電梯轎廂氣溶膠顆粒傳播特性及通風凈化分析

苗 露, 石 碩

(山東建筑大學 熱能工程學院, 山東 濟南 250101)

1 概述

飛沫是當人咳嗽、打噴嚏,或將水轉化為細霧時產生的顆粒狀水分和固態微粒的混合態顆粒,粒徑范圍跨度很大。飛沫中大粒徑顆粒速降后在空氣中并不長期存在,但小粒徑顆粒的液體蒸發后可轉變成更小粒徑的飛沫核,懸浮在空氣中被視為氣溶膠顆粒[1]。為方便闡述,本文不刻意區分飛沫、飛沫核、氣溶膠顆粒等。

電梯具有封閉性、空間狹小、人員聚集的特點[2]。相對密閉的空間環境和通風不暢導致電梯空間殘存有大量的污染物,一旦存在致病性飛沫氣溶膠顆粒,電梯將是感染病毒的高風險公共場所[3-4]。

梅丹等人[5]針對廂式電梯10 s內咳嗽飛沫核的擴散進行了研究,對比不同通風方式下的顆粒擴散特征及濃度分布,發現四角通風方式能夠較快地稀釋空間的飛沫核濃度。張桉康等人[6]模擬了普通病房3種氣流組織形式下的飛沫污染傳播分布,發現采用上送下回的氣流組織可降低病房人員交叉感染風險。汪新智等人[7]模擬了電梯轎廂不同飛沫顆粒噴射位置的顆粒擴散傳播過程,結果發現,轎廂地面和面對感染源的轎廂壁面,容易形成病毒沉積。Zhu等人[8]通過流體力學方法,對公共汽車內飛沫顆粒運動軌跡進行研究,并分析了混合通風和置換通風下飛沫顆粒的排除效率。Zhang等人[9]研究了封閉空調房間飛沫顆粒的擴散特性,對比不同通風方案飛沫病毒的暴露風險,發現置換通風比混合通風的排污效果更優。Zhang等人[10]對高鐵車廂內呼吸噴出的飛沫氣溶膠進行了模擬研究,結果發現,當車廂前門至后門間有氣流時,飛沫氣溶膠的傳播距離更遠,乘客的感染風險增大。

本文采用數值模擬方法,以人體口腔作為氣溶膠顆粒噴射源,研究分析在不同通風方式下電梯轎廂內氣溶膠顆粒的彌散分布、通風方式凈化能力。

2 計算模型

2.1 幾何模型

以載質量為1 000 kg的客運電梯轎廂作為研究模型,電梯運行速度為1.5 m/s。選取乘坐電梯從基層到頂層勻速上行運行36 s作為研究過程。電梯轎廂x、y、z軸(見圖1)方向尺寸為1.50 m×2.35 m×1.60 m,坐標原點落在電梯后壁面左下角交點處。電梯轎廂內只有1人。

圖1 各通風方式送排風口布置(軟件截圖)

建立貼合人體實際外形的簡化人體模型,人體模型站立于轎廂中心位置,簡化后的人體模型高度為1.75 m。根據人體呼吸特性,人體模型的口腔形狀近似為長方形,尺寸設定為0.01 m×0.02 m?？谇恢行母叨葹?.65 m。選擇人體未戴口罩交談作為研究狀態,氣溶膠顆粒噴射源為人體口腔,人面朝電梯轎廂門。為方便分析,將電梯轎廂的6個內壁面分成頂棚、地面、壁面,其中壁面包括轎廂門。

2.2 通風方式

電梯轎廂分別采用自然、機械通風方式。通風方式1為自然通風方式,通風方式2～4均為機械通風方式。各通風方式送排風口布置見圖1。通風方式1,轎廂頂棚左右兩側各設置6個均勻分布的自然送風孔(孔徑0.01 m),送風孔中心均距轎廂邊緣0.02 m。轎廂左右壁面底部中間位置分別設置1個排風口(尺寸為0.4 m×0.1 m)。通風方式1主要利用電梯運行過程中的自然風力,氣流從頂部送風孔流入,從底部排風口排出。通風方式2,送風口設置在轎廂頂棚后側中間位置,排風口設置在轎廂左壁面底部中間位置。通風方式3,送風口分別設置在轎廂頂棚左右兩側中間位置,排風口分別設置在左右壁面底部中間位置。通風方式4,兩送風口沿轎廂頂棚3等分線分布,排風口分別設置在左右壁面底部中間位置。機械送風:送風口尺寸為0.50 m×0.08 m,排風口尺寸為0.4 m×0.1 m。

