基于動量源法模擬人走動對潔凈室污染物擴散的影響

岑冬冬, 曹世杰,2

(1.蘇州大學軌道交通學院，江蘇 蘇州 215131)(2.廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006)

潔凈室是指空氣潔凈度達到規定級別標準的密閉房間，潔凈室不僅要能控制室內溫度、相對濕度，而且還要控制顆粒物、細菌、壓力、有關氣體濃度以及氣流分布。當前已經有關于潔凈度要求較高的區域比如手術室操作臺等亟需加強無菌化操作管理，例如手術中盡量減少人員流動等規定[1]，盡量做到隔離、潔污分流，避免交叉感染[2]，并且限制在手術臺上翻動病人[3]。目前有關醫院空氣環境的研究大部分以微生物濃度、潔凈度、溫濕度、壓差控制等為研究要素，較少以人為要素的研究，然而人、物移動產生的尾流對室內污染物擴散的影響很大[4]，特別是手術室中由于護士的活動，提高了手術病人的細菌暴露度[5]。在2003年，一架從香港飛往北京的客機出現了SARS病毒感染案例，而且感染者與病毒攜帶者最遠相距7排座位，正常情況下，病毒傳染應在座位前后兩排[6]，飛行乘務人員的來回走動加大了SARS病毒的擴散范圍[7]。目前研究人的行為對室內氣流組織影響的數值仿真方法是動網格法[8]，然而動網格法有計算時間長、幾何結構復雜、網格生成時間長等缺點[5]，因而Meyers等[9]提出將動量源法應用于大范圍風場中物體運動對流體影響的數值仿真，以節約計算時間，Gao等[10]在潛水艇螺旋槳的模擬中將螺旋槳考慮成靜止的，并在螺旋槳表面添加動量源，從而將非穩態模擬簡化為穩態模擬，節約了計算時間。

本文應用動量源方法模擬人體在室內的走動，研究人的走動對室內氣流組織和污染物擴散的影響。

1 實驗和模擬

本文應用小型環境艙來進行人的走動對氣流組織影響的實驗，該環境艙內部凈空間尺寸為1 m×1 m×1 m，合計凈空間體積為 1 m3，整個艙體采用8 mm厚的亞克力板粘結而成，如圖1所示。環境艙包括兩部分，即穩流艙和測試艙；污染源為點燃的蚊香；送風方式為上送下回；采用電機驅動齒條來控制人體模型的運動，通過控制電機正反轉和轉速來調整模型移動方向和速度。本文中測試儀器主要包括：數字式風速儀2臺，型號為TSI-9515，這是一款專門針對室內空氣品質的風速測量裝置；超細粒子計數器2臺，型號為TSI8525 P-TRAKTM，可檢測直徑小于0.1 μm的粒子，并對其進行計數。

圖1 實驗艙示意圖

本文數值仿真中采用(RNG)k-ε模型模擬流體湍流[11]，采用拉格朗日追蹤法模擬顆粒物的運輸過程[12]。

1.1 實驗艙實驗

在實驗艙中，送風參數和流場的送風速度可控，在測試艙側面開有小孔，用來布置相應的風速和污染物濃度測點，即可記錄不同位置上氣流速度和污染物濃度的變化。室內流場實驗和污染物濃度測試實驗詳細步驟如下：

2)通風一段時間，待環境艙內流場穩定后(監測點風速保持不變)，開始測試兩條監測線(與入口的距離分別為x=0.3 m和x=0.7 m)的速度分布。該組數據用來驗證數值仿真氣流組織模型的可靠性。

3)用超細粒子計數器(P-TRAK 8525)監測背景粒子數濃度(約11 000個/cm3)。

4)運行變頻風機清理環境艙內的污染物，同時用超細粒子計數器監測艙內顆粒物數量濃度，直到艙內顆粒物濃度達到穩定的狀態，即艙內顆粒物濃度保持恒定(粒子數約為1 200個/cm3)。

