通風(fēng)房間常見微生物顆粒蒸發(fā)特性的仿真研究

吳文忠

(西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

通風(fēng)房間常見微生物顆粒蒸發(fā)特性的仿真研究

吳文忠

(西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

通風(fēng)調(diào)節(jié)房間環(huán)境參數(shù)，影響微生物顆粒蒸發(fā)過程。分析在該過程中顆粒粒徑變化規(guī)律，構(gòu)建對應(yīng)的Matlab/simulink仿真模型，并選擇典型通風(fēng)房間和常見微生物顆粒釋放源，應(yīng)用該模型計(jì)算它們的蒸發(fā)過程，包括：在較低、較高和典型相對濕度的室內(nèi)環(huán)境中，這些顆粒的蒸發(fā)過程。

通風(fēng)房間； 微生物顆粒； 蒸發(fā)； Matlab/simulink仿真

醫(yī)院、生物安全實(shí)驗(yàn)室等室內(nèi)病毒類微生物顆粒，是一類疾病感染源。人呼出的微生物顆粒，進(jìn)入相對濕度、溫度比呼吸道低的室內(nèi)環(huán)境中，會蒸發(fā)一部分水分[1-2]。目前應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、CFD模擬方法[1-4]研究該蒸發(fā)過程，還沒有最終一致的結(jié)論：Papineni等[1]認(rèn)為粒徑分布受蒸發(fā)過程影響較小，而Nicas等[2]估計(jì)顆粒粒徑由于蒸發(fā)過程很快減小。Chen等[3]認(rèn)為初始粒徑do<50 μm 顆粒的蒸發(fā)時(shí)間<1 s, 且do≤ 100 μm 顆粒的蒸發(fā)過程可以忽略。為了全面描述蒸發(fā)過程的規(guī)律，還需要詳細(xì)分析顆粒粒徑變化特點(diǎn)，應(yīng)用更多研究方法。通風(fēng)是借助稀釋原理消除生物污染的物理手段，是室內(nèi)防御生物污染的屏障[5-9]。通風(fēng)調(diào)節(jié)房間環(huán)境參數(shù)，從而影響蒸發(fā)過程。研究通風(fēng)房間微生物顆粒蒸發(fā)過程，需要考察微生物顆粒粒徑受室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的影響[10]，因此需要計(jì)算通風(fēng)調(diào)節(jié)的房間溫度、相對濕度，以及這些參數(shù)對顆粒粒徑的作用。由于送風(fēng)參數(shù)、房間環(huán)境參數(shù)變化的多樣性, 引起蒸發(fā)過程的復(fù)雜變化，適用于應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真的研究方法。仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)和各種專用物理設(shè)備為工具, 借助系統(tǒng)模型對真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一門綜合技術(shù)。Simulink 是Matlab 軟件的一個(gè)用于動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包, 可以用來模擬線性或者非線性以及連續(xù)或者離散的系統(tǒng), 由于其具有界面友好、圖像與可視化功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 已經(jīng)成為工程技術(shù)研究的重要工具[11-13]。本文分析通風(fēng)房間蒸發(fā)過程中顆粒粒徑變化規(guī)律，建立對應(yīng)的Matlab/simulink仿真模型，耦合通風(fēng)系統(tǒng)和顆粒蒸發(fā)過程，并應(yīng)用該模型計(jì)算通風(fēng)房間一系列初始粒徑的常見微生物顆粒蒸發(fā)過程。

1 房間內(nèi)微生物顆粒蒸發(fā)數(shù)學(xué)模型

1.1 初始粒徑分布

微生物釋放源釋放顆粒數(shù)、粒徑分布是研究顆粒蒸發(fā)的出發(fā)點(diǎn)。文獻(xiàn)[2，14]都討論了顆粒數(shù)和粒徑分布，相互之間差異很大，綜述這些結(jié)果見表1。文獻(xiàn)[4]說明了典型微生物及其粒徑范圍，見表2。

表1 綜述文獻(xiàn)中的顆粒數(shù)和粒徑分布[2，14]

表2 典型微生物及其粒徑分布

人呼出的微生物顆粒可以采用 optical particle counter (OPC) 計(jì)數(shù)，得到近似的初始分布：

(1)

其中，N，n0，n1，…ni，…n100…分別對應(yīng)顆粒總數(shù)和從小到大的粒徑顆粒數(shù)。

表1顯示,粒徑大的顆粒數(shù)少，而粒徑小的顆粒數(shù)多，因此粒徑初始分布有下述次序：

(2)

1.2 蒸發(fā)過程