苗 露, 石 硕

(山东建筑大学 热能工程学院, 山东 济南 250101)

1 概述

飞沫是当人咳嗽、打喷嚏,或将水转化为细雾时产生的颗粒状水分和固态微粒的混合态颗粒,粒径范围跨度很大。飞沫中大粒径颗粒速降后在空气中并不长期存在,但小粒径颗粒的液体蒸发后可转变成更小粒径的飞沫核,悬浮在空气中被视为气溶胶颗粒[1]。为方便阐述,本文不刻意区分飞沫、飞沫核、气溶胶颗粒等。

电梯具有封闭性、空间狭小、人员聚集的特点[2]。相对密闭的空间环境和通风不畅导致电梯空间残存有大量的污染物,一旦存在致病性飞沫气溶胶颗粒,电梯将是感染病毒的高风险公共场所[3-4]。

梅丹等人[5]针对厢式电梯10 s内咳嗽飞沫核的扩散进行了研究,对比不同通风方式下的颗粒扩散特征及浓度分布,发现四角通风方式能够较快地稀释空间的飞沫核浓度。张桉康等人[6]模拟了普通病房3种气流组织形式下的飞沫污染传播分布,发现采用上送下回的气流组织可降低病房人员交叉感染风险。汪新智等人[7]模拟了电梯轿厢不同飞沫颗粒喷射位置的颗粒扩散传播过程,结果发现,轿厢地面和面对感染源的轿厢壁面,容易形成病毒沉积。Zhu等人[8]通过流体力学方法,对公共汽车内飞沫颗粒运动轨迹进行研究,并分析了混合通风和置换通风下飞沫颗粒的排除效率。Zhang等人[9]研究了封闭空调房间飞沫颗粒的扩散特性,对比不同通风方案飞沫病毒的暴露风险,发现置换通风比混合通风的排污效果更优。Zhang等人[10]对高铁车厢内呼吸喷出的飞沫气溶胶进行了模拟研究,结果发现,当车厢前门至后门间有气流时,飞沫气溶胶的传播距离更远,乘客的感染风险增大。

本文采用数值模拟方法,以人体口腔作为气溶胶颗粒喷射源,研究分析在不同通风方式下电梯轿厢内气溶胶颗粒的弥散分布、通风方式净化能力。

2 计算模型

2.1 几何模型

以载质量为1 000 kg的客运电梯轿厢作为研究模型,电梯运行速度为1.5 m/s。选取乘坐电梯从基层到顶层匀速上行运行36 s作为研究过程。电梯轿厢x、y、z轴(见图1)方向尺寸为1.50 m×2.35 m×1.60 m,坐标原点落在电梯后壁面左下角交点处。电梯轿厢内只有1人。

图1 各通风方式送排风口布置(软件截图)

建立贴合人体实际外形的简化人体模型,人体模型站立于轿厢中心位置,简化后的人体模型高度为1.75 m。根据人体呼吸特性,人体模型的口腔形状近似为长方形,尺寸设定为0.01 m×0.02 m。口腔中心高度为1.65 m。选择人体未戴口罩交谈作为研究状态,气溶胶颗粒喷射源为人体口腔,人面朝电梯轿厢门。为方便分析,将电梯轿厢的6个内壁面分成顶棚、地面、壁面,其中壁面包括轿厢门。

2.2 通风方式

电梯轿厢分别采用自然、机械通风方式。通风方式1为自然通风方式,通风方式2～4均为机械通风方式。各通风方式送排风口布置见图1。通风方式1,轿厢顶棚左右两侧各设置6个均匀分布的自然送风孔(孔径0.01 m),送风孔中心均距轿厢边缘0.02 m。轿厢左右壁面底部中间位置分别设置1个排风口(尺寸为0.4 m×0.1 m)。通风方式1主要利用电梯运行过程中的自然风力,气流从顶部送风孔流入,从底部排风口排出。通风方式2,送风口设置在轿厢顶棚后侧中间位置,排风口设置在轿厢左壁面底部中间位置。通风方式3,送风口分别设置在轿厢顶棚左右两侧中间位置,排风口分别设置在左右壁面底部中间位置。通风方式4,两送风口沿轿厢顶棚3等分线分布,排风口分别设置在左右壁面底部中间位置。机械送风:送风口尺寸为0.50 m×0.08 m,排风口尺寸为0.4 m×0.1 m。