5)調節風機，分別選擇3種不同的送風速度(即0.3，0.4，0.5 m/s)，在入口處釋放粒子源(燃燒蚊香)，同時用超細粒子計數器監測艙內顆粒物濃度，持續通風直到艙內濃度保持不變。

6)監測環境艙中兩條監測線的各4個不同位置上的顆粒濃度值，在測量過程中氣流組織和顆粒物分布保持穩定，該組數據用于驗證數值仿真的污染物擴散模型的可靠性。

1.2 數值模擬

1.2.1控制方程

對環境艙中氣流的三維非定常湍流流動進行模擬，該流體的流動滿足如下控制方程。

當黑社會性質組織發展到一定階段時，基于經濟利益的追求和經濟實力的支撐等本質特征，多數開始以公司、企業的形式出現在市場經濟的平臺。更為有害的是，世界范圍內惡名昭彰的黑社會犯罪組織多半也是富甲一方的企業財團，2014年《財富》雜志曾經報導“日本國最大的暴力團山口組，依仗著毒品、賭博及恐嚇取財等犯罪行為，年收入高達66億美元”。

質量守恒方程：

(1)

動量方程：

(2)

人在走動時，人體表面會對接觸的空氣產生作用力，而這個力和接觸面積、速度成正比，所以本文在數值仿真的動量方程中添加一個動量源Fi，動量源(其方向與物體運動方向相同)的大小F可以用人體前部區域的動態壓力的乘積來計算：

(3)

式中：v為人體移動的平均速度；A為產生運動的人體的截面積。

1.2.2邊界條件設置

為了驗證動量源方法的可靠性，本文應用動網格法進行對比驗證。分別運用動網格方法和動量源法對數值仿真模型進行網格劃分，網格數量分別為1 370 522和1 535 450。送風速度分別是0.3,0.4和0.5 m/s，對應換氣次數為7，9.3和13.7。湍流的入口邊界條件湍流強度和水力直徑分別設定為10%和0.32 m。對于沒有明顯溫差的情況，熱羽流對氣流組織的影響可以忽略。數值模擬中的邊界條件為：進風口為速度入口，壁面為無滑移邊界[13]。在應用動網格模擬人的走動時，整個計算域由兩部分組成：靜態區域和動態區域，如圖2(a)、(c)所示。應用自定義函數(UDF)控制人體模型所對應網格的移動，如圖2(c)所示。在動量源法中，在人體模型與空氣接觸位置添加了動量源，用來模擬移動物體與空氣之間的相互作用，如圖2(b)、(d)所示。本文數值仿真顆粒物設置為：顆粒物源釋放速度為100個/s，顆粒物直徑為1 μm，顆粒物釋放速率為1E-11 kg/s。

圖2 計算模型的幾何形狀和網格

2 結果

圖3為送風速度分別為0.3，0.4和0.5 m/s下實驗艙內監測點x方向速度的實驗與數值仿真結果對比。由圖中可以看出，數值仿真結果與實驗結果吻合較好，偏差保持在10%以內；上部區域的氣流速度大于下部，這是因為該區域接近送風入口，受入口射流影響較大；在下部區域，空氣流速比較小，說明上送下回的送風方式對下部區域影響較小，在實際情況中要改善人體活動區域的空氣品質，則需要考慮多種送風方式。

圖3 數值仿真和實驗氣流組織x方向歸一化氣流速度對比

應用數值仿真的方法模擬人的走動對氣流組織的影響，圖4為使用動量源法和動網格法環境艙中氣流組織x方向歸一化氣流速度的對比。在靠近送風口區域，由于入口射流的強烈影響，氣體流動速度較大。由圖4中可以看出，應用動量源法得到的氣流速度略大于采用動網格法得到的速度值，但是偏差保持在20%以內(14.5%)。

圖4 動網格法和動量源法氣流組織x方向歸一化氣流速度的對比(t=2 s)

