郵輪隔離住艙防疫通風布置研究

劉嘉誠,谷家揚,張忠宇,劉志松

(1.江蘇科技大學 海洋裝備研究院,江蘇 鎮江 212000;2.招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226121)

0 引言

受新冠疫情影響,郵輪作為供乘客休閑娛樂的大型豪華高技術船舶,其防疫系統的研發設計成為郵輪設計的關鍵任務[1]。由中國船級社發布的《船舶防疫安全指南》明確指出隔離房的空調布置應能有效避免病毒對居住區擴散傳染,隔離房通風布置不合理,將增大病毒傳播的風險。

CFD數值模擬能夠較為精確地仿真飛沫及顆粒物的擴散運動。ZHOU等[2]利用CFD方法研究了室內通風環境中的顆粒擴散,發現隨著入口速度和地板溫度的增加,沉積在底板上的顆粒物越少。王驍等[3]通過對大型艦船密閉艙室建立通風換氣數學模型,監測了通風換氣過程中艙室污染物濃度的變化情況,研究發現風口的布置是影響空間內污染物濃度的重要因素。HUANG等[4]通過數值仿真客船艙室門打開和關閉情況下患者咳嗽和說話的病毒顆粒運動情況,發現空調出口方向控制在向下15°內可有效限制病毒傳播。

本文以某2級防疫安全要求的豪華郵輪防疫住艙為研究對象,通過數值模擬分析不同通風方案對于病毒顆粒物消殺率的影響,研究4種典型的船舶住艙或隔離病房通風布置方案通風效果,并綜合考慮病毒消殺及郵輪設計建造的實際條件,提出一種切實可行的郵輪防疫住艙通風方案。

1 通風方案及控制方程

1.1 郵輪防疫住艙通風方案

本文選取了4種郵輪防疫住艙通風方案,見圖1[5-6]。防疫住艙長×寬×高為7.8 m×2.8 m×2.3 m,送風口進風包括回風口回風及新風?；仫L口(防疫)與進風口之間的風機盤管(Fan Coil Unit,FCU)安裝過濾器,病毒消殺率99%,FCU每個住艙獨立設置。排風口開在衛生間頂部,由風機抽到防疫風管后進行消殺,排風口(空調)在住艙用作防疫隔離艙時關閉。

圖1 郵輪防疫住艙通風方案

1.2 控制方程

本文采用連續相氣體流動和拉格朗日顆粒相耦合的方法進行病毒顆粒的仿真研究,湍流模型采用流體近壁仿真效果較好的SST K-Omega模型[7],運輸方程如下:

(1)

(2)

式中:μt為渦粘性;Sij為平均速度應變率張量;ρ為流體密度,kg/m3;k為湍流動能,J;其他常數α=0.556,β=0.09,β*=0.09,σ=0.5,σ*=0.5。

顆粒相采用拉格朗日多相模型。拉格朗日多相流模型能夠對離散顆粒的運動進行模擬和追蹤,單個顆粒的運動方程可表示為

(3)

式中:ρp為顆粒密度,kg/m3;ρg為氣相密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;up為顆粒相速率,m/s;ug為氣相速率,m/s;FD為流體對顆粒的曳力,N;Fx為除重力以外的其他力,包括壓力梯度力、虛擬質量力、用戶定義的力及庫侖力,N。

2 通風方案數值計算

2.1 網格劃分及無關性驗證

采用多面體網格對計算域進行網格劃分,在人口鼻處設置圓錐型噴射器,并對通風進、出口處進行網格加密。網格劃分后的計算域見圖2。

圖2 網格劃分后的計算域

為了盡可能節省計算資源,數值仿真之前需對計算域進行網格無關性驗證,以確定最適合該計算域的網格劃分方式。在計算域中選取一條垂直于住艙地面的垂直軸線,計算其速率,網格無關性驗證結果見圖3。從圖3中可以看出,隨著軸線高度的升高,氣流速度總體呈現上升趨勢但有一定波動。這是由于進、回風口都布置于住艙頂部,因此氣流在房間內呈環形流動,并且頂部氣體流動速度較快。采取網格數為83萬的劃分方式可以較為準確模擬氣流運動的同時保證計算量的合理性,因此后續仿真研究采用網格數為83萬的網格劃分方式。