2.3 数学模型

电梯轿厢内的气流流态一般为湍流,RNGk-ε模型在预测主涡强度方面表现更好,能更好地处理流体旋转和旋流流动[11-12]。因此,使用RNGk-ε湍流模型对流场中的空气连续相进行模拟。数学模型控制方程包括质量方程、动量方程、能量方程、湍流耗散方程。

忽略气溶胶颗粒间的相互作用力,采用拉格朗日模型对离散的气溶胶颗粒进行独立追踪[13]。对比气溶胶颗粒运动所受作用力数量级可以发现,气溶胶颗粒所受曳力作用最明显,重力次之。此外,由于气溶胶颗粒与空间内气体存在一定温差,需考虑热泳力对颗粒的影响。因此,模拟电梯轿厢内气溶胶颗粒运动轨迹时,颗粒受力需考虑曳力、重力、热泳力。

3 网格划分及边界条件

3.1 网格划分

采用ICEM软件对电梯轿厢空间进行非结构化网格划分,在人体口腔及送、排风口附近区域进行网格加密。通风方式2的网格划分见图2。在误差允许范围内,考虑到计算机性能,为节约计算资源,网格数选取105 624。

图2 通风方式2的网格划分(软件截图)

3.2 模型设定

以人体口腔作为喷射源,向电梯喷射气溶胶颗粒,对模型进行以下设定:忽略电梯轿厢缝隙渗风量。忽略气溶胶颗粒的蒸发特性,气溶胶颗粒的粒径不变且液滴形态为球体。将颗粒设置为水颗粒。忽略飞沫气溶胶的吸入过程,仅研究气溶胶颗粒的运动扩散情况。忽略轿厢底部所受的压力波影响[14],设定电梯运行方向从基层到顶层匀速上行。

3.3 边界条件、初始条件

① 电梯轿厢与人体

电梯轿厢顶棚、地面、壁面均为恒温壁面(299 K),人体表面为恒温表面(304 K)。

为节约计算资源,简化说话过程,设定人体口腔在时间t=1 s时释放900个气溶胶颗粒,喷射方向沿z轴水平喷射。气溶胶颗粒的初速度为2.5 m/s,温度为306 K[15]。

② 通风方式

自然通风。顶部送风孔设定为速度入口,入口空气流速1.5 m/s,入口空气温度300 K。底部排风口设定为压力出口,出口压力为-10 Pa。

机械通风。顶部送风口设定为速度入口,入口空气流速2.5 m/s,入口空气温度294 K。底部排风口设定为压力出口,出口压力为-10 Pa。

③ 初始条件

电梯轿厢内空气温度为299 K。

3.4 模拟方法

采用Fluent软件进行非稳态计算,颗粒物采用DPM模型计算,湍流模型选择RNGk-ε模型计算。将送风孔、送风口、排风口对气溶胶颗粒的作用设定为逃逸边界条件(Escape),将电梯轿厢顶棚、地面、壁面以及人体表面对气溶胶颗粒作用设定为捕获边界条件(Trap)。采用SIMPLE算法,离散格式为二阶迎风格式,单时间步长内收敛残差低于1×10-6。

4 模拟结果与分析

4.1 气溶胶颗粒弥散分布

通风方式1～4不同时间颗粒粒径分布分别见图3～6。本文采用颗粒粒径分布表征气溶胶颗粒的弥散情况。颗粒粒径较大时,表征较多数量的气溶胶颗粒积聚在一处,呈团状。

图3 通风方式1不同时间颗粒粒径分布(软件截图)

由图3可知:对于通风方式1,1.2～4.0 s内,由于人体温度高于环境温度,产生热羽流现象,气溶胶颗粒随热羽流向上运动,呈现聚团状。9～18 s内,气溶胶颗粒逐渐由轿厢顶部下行至人体正前方,人体呼吸区气溶胶颗粒浓度增大。36 s时,气溶胶颗粒弥散范围扩大,但气溶胶颗粒的团状情况仍比较明显。

