 物理模型

以一間8.4m 長×5.4m 寬×2.6m 高的教室為模擬對象，房間形狀見圖1（a）。在工作區內布置6張桌子及12 個人體M1-M12，桌子距離地面0.735m，尺寸為1.2m 長×0.4m 寬，為改善計算網格質量以提高計算的精準度，將人體簡化為0.4m長×0.25m 寬×1.2m 高的長方體，其表面積與一個坐姿成年人的表面積相同。6 個方形送風口及6 個方形回風口對稱布置于西側墻壁的下部，且均勻分布在人體前側，送風口距離地面1.25m，回風口距離地面0.395m，尺寸均為0.17m×0.17m。房間的右外墻上設有兩扇窗戶，前側窗戶尺寸為2.3m×1.45m，后側窗戶尺寸為2.3m×1.76m。此外，室內還有6 盞均勻布置于工作區上方的白熾燈，尺寸為0.555m×0.555m。在假人前方0.1m 處設置測點P3、P4、P5、P10、P11、P12，測點高度為坐姿人體頭部呼吸區高度1.1m，如圖1（b）所示。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

為建立準確的CFD 模型以保證數值模擬計算結果的準確性及可靠性，課題組前期進行了實驗研究。實驗在香港城市大學成都研究院的實驗室中進行，通過控制風機頻率改變送風速度，控制冷水流量改變送風溫度，進而調節各水平動態送風工況的送風參數。在不同工況下，對人體前三個高度（0.1m、0.6m、1.1m）、送風口及回風口的空氣速度和溫度進行了實驗測量，測量時長為三個送風周期，同時室內溫度及房間北側壁面溫度在實驗全程進行不間斷的測量，所有儀器在測量前均進行了校準，實驗中所采用的儀器及其參數如表1所示，詳細的實驗步驟和方法，請參考文獻[13]。

表1 實驗儀器參數Table 1 Information on measurement instruments

1.2 CFD 模型

根據文獻[6]及文獻[7]，直徑在0.5～10μm 之間的顆粒物能在空氣中停留較長時間，其在空氣中的運輸模式與氣體類似，且飛沫核的直徑為0.25 到42μm 不等，其中97%分布在0.5 到2μm 之間，雖然人體呼出的含有病原體的飛沫核是顆粒物，但示蹤氣體所表征的污染物分布與顆粒物的分布相似。因此，本文所建立的CFD 模型采用CO2示蹤氣體來模擬人體呼出飛沫核，并采用Species 組分輸運模型模擬CO2在室內的擴散。

本文主要研究室內速度場及溫度場，對物理模型做如下假設：室內氣體為不可壓縮氣體；室內氣流流動狀態為湍流狀態；室內空氣滿足Boussinesq假設，即除動量方程的浮力項外，其他項的密度按常數處理。采用標準壁面函數來模擬近壁面區域的湍流流動，采用DO（discrete ordinate）輻射模型來計算不同壁面（外墻、外窗、人體表面、燈）之間的熱傳遞，采用標準k-ε湍流兩方程模型來模擬室內環境。

k方程：

ε方程：

1.3 模擬設置

本研究在進行CFD 數值模擬時運用的軟件是ANSYS Fluent 2020 R2。在進行模擬計算時，控制方程離散化方法采用有限體積法[8]。采用SIMPLE法作為壓力-速度耦合算法[9]。采用二階迎風格式進行離散化，二階隱式格式用于時間離散化[10]。在模擬過程中，動量殘差的收斂準則設為10-4，質量殘差、湍流動能殘差、湍流耗散殘差、能量殘差和輻射強度殘差的收斂準則設為10-6[11]。

本研究采用Airpak 軟件進行了網格劃分，網格為六面體網格，對速度和溫度梯度較大的位置如風口、熱源及熱壁面的局部網格進行了細化。本文根據網格獨立性檢驗原則，采用了網格數量為193萬、255 萬、316 萬的網格進行檢驗，綜合考慮時間成本和計算精度，本文采用網格數量為255 萬的網格進行水平動態送風模型的數值模擬。為分析人體呼出飛沫核的擴散特性，在網格數量為255 萬的網格基礎上，進一步對人體嘴巴附近的網格進行了局部加密，加密后網格數量為293 萬。