圖3 網格無關性驗證

2.2 邊界條件設置

利用STAR CCM+軟件,對病毒顆粒進行非穩態仿真以研究不同通風方案單位時間內的病毒消殺率。仿真模型中病毒顆粒通過噴射器產生,呼吸條件下病毒顆粒的參數設定如下[8-9]:噴射器速度[0,0,0.3]m/s,質量流率1.31×10-14kg/s,顆粒直徑最小值0 μm、最大值2.5 μm、參考值0.5 μm,噴射作用時間4 s/次,動力粘度1.855×10-5Pa·s。

計算域邊界由墻壁、人體、送風口、回風口(防疫)、排風口、排風口(空調)及病毒顆粒組成,邊界條件設定見表1。由于本文旨在研究住艙通風布置方案對病毒顆粒運動的影響,故4種通風方案的邊界條件設置方法相同,只改變通風口布置位置。

表1 各通風方案邊界條件參數

按照郵輪住艙設計經驗,排風口的位置布置在衛生間艙頂,位置固定不變,氣體經排風管道排出后進行消殺處理。排風口(空調)在住艙用作防疫住艙時關閉,在仿真模型中按壁面處理。送風口進風包括回風口回風與新風,共計0.166 kg/s。

3 防疫通風布置方案分析

3.1 流場分析

首先對4種防疫住艙通風方案的氣流組織進行分析,探究不同通風方案下住艙氣體流動的均勻程度,進風口所在截面即X=0截面氣體速度矢量見圖4。

圖4 X=0截面處速度矢量圖(單位:m/s)

圖4(a)氣體從進風口進入住艙后垂直向下流動,到達地面后向四周擴散運動,該過程氣體流速較大。此方案下住艙氣流組織較為均勻,氣流平均速度為0.160 m/s。圖4(b)氣體流向與圖4(a)類似,但由于圖4(b)的回風口在艙室右側,因此從圖中可以明顯看出氣體流動偏向回風口的方向,使得右側衛生間內的氣體流動更加充分,氣體流動的整體效果好于圖4(a)上送上回的通風方案。此方案下艙室氣流平均速度為0.163 m/s。圖4(c)、圖4(d)氣體從進風口進入住艙之后,沿住艙頂部水平運動至衛生間墻壁后向下擴散運動。為了更直觀地對比分析2種側面送風方案的氣流組織,對回風口所在截面即X=-1.25截面處速度矢量進行分析,見圖5。

圖5 X=-1.25截面處速度矢量圖(單位:m/s)

圖5(a)中回風口布置在右側,因此衛生間內氣體流速較高,氣流組織更為均勻。該方案住艙內氣流平均速度為0.218 m/s。由圖5(b)可以看出,由于其回風口布置于左側,與進風口同側,因此氣體在到達衛生間墻壁后回流氣體較多,艙室底部氣體流速較大,造成衛生間內氣流量較小,故氣體流速較低。該方案住艙內氣流平均速度為0.212 m/s。

3.2 顆粒運動情況

為確保顆粒在防疫住艙內充分運動,設置仿真時間為3 000 s。防疫艙室部分顆粒的運動軌跡見圖6。圖6(a)受室內氣體流動影響,顆粒從噴射器噴出后整體向斜下方運動一段距離后顆粒開始分散。一部分顆粒向回風口及排風口方向運動,后經回風口或排風口排出;另一部分顆粒向住艙左側運動,到達壁面后消失,沒有經通風系統排出住艙。圖6(b)顆粒從噴射器噴出后,受上方進風口氣體流動影響,顆粒向斜下方運動一段距離后顆粒開始分散。由于該方案下回風口和排風口均在住艙右側,故大部分顆粒向右側運動,最后經回風口和排風口排出;向住艙左側運動的顆粒少于方案1。圖6(c)顆粒從噴射器噴出之后被氣流吹向右側。結合圖4(c)可得知,氣流從進風口到達右側衛生間壁面之后,由于氣體流速較大故存在大量氣體回流,因此也有一部分顆粒向住艙進風口所在方向回流,可是回風口與排風口均布置在住艙右側,使得顆粒在住艙內運動軌跡較長且更為雜亂。圖6(d)顆粒從噴射器噴出后的運動軌跡與圖6(c)通風方案基本一致,但由于回風口與進風口同側布置,故顆粒運動軌跡明顯短于圖6(c)通風方案。