2.1 人的走動對氣流組織的影響

應用動量源法研究人體模型移動對室內氣流組織的影響，圖 5顯示了氣流組織受人體模型移動時的動態變化，其中矩形虛線框代表人體模型，送風速度為0.5 m/s(對應的換氣次數為13.7)，模型移動速度為0.1 m/s。由圖5可知，和人體模型移動區域相比，氣流速度在遠離移動區域位置處較低(低于0.01 m/s)；人體模型的移動對氣流分布有較大影響，一旦模型開始移動，模型周邊的氣流速度顯著增加，甚至在模型尾流區速度高達0.16 m/s，大于人體的移動速度(0.1 m/s)；環境艙中，氣體擾動區域隨著人的移動而不斷擴大，其中尾流區域的最大長度約為0.15 m；當人體模型停止移動，整個運動區域的氣流速度在14 s時就急劇下降到低于0.01 m/s。人的走動對室內氣流的影響雖然沒有持續很長時間，但對氣流組織和污染物擴散有很大的影響。

圖5 應用動量源法模擬人的走動對氣流組織的影響

2.2 人的走動對室內顆粒物擴散的影響

圖6比較了在3種人體模型移動速度影響下，實驗艙內4個區域中顆粒物濃度的衰減，其中人體模型移動速度分別為0，0.1，0.2 m/s。由圖可知，模型移動速度對區域A和C顆粒物的擴散影響較為明顯，因為該區域靠近人體模型移動區域；顆粒物濃度在不同區域的衰減情況表現出明顯的差異；人的走動影響了氣流組織的分布，進而影響了顆粒物的擴散(對流擴散)，在區域C中隨著模型移動速度增加顆粒物衰減反而降低了，而在區域A顆粒物的衰減速度隨著模型移動速度增加而增加。從顆粒物衰減結果可以看出人的走動加快了顆粒物的擴散，卻并不一定會提高顆粒物的去除效率。在區域C，模型移動速度為0.1 m/s和0.2 m/s時顆粒物衰減至原來濃度10%所需要的時間分別比模型移動速度為0 m/s快了21.2%和19.6%。

圖6 不同人體模型移動速度下的顆粒物數目衰減速率對比

2.3 討論與應用

本文應用動量源法研究人的走動對室內氣流組織的影響，該方法和動網格法相比具有計算時間短、模型簡單的優點。

根據幾何相似原理，動量源法可以應用于較大物體運動對氣流組織影響的研究，例如風力發電機葉片旋轉或者列車運行等運動的模擬。

人的走動對室內氣流組織特別是對活動區域的影響很大，從圖5中可以看到，雖然影響時間不長，但對氣流組織的破壞是極劇烈的。人的走動加快了顆粒物的擴散效應，在不同區域，顆粒物的衰減具有不同規律，故需要根據人的走動規律及室內污染物的分布規律確定合適的污染物去除方式。

3 結束語

本文應用動網格法和動量源法分別模擬了人的走動對室內環境氣流組織的影響，并與實驗結果進行了對比，結果表明，動量源法可以很好地完成人的走動對室內氣流組織動態影響的模擬。本文運用動量源法研究人體運動影響下的室內顆粒物衰減過程，得出以下結論：

1)通過對實驗結果的驗證，表明動網格法與動量源法在模擬人體運動時的氣流組織變化趨勢是一致的。由此可知，動量源方法在模擬物體移動對氣流組織的影響研究中是可行的。

2)人的走動對周邊氣流組織有很強烈的影響，從而進一步影響了顆粒物濃度的分布。

3)在潔凈度要求較高的區域，例如潔凈室、手術室等，為降低污染物傳播應盡量減少人或物不必要的移動或者設置遮擋物等，來保持室內較好的空氣品質。

本文忽略了人體熱羽流效應，在接下來的研究中會考慮溫度對室內污染物擴散的影響。