模擬邊界條件設置如表2所示。外墻的壁面溫度值確定為302K，其余壁面視為絕熱。對于脈動送風，由于送風速度與時間相關，通過用戶自定義函數（UDF）來設定送風速度的邊界條件。設教室內人員M4 呼出氣體中含有污染物，以CO2代替呼出飛沫核進行模擬，設置人員嘴巴尺寸為0.01m×0.01m，邊界條件為速度入口（velocity-inlet），假設人員恒定呼出污染物，參照文獻[12]，設置其速度為0.89m/s，濃度為40000ppm，同時設置風口送風的CO2濃度為400ppm[12]。

表2 邊界條件設置Table 2 Boundary condition setting

1.4 工況設置

現有研究表明，在送風溫度21.5℃和周期平均送風速度1.5m/s 的水平動態送風工況下，熱舒適情況較好[13]。因此，本研究依據相關研究[13]中所比較的26 個工況，選取了熱舒適較好的7 種工況，如表3所示。

表3 工況設置Table 3 Working condition setting

2 結果及分析

2.1 數值模擬驗證結果

為保證數值模擬的可靠性，本研究利用課題組前期研究所得的實驗數據對CFD 模型進行驗證。實驗工況的周期平均送風速度為1.7m/s，送風溫度為21.5℃，取人體頭部呼吸區高度1.1m 的兩測點P3、P5 處的數據進行驗證，對600s 內的空氣速度及450s 內的空氣溫度的變化趨勢進行對比，驗證結果如圖2 和圖3所示。

圖2 Y=1.1m 處空氣速度的實驗和模擬結果對比Fig.2 Comparison of experimental and simulation results of air velocity at Y=1.1m

圖3 Y=1.1m 處空氣溫度的實驗和模擬結果對比Fig.3 Comparison of experimental and simulation results of air temperature at Y=1.1m

由空氣速度和溫度的對比結果可知，模擬結果和實驗結果的趨勢相近，擬合程度相對較好。對于空氣速度及溫度，模擬結果和實驗結果的最大速度差在0.3m/s 左右，最大溫度差在1℃左右，與相關研究[13]內的最大偏差相同，根據相關研究[13]，空氣速度差和空氣溫度差在合理誤差范圍內，該模型模擬驗證結果良好，故該模型可用于進一步計算分析氣流組織特性和污染物擴散特性。

2.2 氣流組織特性分析

本節以典型工況5 為例，討論水平動態送風條件下的氣流組織特性。圖4 是工況5 下不同送風速度時期，呼吸區截面（Y=1.1m）及豎直方向截面（X=5.1m）處的速度分布，房間的左右側以呼吸區截面（Y=1.1m）的左右側為準，位于送風上游的人員視為前側人員。可以看出：室內氣流經風口水平送出后，流經前排人員呼吸區，受人體阻力和氣流卷吸的影響發生一定程度的速度衰減，在與人體碰撞后，繞前排人員周圍區域流動，抵達后排人員呼吸區后，在室內形成左右兩側的回流，由壁面處的排風口排出。在低速期，如圖（c）所示，室內氣流經風口送出后，速度衰減較明顯，氣流顯著下落，使大部分新風直接送入前排人員頭部呼吸區，且氣流向左右兩側形成的回流現象較明顯。在高速期，如圖（d）所示，射流長度明顯大于低速期射流長度，氣流經風口送出后速度衰減效果降低，先抵達人體頭部上側，導致氣流在與人體頭部碰撞后，部分向下流動至前排人員呼吸區。

圖4 工況5 呼吸區截面（Y=1.1m）及豎直方向截面（X=5.1m）處的速度分布Fig.4 Velocity distribution at the section of breathing area(Y=1.1m)and vertical section(X=5.1m)in case 5

圖5 是工況5 下不同送風速度時期，呼吸區截面（Z=1.1m）處的溫度分布。可以看出：前排人員呼吸區內空氣溫度明顯低于后排人員呼吸區空氣溫度，隨著送風速度的增大，進入人員工作區的新風增多，進一步擴大了26℃左右的溫度范圍，且除工作區外，室內左右兩側的溫度分布更加均勻。

