2019年至今，新型冠状病毒肺炎疫情(COVID-19)大规模流行[1]，医疗机构内医护人员面临着很高的感染风险．新型冠状病毒主要通过呼吸道飞沫(直径大于5~10 μm)和直接接触在人与人之间传播[2-4]；同时，飞沫蒸发后的气溶胶颗粒因粒径较小，能随空气气流移动，从而可能造成新冠病毒通过气溶胶(直径小于5 μm)传播[5-6]．另一方面，隔离病房是治疗新冠肺炎患者的重要场合．文献[7]研究表明，病房的通风策略与病毒传播间存在一定关联．由于隔离病房空间有限，且新型冠状病毒传染性强，患者治疗过程中可能导致医护人员被感染，因此隔离病房的通风策略必须尽可能降低感染风险．这类房间的空调设计方法较为特殊[8]，比如病房内须呈负压状态，以避免被污染的空气向其他洁净空间扩散；尽可能减少病人呼出的气体进入其他人的呼吸区等．常见的病房气流组织形式包括混合通风、置换通风和孔板通风等．学者们针对这些不同的气流组织形式下气溶胶颗粒物的传播特性开展了一些研究．例如，文献[9]探讨了三种混合通风(同侧上送上回、同侧上送下回、对侧上送下回)和置换通风对气溶胶传播的影响，发现置换通风能减小人员感染风险．文献[10]也报道过类似的结果．文献[11]利用试验和数值模拟方法，发现置换通风和混合通风对污染物的排除能力接近，但置换通风可使室内温度分布更加均匀．文献[12]通过试验对地板送风、置换通风和混合通风进行了研究，发现地板送风和置换通风比混合通风室内温度分层更明显．文献[13]对置换通风和混合通风进行了模拟，发现当污染物在呼吸区域下方时，置换通风可以更有效地去除污染物．文献[14]通过模拟发现对于置换通风房间，若垂直温差过大，则气溶胶可能会长时间停留在呼吸区域．文献[15]通过示踪气体试验，发现在置换通风情况下室内会形成污染水平较高的局部区域．文献[16]采用示踪气体试验发现上回风比下回风更有利于去除气溶胶．文献[17-18]利用数值模拟，发现孔板通风可以使室内的气流分布更均匀．文献[19]通过模拟发现孔板通风比混合通风能更加有效地排出污染物．上述研究表明：气流组织对室内气溶胶颗粒浓度分布影响较大，合理的气流组织能降低室内颗粒物的悬浮量．然而，针对将孔板通风策略应用于隔离病房，并在该策略下的病房气流组织及气溶胶扩散特征的研究相对较少，值得进一步的研究和评估．基于上述目的，本研究首先对比分析了混合通风和孔板通风两种策略下病房内的流场、温度场及颗粒物浓度分布等；随后探讨了孔板开孔率及颗粒物粒径对于孔板通风条件下的病房颗粒物排出效率的影响．1 研究对象本文研究对象为如图 1所示负压病房，该病房尺寸为6 m×3 m×3 m．门尺寸为1 m×2 m，窗尺寸为0.8 m×0.8 m．隔离病房内设置两个床位，尺寸为1.9 m×0.8 m×0.6 m．送风量为500 m3/h、排风量为600 m3/h，由门窗缝隙渗入风量为100 m3/h．为了简化模型，本研究中门窗缝隙的宽度设为2 mm，将人体适当简化，身高为1.7 m，人体表面积为2.15 m2，人嘴简化为边长等于 0.01 m的正方形．10.13245/j.hust.221003.F001图 1不同送风方式几何模型示意图当采用混合通风时，如图1(a)所示，送风口布置在病房中央尺寸为0.5 m×0.5 m；回风口布置在病床头部下侧，距地面100 mm处，尺寸为0.2 m×0.2 m．当采用孔板通风时，病房外送风口、排风口尺寸与混合通风时一致，但虚在病房距离房顶0.2 m处增设多孔板，多孔板采取均匀布孔的方式，开孔直径为6 mm，厚度为0.02 m，长宽分别为6和3 m，如图1(b)所示．