對比分析圖6防疫住艙內顆粒運動軌跡,上側送風的通風方案顆粒運動軌跡明顯短于側面送風的通風方案,病毒顆粒經過更短的路程即可排出住艙。上側送風時,防疫住艙內顆粒運動軌跡集中在住艙右側即回風口一側,若將住艙門設置在左側墻壁,則可在必要的人員進出開門時有效減少病毒顆粒向防疫住艙外擴散。側面送風時,結合圖4住艙速度矢量圖可以看出,此時住艙內氣流組織從左側送風口向右側運動,且氣體流速明顯高于上側送風方案的氣體流速,因此若防疫住艙采用側面送風方案時,可以考慮將住艙門開在住艙前側或后側(圖6視角)以減少開門時顆粒擴散。

3.3 防疫效果

本文以顆粒消殺率來衡量防疫住艙不同通風方案的防疫效果。由于排風經風機抽至特定區域進行消殺并且回風也經過FCU中消殺裝置進行消殺,故顆粒消殺率為回風口(防疫)及排風口排出顆粒數之和與噴射器噴向住艙中顆?？倲档谋?。顆粒消殺率越高,說明該通風方案對病毒顆粒的排出及消殺效果越好。

4種通風布置方案的顆粒消殺率見圖7。

圖7 4種通風方案病毒顆粒消殺率

為使顆粒在住艙內充分運動,選取計算時間為3 000 s,驗證消除時間敏感性對顆粒消殺率的影響。由圖7可以看出2 500 s后顆粒消殺率基本趨于穩定。3 000 s時,方案4的防疫效果最佳,為78.3%;方案2次之,為77.7%;方案1為76.7%;方案3的防疫效果最差,為57.6%。

由于3 000 s時方案1、方案2及方案4的顆粒消殺率差別較小,因此分別統計回風口(防疫)及排風口3 000 s內的顆粒消殺率,以深入對比分析各防疫住艙通風布置方案的防疫效果,見圖8。由圖8可以看出,方案1、方案2和方案4各出口顆粒排除率總和相差不大,但排風口和回風口(防疫)的顆粒消殺率存在差異,其中,方案3的顆粒消殺率明顯低于其他3種方案,因此只對另外3種通風方案的防疫效果進行對比分析。對于排風口顆粒消殺率而言,方案2排風口顆粒消殺率最高,為28.7%;方案1次之,為22.8%;方案4最少,為21.4%。對于回風口(防疫)顆粒消殺率而言,方案4回風口顆粒消殺率最高,為56.8%;方案1次之,為54.1%;方案2最少,為49.2%。

圖8 4種通風方案各通風出口顆粒消殺率

當3種通風方案總體顆粒消殺率相差不大的前提下,排風口將病毒顆粒直接排出住艙進行集中消殺,而回風口(防疫)利用FCU中的消殺裝置進行消殺。對于防疫住艙的防疫效果而言,通過排風口直接將病毒顆粒排出住艙的消殺方式對病毒顆粒濃度的控制更為顯著。同時,衛生間作為防疫工作的重點及難點區域,3種通風方案排風口均布置在衛生間艙壁頂部,排風口顆粒消殺率高,代表衛生間內消殺效率高。

因此,對于本文研究對象來說,方案2的上送側回的通風方案為最佳通風布置方案。4種通風方案防疫效果相關參數見表2。

表2 4種通風布置方案防疫效果相關參數

4 結論

(1)由隔離住艙流場分析可知:上側送風的通風布置方案艙室內的氣流平均速度較低,因此病毒顆粒排出艙室的時間較晚,但氣流組織較為均勻;側面送風的通風布置方案氣流速度較快,故病毒顆粒能夠較早地排出住艙進行消殺,但是由于其氣流速度過快,使得一部分病毒顆粒吸附于住艙側面艙壁,大幅降低病毒顆粒消殺率。

(2)上送上回、上送側回及側送側回(同側)的通風布置方案在3 000 s后病毒顆粒消殺率可達到76.7%、77.7%及78.3%。在總體顆粒消殺率相差不大的前提下,應優先選取衛生間排風口顆粒消殺率較高的方案,即通風布置方案2的上送側回的通風方案。

(3)通過分析病毒顆粒運動軌跡,為郵輪防疫住艙艙門的布置位置提供了建議,同時發現當回風口與排風口布置在一側時,衛生間的氣流組織更為均勻并且其病毒消殺率也得到明顯提高。