圖5 工況5 呼吸區截面（Z=1.1m）處的溫度分布Fig.5 Temperature distribution at the cross section of breathing area(Z=1.1m)in case 5

2.3 飛沫核擴散特性分析

為探究同一工況下高、低速期的人體呼出飛沫核擴散特性，選取典型工況5 進行具體分析。圖6是工況5 感染人員呼出CO2的分布情況。根據氣流組織特性分析，氣流在房間左側產生了回流現象，由于其作用范圍內無感染人員，左側房間的污染物濃度分布維持在較低水平，如圖所示。右側氣流經風口送入室內，流經感染人員M4 后裹挾CO2抵達人員M10 的呼吸區，在回流的影響下，氣流向右發生偏移，部分攜帶CO2的氣流流動至人員M11、M12 周圍，另一部分流經房間后側及右側區域后從排風口排出。在低速期，室內空氣速度水平較低，射流長度較低，感染人員M4 呼出的CO2被稀釋擴散的效果不明顯，且CO2主要分布于感染人員M4及其后排人員M10 附近，右側氣流的回流對CO2的濃度分布無顯著影響。在高速期，空氣速度水平較高，射流長度高于低速期射流長度，感染人員M4 呼出的CO2在高速氣流的裹挾下，被迅速傳遞至后排人員M10、M11、M12 周圍，且在右側氣流的回流作用下，攜帶CO2的氣流與房間后側空氣充分混合，使得CO2在房間右后方濃度分布較為均勻，在房間右側整體濃度水平較高。在送風周期內，人員M10-M12 周圍具有高于其他人員周圍的CO2濃度，因此認為人員M10-M12 為高危人員。

圖6 工況5 下CO2 的分布情況Fig.6 Distribution of CO2 under condition 5

2.4 工況對比

2.4.1 送風周期總時長對比

本文所選7 個工況中存在兩種不同送風周期總時長，即300s 和120s，本節在送風速度及高速期與低速期之比相同時，對不同送風周期總時長的工況下室內人員M4、M10-M12 周圍CO2的分布進行分析，如圖7所示為工況1（300s）和工況3（120s）的對比。

圖7 各人員在不同送風周期總時長的工況下CO2 質量分數的變化Fig.7 Variation of CO2 mass fraction of each person under different total duration of air supply cycle

由圖可知，對于感染人員M4，送風周期總時長較短的工況3 高低速期轉變并未對其周圍CO2質量分數分布情況產生明顯影響，送風周期總時長較長的工況1 在低速期內由于長時間低速送風造成了感染人員M4 周圍CO2的積累，導致其質量分數水平較高；在高速期內長時間高速送風有利于感染人員M4 周圍CO2的排除，而質量分數呈現較低水平。對于高危人員M10-M12，低速期內由于工況1 長時間低速送風使感染人員呼出的CO2沒有及時擴散，因此高危人員M10-M12 周圍CO2質量分數相對于工況3 較低；高速期內由于工況3 高速送風的時長較短，感染人員呼出的CO2擴散程度弱，對于高危人員M10-M12 的影響相對于工況1較小。綜合來看，當送風速度與高速期和低速期時長比值相同時，總時長300s 和總時長120s 的工況對于高危人員M12 周圍的CO2分布的影響情況差別不大，對于感染人員M4 以及高危人員M10、M11 周圍CO2分布的影響略有差別。

2.4.2 高速期與低速期時長比值對比

在本文所選擇的送風周期總時長為120s 的5個工況中，送風高速期與低速期時長之比有1、0.5、0.25 三種，本節選擇高速期送風速度相同的工況3（比值為1）、工況5（比值為0.5）以及工況7（比值為0.25）進行對比分析，如圖8所示。

圖8 各人員在高速期與低速期時長比值不同的工況下CO2 質量分數的變化Fig.8 Variation of CO2 mass fraction under different duration ratio of high speed period and low speed period

