空调房间飞沫气溶胶颗粒运动规律研究

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近年来,世界范围内的雾霾天气导致患呼吸道传染病的人数大大增加,引发了人们对空气品质的关注。呼吸道传染病毒可以依附于人体讲话、咳嗽、打喷嚏等呼吸行为产生的飞沫气溶胶颗粒在空调房间中运动,污染室内空气并对身体健康造成威胁。针对这一问题,本文采用CFD数值模拟方法对人体持续讲话和一次咳嗽产生的飞沫气溶胶颗粒运动轨迹进行研究,掌握气溶胶颗粒的运动规律和分布特性,为控制呼吸道传染病传播寻求空调房间合理的气流组织形式。本文建立的空调房间包括小型办公室和会议室,考虑送风速度、人体位置和气流组织形式对飞沫气溶胶颗粒运动轨迹的影响,对比多种湍流模型的优缺点和适用性,选择RNGκ-ε湍流模型对空调房间的温度场和速度场进行模拟。分析飞沫气溶胶颗粒的受力情况,采用欧拉-拉格朗日法建立飞沫气溶胶颗粒运动的数学模型。通过SIMPLE算法求解人体持续讲话产生的飞沫气溶胶颗粒的稳态过程,通过PISO算法求解人体咳嗽产生飞沫气溶胶颗粒的非稳态过程。利用速度矢量图、温度云图、不均匀系数、能量利用效率、排污效率、飞沫气溶胶颗粒数量和浓度对不同工况的模拟结果进行对比分析。通过对比不同工况的模拟结果表明:随着送风速度由2m/s增大到4m/s,在贴附射流速度快速衰减阶段,贴附射流上部速度衰减幅度是射流中心的2.6倍,是射流下部的4.8倍。在贴附射流缓慢衰减阶段,贴附射流上部单位贴附长度的时间衰减幅度是射流中心的3.6倍,是射流下部的9.0倍。小型办公室上侧送-同侧上回气流组织形式的送风速度每增大1m/s,飞沫气溶胶颗粒运动时间减少约6.35%,运动路程减少约10.58%。飞沫气溶胶颗粒初速度方向和回风口位置影响颗粒运动轨迹。使人体产生飞沫气溶胶颗粒的方向接近室内气流流动方向,并且在污染源附近安装回风口,可以有效控制病毒的传播。在会议室上部两侧送-上回,上送上回两种气流组织形式中,静坐在会议桌中间位置靠近窗户一侧的暴露人员容易感染病毒,地板式下送上回气流组织形式中,静坐在会议桌靠近污染源同时靠近窗户一侧的暴露人员容易感染病毒。置换式下送上回和地板式下送上回气流组织形式排出飞沫气溶胶颗粒能力强。综上结果,合理的增大送风速度,在污染源附近局部排风或者布置回风口,采用下送上回气流组织形式,即置换式下送上回或地板式下送上回,均可以有效控制呼吸道传染病的传播,为人们提供一个健康舒适的室内环境。
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