2.3 數學模型

電梯轎廂內的氣流流態一般為湍流,RNGk-ε模型在預測主渦強度方面表現更好,能更好地處理流體旋轉和旋流流動[11-12]。因此,使用RNGk-ε湍流模型對流場中的空氣連續相進行模擬。數學模型控制方程包括質量方程、動量方程、能量方程、湍流耗散方程。

忽略氣溶膠顆粒間的相互作用力,采用拉格朗日模型對離散的氣溶膠顆粒進行獨立追蹤[13]。對比氣溶膠顆粒運動所受作用力數量級可以發現,氣溶膠顆粒所受曳力作用最明顯,重力次之。此外,由于氣溶膠顆粒與空間內氣體存在一定溫差,需考慮熱泳力對顆粒的影響。因此,模擬電梯轎廂內氣溶膠顆粒運動軌跡時,顆粒受力需考慮曳力、重力、熱泳力。

3 網格劃分及邊界條件

3.1 網格劃分

采用ICEM軟件對電梯轎廂空間進行非結構化網格劃分,在人體口腔及送、排風口附近區域進行網格加密。通風方式2的網格劃分見圖2。在誤差允許范圍內,考慮到計算機性能,為節約計算資源,網格數選取105 624。

圖2 通風方式2的網格劃分(軟件截圖)

3.2 模型設定

以人體口腔作為噴射源,向電梯噴射氣溶膠顆粒,對模型進行以下設定:忽略電梯轎廂縫隙滲風量。忽略氣溶膠顆粒的蒸發特性,氣溶膠顆粒的粒徑不變且液滴形態為球體。將顆粒設置為水顆粒。忽略飛沫氣溶膠的吸入過程,僅研究氣溶膠顆粒的運動擴散情況。忽略轎廂底部所受的壓力波影響[14],設定電梯運行方向從基層到頂層勻速上行。

3.3 邊界條件、初始條件

① 電梯轎廂與人體

電梯轎廂頂棚、地面、壁面均為恒溫壁面(299 K),人體表面為恒溫表面(304 K)。

為節約計算資源,簡化說話過程,設定人體口腔在時間t=1 s時釋放900個氣溶膠顆粒,噴射方向沿z軸水平噴射。氣溶膠顆粒的初速度為2.5 m/s,溫度為306 K[15]。

② 通風方式

自然通風。頂部送風孔設定為速度入口,入口空氣流速1.5 m/s,入口空氣溫度300 K。底部排風口設定為壓力出口,出口壓力為-10 Pa。

機械通風。頂部送風口設定為速度入口,入口空氣流速2.5 m/s,入口空氣溫度294 K。底部排風口設定為壓力出口,出口壓力為-10 Pa。

③ 初始條件

電梯轎廂內空氣溫度為299 K。

3.4 模擬方法

采用Fluent軟件進行非穩態計算,顆粒物采用DPM模型計算,湍流模型選擇RNGk-ε模型計算。將送風孔、送風口、排風口對氣溶膠顆粒的作用設定為逃逸邊界條件(Escape),將電梯轎廂頂棚、地面、壁面以及人體表面對氣溶膠顆粒作用設定為捕獲邊界條件(Trap)。采用SIMPLE算法,離散格式為二階迎風格式,單時間步長內收斂殘差低于1×10-6。

4 模擬結果與分析

4.1 氣溶膠顆粒彌散分布

通風方式1～4不同時間顆粒粒徑分布分別見圖3～6。本文采用顆粒粒徑分布表征氣溶膠顆粒的彌散情況。顆粒粒徑較大時,表征較多數量的氣溶膠顆粒積聚在一處,呈團狀。

圖3 通風方式1不同時間顆粒粒徑分布(軟件截圖)

由圖3可知:對于通風方式1,1.2～4.0 s內,由于人體溫度高于環境溫度,產生熱羽流現象,氣溶膠顆粒隨熱羽流向上運動,呈現聚團狀。9～18 s內,氣溶膠顆粒逐漸由轎廂頂部下行至人體正前方,人體呼吸區氣溶膠顆粒濃度增大。36 s時,氣溶膠顆粒彌散范圍擴大,但氣溶膠顆粒的團狀情況仍比較明顯。

