1、普通教室人体飞沫气溶胶颗粒数值模拟摘要：本文模拟了空调房间两种送风方式下，人体持续说话从嘴里散发气溶胶颗粒污染物的分布。使用 RNGk- 模型对教室内气流进行模拟，寻找教室内最佳的气流组织形式， 降低污染物的传播效率。 关键词：模拟，环境，空气流动 中图分类号：O355 文献标识码： A 绪论：近些年，随着全球一系列的流行病爆发，包括：结核（ TB ）（1990 年） ，严重急性呼吸系统综合症（SARS）(2003 年）和最近的甲型H1N1 流感(2009 年)，人类面临空气传播感染的风险已经不容忽视1-6。事实上，这些疾病的传播途径之一是以人体飞沫气溶胶作为载体进行的，在人员密集的封闭空间内
2、部更容易接触和感染。因此，研究人体飞沫气溶胶在通风建筑中的传播就显得尤为重要了。 本文对采用基于 CFD 模拟对空调房间两种种送风方式、不同通风次数时房间中人持续说话时散发气溶胶颗粒的分布进行模拟，为制定控制策略服务。 1. 数值模拟方法 1.1 空气流动模型 1.1.1 控制方程 室内空气流动模拟是基于 Euler 体系模拟的，对于室内空气的湍流流动而言，其时均化控制方程可表示为： （1） 式中， 为通用变量，可以代表 u、v、w、T 等求解变量； 为广义扩散系数；S 为广义源项。扩散系数 和源项 S 取相应的表达式,式(1)即可分别代表湍流时均的连续方程、动量方程、能量方程、浓度输运方程以
3、及湍流动能和湍流动能耗散率方程等。 1.1.2 边界条件 送风口采用速度入口（velocity-inlet） ，排风口采用自由出流（outflow）出口，保证入口的质量流量等于出口的质量流量。壁面处采用壁面函数。天花板和地板绝热，四周墙壁恒定温度 24。 1.2 颗粒模型模型 1.2.1 控制方程 对于人体散发气溶胶颗粒采用 Lagrange 方法处理，即通过求解下列单个颗粒(群)的运动方程(由牛顿第二运动定律得到)得到颗粒速度后再对时间进行积分得到运动轨迹： 式中, 颗粒在 i 方向的速度，m/s； Fi颗粒在 i 方向被施加的全部单位质量力，m/s2，表达式为：（3） 式中，Fd拖拽力；
4、G重力； Fai单位颗粒质量所受其它外力，包括热泳力、质量附加力、Basset 力、Saffman 力、布朗力和空气压力梯度力。随着颗粒的性质以及流场的性质不同，各种力 大小不同，可以根据其大小忽略一些足够的小的力来简化模型。 此外,本文的模拟中还采用了如下假设： 1）颗粒对湍流的影响忽略不计,这是因为建筑环境内的颗粒体积分数足够小,从而其沉降速度对湍流的影响也足够小 4 ； 2）忽略空气和颗粒之间的传热； 3）颗粒运动遇到壁面不反弹,即被壁面“捕捉” ； 4）颗粒之间不发生碰撞、凝聚,粒径不发生变化； 5）所有颗粒均为球形光滑颗粒。 1.2.2 边界条件 本文模拟人体散发气溶胶颗粒，颗粒粒径
5、为 1m ，从人嘴喷射气流速度为 2m/s，总的释放率为 0.085m/s 5 。将人嘴简化为 2cmx2cm的正方形平面，假定人讲话时从人嘴持续稳定散发气溶胶颗粒物。壁面处采用“捕捉” （trap）条件，即颗粒物碰到墙壁后不反弹被捕捉。 2. 物理模型及模拟 所模拟的教室的几何尺寸为： 800cm360cm300cm 教室内有 10 名学生，分五排两列落座。教室内布置两种送风方式，分别为混合通风和置换通风。 我们以第一列第三排学生的嘴作为污染源，持续说话时射出 5m 粒子，比较两种送风方式在典型截面上的的速度场、温度场、污染物浓度空间分布和粒子运动轨迹，找寻最佳的气流组织； 下图表示在两种送
6、风方式下，人体左右对称的 7 个截面y=270、y=280、y=290、y=300、y=310、y=320 及 y=330 沿 X 轴方向，即教室长度方向上的污染物浓度变化。图中横坐标表示教室的长度（cm） ，纵坐标表示污染物浓度值（kg/m3） 。图（a）和（b）对比可以看出，混合通风情况下，污染源处浓度值约为 1.5e-07 kg/m3，随即被室内气流稀释，使得污染物在人体周围浓度分布较低，主要对污染源后排的学生产生影响，但污染物浓度都值低于 4.0e-08 kg/m3。置换通风由于流场的紊流强度低且流速小，因此室内的气流无法快速稀释开始时从人嘴中喷射出的粒子，因此污染物沿教室的长度和宽度
7、方向扩散开来，扩散长度主要范围在 x=300 到 600 之间，宽度在 y=270 到 330 之间。但是从污染物的运动轨迹来看，虽然置换通风情况下，位于污染源周围的学生所处区域浓度较大，但是污染物主要分布于离地高度 70cm 以下的区域，对人体呼吸区（离地高度约为 110cm）影响不大。 (a) 混合通风 (b) 置换通风 典型截面污染物浓度分布 我们进行的数值模拟分析比较了通风教室内，学生持续说话续散发的飞沫气溶胶颗粒污染物的浓度空间分布和粒子运动轨迹。以第一列第三排学生的嘴作为污染源，比较两种送风方式在典型截面上的的速度场、温度场、污染物浓度分布和粒子运动轨迹，找寻最佳的气流组织 3 结
8、论：（1）置换通风墙体拐角区域速度稍低于 0.1m/s，易在此区域形成死角。混合通风工作区温度分布比较均匀，能够很好的消除人体和窗户散热。置换通风人体周围温度较高，且墙体的拐角区域温度高，热量堆积不易散出。 （2）气流至下而上的低速度、低紊动流动的通风形式（如置换通风、地板送风）更易消除人体气溶胶颗粒，减小人员之间受感染的可能性。 （3）污染源的位置对污染物浓度分布和运动轨迹有重要影响。当污染源附近的流场较弱时，相同浓度阈值下，污染物传播距离较远。 参考文献：1中华人民共和国国务院,国家突发公共事件总体应急预案Z. 2006. 2史培军,刘婧,徐亚骏.区域综合公共安全管理模式及中国综合公共安全
9、管理对策A.自然灾害学报,2006,15（6）: 9-10. 3阚海东, 陈秉衡. 我国大气颗粒物暴露与人群健康效应的关系J.环境与健康杂志, 2002, 19(6): 422-424. 4 Elghobashi S. On predicting particle-laden turbulent flows.Applied Scientific Research, 1994, 52: 309 329 5 邓伟鹏，沈晋明，唐喜庆，沈德强.SARS 诊疗室内的气流分布优化研究J.建筑热能通风空调，2005,25（5）：5 【作者简介】高野 （1988）男 ，辽宁法库人 专业：供热、供燃气、通风及空调工程专业 江明志 （1988）男，辽宁沈阳人研究生在读 ，专业：供热、供燃气、通风及空调工程