2 研究方法2.1　数值模型本研究采用ANSYS Fluent v19.2求解流体流动及颗粒物运动方程．空气假设为不可压缩理想气体，利用 boussinesq 假设计算由温度梯度引起的自然对流．为探讨颗粒物的扩散特性，本研究采用离散相与连续相单相耦合的非稳态计算方法，即不考虑两相流中颗粒物对于气流的影响，只考虑气流对于颗粒物的影响．对于连续相，采用RNG(重整化群) k-ε模型耦合增强型壁面函数来模拟湍流流动；对于离散相，采用基于欧拉-拉格朗日方法的 DPM(离散相模型)模型模拟气溶胶颗粒的运动及与流动的耦合作用，利用随机游走模型追踪颗粒物的运动轨迹．为简化模型，本研究利用多孔介质模型代替多孔板，即将多孔板设为多孔介质流体区域．当模拟时，将多孔介质的阻力系数设定为多孔板阻力系数．根据文献[20]对多孔板阻力系数的研究，空气通过不同开孔率(β)的多孔板(开孔直径为6 mm、均匀布孔)的阻力系数(C)可表示为C=1.16β-2.03/Δn，(1)式中Δn为孔板厚度．本研究在模拟中，通过调节多孔介质的惯性系数得到对应多孔板不同的开孔率(0.1~0.5)．2.2　计算域和网格本研究使用 ICEM CFD 软件对两种送风策略的病房模型进行网格划分．在速度和组分梯度较大的区域，如人体周围、口腔附近、近壁区等，进行网格加密．特别是对于孔板通风方式，还须在多孔介质区域进行加密．本研究以混合送风工况为例进行网格独立性验证，划分了50万、150万、282万三种数量的网格，选择两位病人嘴部的中心位置作为统计测线，该测线处的速度和温度随高度的分布如图 2所示．由图 2可知：当网格数量从150万增加到282万时，该测线处的速度和温度分布基本不发生变化．在计算资源充足的条件下，本研究为了能够得到更清晰的病房内流场和温度场分布，选择将病房的网格数量划分为282万．孔板送风情形下的网格独立性验证与之类似．10.13245/j.hust.221003.F002图 2网格独立性验证在完成网格独立性验证后，可确定混合通风及孔板通风模式下的网格数量分别为282万、349万，如图3所示．10.13245/j.hust.221003.F003图 3两种送风方式网格示意图2.3　边界条件与模拟工况本研究将通过如表 1所示6种工况研究送风策略、颗粒物粒径、孔板开孔率对病房内流动及颗粒物扩散特征的影响．10.13245/j.hust.221003.T001表 1模拟工况工况编号送风形式开孔率颗粒物粒径/μm1混合通风—52混合通风—203孔板通风0.554孔板通风0.255孔板通风0.156孔板通风0.120根据文献[21]的研究结果可知呼吸行为产生的气溶胶颗粒的粒径主要分布在1~100 μm之间．气溶胶颗粒物从人体喷出后，将发生蒸发、扩散，但是在常见的室内温湿度场和气流场下，20~80 μm的液滴蒸发成为5~20 μm的液滴核只需数秒，因此本研究忽略了气溶胶颗粒物的蒸发过程对于扩散的影响，选择5和20 μm的气溶胶颗粒物作为研究对象．病房四周墙壁、门窗、天花板设为恒温壁面，温度分别为25，25，30 ℃；送风口、门窗缝隙、人嘴采用速度入口，三者的风速分别为0.556，0.148，1.4 m/s，而温度分别为22，28，28 ℃；排风口采用自由出流边界条件．因为颗粒粒径小，可认为颗粒到达壁面时即被捕捉，因此壁面设定为trap(捕获)条件．人体散热采用恒热流密度．根据规范[22]，当室温为24 ℃时，一名成年男子静坐时的散热量为108 W，人体热流为50 W/m2．