由图4可知:对于通风方式2,1.2～4.0 s内,热羽流携带气溶胶颗粒向上运动,积聚在电梯轿厢顶部前侧。9～18 s内,气溶胶颗粒由上至下扩散。18 s时,气溶胶颗粒主要分布在人体后侧,受轿厢顶部后侧送风作用明显。36 s时,气溶胶颗粒扩散至整个轿厢空间。

图4 通风方式2不同时间颗粒粒径分布(软件截图)

由图5可知:对于通风方式3,1.2～4.0 s内,热羽流携带气溶胶颗粒向上运动,积聚在电梯轿厢顶部前侧。9～18 s内,气溶胶颗粒由上至下扩散。18 s时,气溶胶颗粒主要分布在人体两侧,受轿厢顶部左右两侧送风作用明显。36 s时,气溶胶颗粒扩散至整个轿厢空间。

图5 通风方式3不同时间颗粒粒径分布(软件截图)

由图6可知:对于通风方式4,气溶胶颗粒喷出后,受顶部中间送风气流作用明显,送风气流可穿透热羽流。4 s时,气溶胶颗粒并未在轿厢空间上部积聚,而是分布在轿厢底部。在轿厢顶部中间送风气流的作用下,9～18 s内,气溶胶颗粒的扩散程度明显。36 s时,大部分气溶胶颗粒在通风气流作用下排出电梯轿厢。

图6 通风方式4不同时间颗粒粒径分布(软件截图)

4.2 通风方式净化能力

36 s时电梯轿厢气溶胶颗粒残存率见表1。气溶胶颗粒残存率为某时电梯轿厢悬浮气溶胶颗粒数量(不含被各种表面捕获数量)比初始总释放气溶胶颗粒数量(900个)。由表1可知,通风方式1在36 s时的气溶胶颗粒残存率为100%,说明自然通风无法及时有效排出电梯轿厢内的气溶胶颗粒。在自然通风条件下的电梯轿厢内,未佩戴口罩交谈所引起的病毒气溶胶颗粒传播感染风险极大。因此,通风方式1不可取。

表1 36 s时电梯轿厢气溶胶颗粒残存率

36 s时通风方式2～4气溶胶颗粒捕获率见表2。气溶胶颗粒捕获率为某时被电梯轿厢顶棚、地面、壁面以及人体表面捕获的气溶胶颗粒数量比初始总释放气溶胶颗粒数量。由表2可知,通风方式3的气溶胶颗粒捕获率最大,通风方式4的气溶胶颗粒捕获率最小。由表1、2可知,与通风方式2相比,虽然36 s时通风方式3的气溶胶颗粒残存率比较低,但气溶胶颗粒捕获率更高,说明通风方式3下发生病毒接触式感染风险更高。在机械通风方式中,通风方式4各表面气溶胶颗粒捕获率最低,发生病毒接触式感染风险最低。

表2 36 s时通风方式2～4气溶胶颗粒捕获率

通风方式2～4电梯轿厢悬浮气溶胶颗粒数量随时间的变化见图7。由图7可知,在1 s时气溶胶颗粒数量达到峰值(900个)。通风方式2～4电梯轿厢气溶胶颗粒悬浮数量均随时间延续而减少。相同时间,通风方式4电梯轿厢气溶胶颗粒悬浮数量最少。

图7 通风方式2～4电梯轿厢悬浮气溶胶颗粒数量随时间变化

对于通风方式4,送风气流从顶部中间位置送入,下行气流对整个空间气溶胶颗粒的运动控制作用明显,绝大多数气溶胶颗粒被输送至排风口排出,36 s时气溶胶颗粒残存率仅为17.9%,很少有气溶胶颗粒附着在电梯轿厢各表面及人体表面。通风方式4的病毒气溶胶颗粒传播与病毒接触式感染风险均小于其他通风方式,通风净化能力理想。

5 结束语

① 自然通风无法及时有效排出电梯轿厢内的气溶胶颗粒。

② 与通风方式2相比,通风方式3发生病毒接触式感染风险更高。

③ 通风方式4的病毒气溶胶颗粒传播与病毒接触式感染风险均小于其他通风方式,通风净化能力理想。