工況3 的送風高速期與低速期時長比值為1，在工況3 送風條件下，感染人員M4 恒定呼出CO2，低速期大量積累CO2，高速期內人體持續呼出的以及低速期積累的CO2的擴散程度相對較小，故人員M4 周圍CO2質量分數在高低速期轉變時無明顯變化。對于上述3 個工況，高速期內送風速度相同，送風時間：工況3＞工況5＞工況7，高速期內除工況3 對于感染人員M4 周圍CO2的消除能力較差外，其余情況下感染人員M4，高危人員M10-M12周圍CO2的消除均呈現較好效果。低速期內送風速度：工況7＞工況5＞工況3，送風時間：工況7＞工況5＞工況3，四位人員周圍的CO2質量分數均在工況7 下呈現最低水平。因此低速期內長時間較高速送風能夠有效消除感染人員M4，高危人員M10-M12 周圍的CO2。

2.4.3 高速期與低速期不同送風速度對比

上節所討論的3 種工況高速期送風速度相同，本節的討論對象是送風周期總時長為120s，高速期與低速期時長比值為0.5，高低速期送風速度不同的工況4、工況5 以及工況6，對這3 種工況下的室內感染及高危人員周圍的CO2分布進行對比分析，如圖9所示。

圖9 各人員在不同送風速度的三種工況下CO2 質量分數的變化Fig.9 Variation of CO2 mass fraction under three working conditions of different air supply speed

低速期內，送風速度：工況4＞工況5＞工況6，四位人員周圍的CO2質量分數均在工況4 下呈現最低水平，可見低速期內較高速送風對于感染人員M4、高危人員M10-M12 周圍CO2消除效果顯著。高速期內，送風速度：工況6＞工況5＞工況4，在感染人員M4 周圍，工況4 的高速期送風速度最低，使感染人員呼出的CO2的擴散作用較弱而部分CO2仍然積累在其周圍，導致其周圍CO2分布水平高于其他2 種工況；高危人員周圍的CO2分布在3種工況下均呈現較低水平。綜上：相同送風時長的情況下，高速期送風速度對室內交叉感染的影響較小，低速期內較高速送風能有效較低室內交叉感染風險，如工況4。

2.4.4 與穩態工況對比

由上述分析可知，高速期內送風速度與送風時長對室內交叉感染情況影響較小，低速期內長時間較高速送風能有效降低室內交叉感染風險，工況4的低速期為80s，送風速度為1.43m/s；工況7 的低速期為96s，送風速度為1.39m/s，且二者的低速期送風速度為7 個工況低速期中較高水平，室內人員周圍CO2的分布水平在這兩種工況下也呈現較低水平，因此認為工況4 和工況7 為較優工況，能有效降低室內交叉感染風險。將其與穩態送風工況條件下的感染人員與高危人員周圍的CO2質量分數進行對比，如圖10所示。

圖10 各人員在三種工況下CO2 質量分數的變化Fig.10 Changes of CO2 mass fraction of each personnel under three working conditions

由圖可知，四位人員在工況4 和工況7 下的污染物濃度變化趨勢大致相同。工況4、工況7 對感染人員M4 周圍CO2的降低效果在高速期優于穩態送風工況，在低速期弱于穩態送風工況。工況4、工況7 下高危人員M10 周圍的CO2分布水平低于穩態送風工況，高危人員M11、M12 周圍的CO2分布水平與穩態送風工況相近。而本文所探究室內交叉感染風險，相對于已感染人員M4，更關注高危人員M10-M12 周圍的CO2分布水平，因此綜合得出：工況4 和工況7 相對于穩態送風工況能更有效降低室內交叉感染風險。

根據文獻[13]中對水平動態送風不同工況的熱舒適性評價可知，工況4 的熱舒適性優于工況7，結合兩種工況對室內污染物濃度分布的影響，認為工況4 能在保障室內熱舒適性的條件下，有效降低室內交叉感染風險。

3 結論

本文的主要結論如下：

（1）水平動態送風工況相對于穩態工況有利于降低室內交叉感染風險，并且對于水平動態送風，高速期的送風速度與送風時長對室內交叉感染情況影響較小，低速期內長時間較高速送風能有效降低室內交叉感染風險。

（2）根據污染物濃度分布情況和熱舒適評價指標綜合來看，當高速期時長與低速期時長之比為1:2，高速期的速度為1.65m/s，低速期的送風速度為1.43m/s 時，既能滿足室內熱舒適要求，又能有效降低室內交叉感染風險。