颗粒物粒径为5和20 μm，密度为1 000 kg/m3．颗粒物由0 s开始释放，释放时间步长为0.01 s，每秒释放200个颗粒团(继续增加颗粒释放量对结果影响不大)，且未考虑颗粒间聚并、变形等效应．除压力项采用交错压力(pressure staggering option，PRESIO)离散格式外，其余各控制方程采用二阶迎风格式来进行离散，采用Couple算法来求解压力-速度耦合．模拟的收敛标准包括两方面：能量及其方程的残差分别为１×10-6和１×10-4；出口处的温度、速度基本不随迭代发生变化，即变化幅度小于±1 ℃，±0.1 m/s．3 数值模型验证为校验所选的数值模型的准确性，本研究利用文献[23-24]的试验数据，分别验证流动模型及颗粒物扩散模型．3.1　流场和温度场验证文献[23]采用的几何模型如图4所示，图5为线１处模拟结果与试验结果对比．图4计算域为一个边长为2.44 m的立方体，内部有一700 W的热源，尺寸为1.22 m×1.22 m×1.22 m，该热源表面温度为36.7 ℃．送风口位于靠近天花板的左墙，尺寸为2.44 m×0.03 m，体积流量和温度分别为0.1 m3/s和22.2 ℃；出口位于对面墙壁下缘，尺寸为2.44 m×0.08 m，其他详细试验条件参见文献[23]．试验间各壁面为绝热壁面，其他流动及模拟条件与第2节保持一致．10.13245/j.hust.221003.F004图 4流动及加热几何模型10.13245/j.hust.221003.F005图 5线1处模拟结果与试验结果对比在线1处的模拟与试验结果对比如图5所示，纵坐标均为房间相对高度，图中：Y为测点纵坐标；L=2.44 m为房间高度；U为测点流速，最大值Umax=1.5 m/s；k为测点湍动能，最大值kmax=0.05 m2/s2；t为测点温度，最大值tmax=36.7 ℃，最小值tmin=22.2 ℃．对于速度分布，在地板附近模拟结果与试验结果略有偏差，在房间中上部模拟结果与试验结果很好地符合．对于湍动能分布，在地板和天花板附近，本研究及文献的模拟结果均与试验结果略有偏差，而其他位置符合较好．对于温度分布，模拟与试验结果符合较好．总体而言，本研究所采用的数值模型能较好地抓住室内流动与温度分布特征，因此可用于流动和热态模拟研究．3.2　颗粒物扩散验证文献[24]采用的几何模型如图6所示，尺寸为4.8 m×4.8 m×2.6 m，从天花板向地板的单向向下流动风速为0.1 m/s，温度为21 ℃．颗粒物注入点位于房间中心，距地面0.8 m，颗粒物粒径为87.5 和137.5 μm．气溶胶颗粒垂直向上以10 m /s的速度喷射，喷射时间为1 s，采用压缩空气作为载气．空气流量为0.4 l/s．其他详细试验条件参见文献[24]．本研究采用非稳态模拟气溶胶颗粒的扩散过程，时间步长为0.001 s．试验间各壁面为绝热壁面，其他流动、颗粒物模型、模拟条件与第2节保持一致．10.13245/j.hust.221003.F006图 6单向向下的流动及颗粒物喷射几何模型图7为模拟结果与试验数据的液滴位置对比，可以看出：在0.1~0.3 s的时间内，模拟得到的颗粒物平均高度比试验数据略微偏低，但在之后的时间里模拟结果与试验结果符合较好，因此本研究采用的颗粒物模型能较好地模拟气溶胶颗粒物扩散特征．10.13245/j.hust.221003.F007图 7单向向下流颗粒平均高度4 结果讨论4.1　混合及孔板通风策略的影响4.1.1　流场图8分别展示了混合通风(工况1)及孔板通风(开孔率为0.1，工况5)时的病房内流场．