由圖4可知:對于通風方式2,1.2～4.0 s內,熱羽流攜帶氣溶膠顆粒向上運動,積聚在電梯轎廂頂部前側。9～18 s內,氣溶膠顆粒由上至下擴散。18 s時,氣溶膠顆粒主要分布在人體后側,受轎廂頂部后側送風作用明顯。36 s時,氣溶膠顆粒擴散至整個轎廂空間。

圖4 通風方式2不同時間顆粒粒徑分布(軟件截圖)

由圖5可知:對于通風方式3,1.2～4.0 s內,熱羽流攜帶氣溶膠顆粒向上運動,積聚在電梯轎廂頂部前側。9～18 s內,氣溶膠顆粒由上至下擴散。18 s時,氣溶膠顆粒主要分布在人體兩側,受轎廂頂部左右兩側送風作用明顯。36 s時,氣溶膠顆粒擴散至整個轎廂空間。

圖5 通風方式3不同時間顆粒粒徑分布(軟件截圖)

由圖6可知:對于通風方式4,氣溶膠顆粒噴出后,受頂部中間送風氣流作用明顯,送風氣流可穿透熱羽流。4 s時,氣溶膠顆粒并未在轎廂空間上部積聚,而是分布在轎廂底部。在轎廂頂部中間送風氣流的作用下,9～18 s內,氣溶膠顆粒的擴散程度明顯。36 s時,大部分氣溶膠顆粒在通風氣流作用下排出電梯轎廂。

圖6 通風方式4不同時間顆粒粒徑分布(軟件截圖)

4.2 通風方式凈化能力

36 s時電梯轎廂氣溶膠顆粒殘存率見表1。氣溶膠顆粒殘存率為某時電梯轎廂懸浮氣溶膠顆粒數量(不含被各種表面捕獲數量)比初始總釋放氣溶膠顆粒數量(900個)。由表1可知,通風方式1在36 s時的氣溶膠顆粒殘存率為100%,說明自然通風無法及時有效排出電梯轎廂內的氣溶膠顆粒。在自然通風條件下的電梯轎廂內,未佩戴口罩交談所引起的病毒氣溶膠顆粒傳播感染風險極大。因此,通風方式1不可取。

表1 36 s時電梯轎廂氣溶膠顆粒殘存率

36 s時通風方式2～4氣溶膠顆粒捕獲率見表2。氣溶膠顆粒捕獲率為某時被電梯轎廂頂棚、地面、壁面以及人體表面捕獲的氣溶膠顆粒數量比初始總釋放氣溶膠顆粒數量。由表2可知,通風方式3的氣溶膠顆粒捕獲率最大,通風方式4的氣溶膠顆粒捕獲率最小。由表1、2可知,與通風方式2相比,雖然36 s時通風方式3的氣溶膠顆粒殘存率比較低,但氣溶膠顆粒捕獲率更高,說明通風方式3下發生病毒接觸式感染風險更高。在機械通風方式中,通風方式4各表面氣溶膠顆粒捕獲率最低,發生病毒接觸式感染風險最低。

表2 36 s時通風方式2～4氣溶膠顆粒捕獲率

通風方式2～4電梯轎廂懸浮氣溶膠顆粒數量隨時間的變化見圖7。由圖7可知,在1 s時氣溶膠顆粒數量達到峰值(900個)。通風方式2～4電梯轎廂氣溶膠顆粒懸浮數量均隨時間延續而減少。相同時間,通風方式4電梯轎廂氣溶膠顆粒懸浮數量最少。

圖7 通風方式2～4電梯轎廂懸浮氣溶膠顆粒數量隨時間變化

對于通風方式4,送風氣流從頂部中間位置送入,下行氣流對整個空間氣溶膠顆粒的運動控制作用明顯,絕大多數氣溶膠顆粒被輸送至排風口排出,36 s時氣溶膠顆粒殘存率僅為17.9%,很少有氣溶膠顆粒附著在電梯轎廂各表面及人體表面。通風方式4的病毒氣溶膠顆粒傳播與病毒接觸式感染風險均小于其他通風方式,通風凈化能力理想。

5 結束語

① 自然通風無法及時有效排出電梯轎廂內的氣溶膠顆粒。

② 與通風方式2相比,通風方式3發生病毒接觸式感染風險更高。

③ 通風方式4的病毒氣溶膠顆粒傳播與病毒接觸式感染風險均小于其他通風方式,通風凈化能力理想。