由图 8(a)可知：当采用混合通风时，冷空气从送风口进入病房后，几乎可到达房间底部，随后向周围扩散．病房内送风口下方风速较大，风速衰减较慢，基本在0.4~0.5 m/s之间；病房地面附近空气流速在0.3~0.4 m/s之间，除此以外的病房大部分区域风速都较低，在0.0~0.1 m/s之间．由于病人的体温高于周围空气温度，因此病人表面存在上升的热羽流，最高速度约为0.1 m/s．病人呼吸产生的热射流从嘴部喷出，在周围气流的影响下速度衰减较快．门窗的渗透风对病房内流场影响不大．病床下部由于回风口的存在，因此风速较高，在0.3~0.5 m/s之间．10.13245/j.hust.221003.F008图 8工况1和工况5下病房内的流场对比由图8(b)可知：当采用孔板通风时，病房内流场相比于混合通风变化明显．因孔板的阻力作用，冷空气从送风口出来后，不能直接进入室内，而是经孔板较为缓慢向下，病房内大部分区域风速都在0.1~0.2 m/s之间．在此送风形式下，因为冷空气是从病房顶部缓慢下落，所以病人表面的热羽流不明显，且病人嘴部的射流也受到了一定程度的抑制，相比混合通风速度衰减得更快．同样地，因病床下部存在回风口，故该区域的风速较高，在0.3~0.5 m/s之间．4.1.2　温度场分析图9分别展示了工况1及工况5时的病房内温度场．由图9(a)可知：当采用混合通风时，冷空气可以到达病房底部，病房内的温度分层较为明显．温度分布整体呈下地上高趋势，即顶部温度较高，在26~28 ℃之间，而底部温度较低，在22~24 ℃之间．10.13245/j.hust.221003.F009图 9工况1和工况5下病房内的温度场对比由图9(b)可知：当采用开孔率为0.1的孔板通风时，冷空气从送风口进入孔板与天花板空腔，之后再穿过多孔板到达病房，因此空腔内空气温度较低，温度在22~24 ℃之间，而房间内温度几乎都在24~26 ℃之间．图9表明：相比混合通风，孔板通风策略下，房间内的温度分布更均匀．4.1.3　颗粒物浓度分析图10展示了当达到稳态后，混合通风及孔板通风策略下的病房内气溶胶颗粒物浓度分布．由图可知：在混合通风下，气溶胶颗粒物从人嘴呼出后，先向上扩散，然后再水平逐渐扩散至整个病房，因此整个病房的气溶胶颗粒物浓度均较高，且在病人头部上方区域气溶胶颗粒物浓度最高．当采取孔板通风时，气溶胶颗粒物的扩散范围明显缩小，主要集中在人体头部上方区域，病房其他区域气溶胶颗粒物浓度明显降低．这表明：当采取孔板送风时，室内悬浮气溶胶颗粒物的浓度降低了，可推测气溶胶颗粒物的排除速度相比于混合通风时加快；因此，排除效率更高，更有利于降低医护人员的交叉感染风险．10.13245/j.hust.221003.F010图 10工况1和工况5下病房内的颗粒物浓度场4.1.4　颗粒物轨迹分析工况1及工况5下的病房内气溶胶颗粒物轨迹如图 11所示，由图可知：在混合通风下，气溶胶颗粒物从人嘴呼出后，是呈向上及水平扩散态势，逐渐扩散到整个病房，最后整个病房几乎充满气溶胶颗粒物．病人头部上方区域有较多气溶胶颗粒聚集．随着时间推移，病房内气溶胶颗粒物的逐渐达到稳态，存在大量颗粒物悬浮．10.13245/j.hust.221003.F011图 11工况1和工况5下病房内的颗粒物扩散轨迹对比当采取多孔板通风时，与混合通风相比，气溶胶颗粒物的扩散范围明显缩小，气溶胶颗粒物主要集中在人体头部上方区域，其他区域气溶胶颗粒物较少．随着时间推移，大部分气溶胶颗粒物都被吸附在墙壁或者排出病房，因此病房内悬浮的颗粒物数量明显降低．这再次表明采取多孔板送风可抑制房间内颗粒物的扩散及悬浮．4.2　颗粒物粒径的影响图 12表示病房内颗粒物数量随时间的变化情况，由图可知不论采用混合通风或孔板通风，不同粒径的颗粒物随时间的变化规律基本一致，即房间内的颗粒物浓度/数量最终将达到稳态，不再变化．不论在哪种送风形式下，相比小粒径(5 μm)的颗粒物，大粒径的颗粒物(20 μm)达到稳态的时间更短，并且最终病房内的悬浮颗粒物数量更少．10.13245/j.hust.221003.F012图 12颗粒物粒径对去除率的影响当达到稳态以后，可统计病房各表面的气溶胶沉积、排出与悬浮比例(各统计量与当前时刻释放的颗粒物总数之比)，结果如表 2所示．通过对比工况1和2可知：小粒径颗粒物落在天花板、外门、外墙和外窗的比例要高于大粒径的颗粒物，而大粒径的颗粒物更多地落在地板、病床和病人上，且通过回风口排出和最终悬浮在室内的小粒径颗粒物也要多于大粒径的颗粒物．这主要是由于小粒径颗粒更容易受到气流影响到达室内的各个位置并悬浮于病房内，而大粒径颗粒则受重力影响快速沉积，不易扩散．这一现象在孔板通风时也是类似的．10.13245/j.hust.221003.T002表2病房各表面的气溶胶沉积、排出与悬浮占比气溶胶状态工况1工况2工况5工况6沉积天花板0.440.002.350.07外门0.220.080.300.11地板7.9024.5114.8034.80病人2.5410.762.953.36外墙8.616.248.105.68病床5.377.995.126.83外窗0.140.010.040.01排出45.9038.0751.6841.32悬浮28.8812.3514.657.83%此外，对比工况1和5可知：当采用孔板通风时，室内悬浮颗粒物的浓度更低，且排出效率更高．换言之，混合通风下，悬浮比例为28.88%、排出比例为45.90%，而孔板通风下，悬浮浓度则仅为14.65%、排出比例为51.68%．这表明：孔板通风更易排出室内颗粒物，使室内悬浮浓度更低，进一步验证了之前的推断．4.3　开孔率的影响为研究在孔板通风时的孔板开孔率(0.5，0.3，0.1)对病房内气溶胶颗粒物扩散的影响，图13展示了工况3~5病房内气溶胶颗粒物数量随时间的变化．该图表明：随着时间变化，病房内气溶胶颗粒物数量最终将达到动态平衡稳态．在稳态下，室内气溶胶颗粒物的数量多少将表征不同开孔率的孔板通风对气溶胶颗粒物去除能力的高低．换言之，数量越高，则排除能力越弱．10.13245/j.hust.221003.F013图 13开孔率对去除率的影响通过图 13可以看出：当送风孔板的开孔率不同时，达到平衡的时间也不同，即开孔率越小，病房内气溶胶颗粒物数量达到平衡的时间较短；此外，随着开孔率的减小，病房内最终悬浮的气溶胶颗粒物数量逐渐减少，这说明减小开孔率可以加快颗粒的沉积和排出．这说明，当采用孔板通风策略时，减小开孔率可以加速将气溶胶颗粒物排出房间，减少颗粒物在室内的传播路径，降低交叉感染风险．5 结论a. 相比于混合通风，当病房采用孔板通风策略时，病房内的流场、温度场分布更加均匀；b. 相比于混合通风，当采取孔板通风策略时，气溶胶颗粒物的排出速度更快，使得室内悬浮颗粒物数量更少，因此能有效降低医护人员通过病房空气形成交叉感染的风险；c. 小粒径颗粒物更容易受到流场影响，因此更容易在病房内悬浮，而大粒径的颗粒物更容易沉在地面和病床上；d. 采取孔板通风策略时，当开孔率从0.5降低到0.1时，颗粒的沉积和排出速率加快，空气中的悬浮颗粒物比例也随之降低．