負壓隔離器內病毒空氣傳播影響因素的研究

吳松林 劉秋新, 高春雪 鄢小虎 龍一飛

(1.武漢科技大學城市建設學院 武漢 430070； 2. 武漢科技大學城市學院 武漢 430083)

0 引言

多種傳染性疾病的病毒可依附在飛沫氣溶膠中進行傳播[1-3]，如SARS、結核分枝桿菌、漢坦病毒等。當進行病毒空氣傳播實驗時，實驗設備環境中的溫度、濕度對病毒活性的影響以及氣溶膠顆粒粒徑均是實驗過程中的重要影響因素。研究表明，不同粒徑顆粒物進入呼吸道的部位不同，<3.0 μm的顆粒物可以深入到次級支氣管，<2.0 μm的顆粒物可以到達終末支氣管，<1.0 μm的顆粒物可以到達肺泡[4]。AL-SHAMI H M H等[5]研究了潔凈手術室內的氣流分布和顆粒運動，發現了ACH(每小時換氣次數)影響手術室內速度、溫度和顆粒濃度分布。安樸燕[6]對空調房間內的氣流組織和顆粒分布進行了研究，研究發現小于5 μm的顆粒氣流跟隨性強，主要受氣流力和熱浮生力作用。李磊[7]研究發現通風房間內的微生物氣溶膠具有較強的氣流跟隨性。李佳明[8]指出粒徑范圍為0.3～5.0 μm的顆粒會進入呼吸道深處,對人和動物造成嚴重危害。

負壓隔離器是高等級生物實驗室中開展高致病性病毒感染動物的飼養、實驗等操作時必不可少的的實驗設備[9]。本文基于武漢大學ABSL-3級實驗室中的猴負壓隔離器建立三維模型，運用ANSYS軟件模擬負壓隔離器不同運行工況對內部氣溶膠顆粒的濃度及粒徑分布的影響，得到負壓隔離器內部氣溶膠顆粒粒徑的分布規律，為進行病毒空氣傳播實驗時的設備運行控制策略提供一定參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究中所采用的負壓隔離器實物圖如圖1所示，圖2為合理簡化后的三維模型結構示意圖。該負壓隔離器模型分為內外兩部分，外隔離器上有兩個送風口、一個回風口以及與之對應的送、回風道。內隔離器上部無面板，內部設置有用長方體表示的實驗對象，并且模型上有一出口(inlet-particle)用于表示其鼻子和口腔。模型內送、回風板皆為孔板結構。各部分尺寸如表1所示。

圖1 負壓隔離器實物

圖2 模型結構示意

表1 負壓隔離器各部分尺寸

1.2 研究方法

1.2.1 實驗測量

在距離負壓隔離器底面0.25 m的高度處選取3個測點B1、B2、B3，其中B2測點位于中間位置，B2測點兩側0.35 m處分別為B1、B3測點，采用激光粒子計數器測量不同深度處(0.25/0.35/0.50/0.60 m)的粒徑為0.5 μm、1 μm的顆粒濃度，得出該粒徑尺寸顆粒的分布規律。

1.2.2 數值模擬

基于DPM模型，模擬不同換氣次數、送風溫度對負壓隔離器內的顆粒濃度分布和粒徑分布的影響。假定流動空氣為不可壓縮流體，假設流動是不穩定狀態的湍流，采用標準湍流模型。此外，為簡化CFD模擬，墻壁上設置為無滑移條件。LIU J J等[10]指出熱量和湍流會產生一個浮力驅動的氣流，它根據溫差向上流動。因此為確保在計算過程中考慮實驗對象散發的熱量的影響，激活能量方程來啟用傳熱分析。實驗對象溫度設定為310 K，隔離器內壁的傳熱邊界條件均設定為絕熱。顆粒入口(inlet- particle)空氣速度為1.2 m/s，顆粒隨氣流注入隔離器內，假設顆粒與攜帶顆粒的空氣之間沒有相對速度，模擬過程中打開Stochastic Collision、Coalescence 、Breakup模型。顆粒性質如表2所示。

表2 顆粒物理性質

為了分析方便，模擬中提高了顆粒散發濃度，用于不同點濃度值的相對比較。參考文獻[11]指出，單純提高發生源的濃度數量級，不會對模擬結果產生影響。在本研究中，模型網格劃分采用六面體網格，網格獨立性驗證如圖3所示，選擇標準k-ε湍流模型用于流體分析，湍流強度為5%，收斂標準為1×10-3。

圖3 網格獨立性驗證

2 結果與分析

2.1 實驗測量

由于負壓隔離器送風系統采用高效過濾器，隨送風系統進入隔離器內的粒子直徑較小，實驗測量時主要測量了兩種粒徑(0.5 μm、1 μm)。粒徑為0.5 μm、1 μm顆粒的測量濃度值如下表3所示。

表3 不同粒徑顆粒濃度 個/L

由表3可以得出：不同粒徑顆粒分布規律趨于一致，顆粒數量整體呈現出兩邊多、中間少的特點。從表中可以看出B2測點0.25/0.35/0.5 m深度處顆粒濃度較低，這是由于負壓隔離器內中部區域空氣流速較大，所以該處顆粒濃度較少，甚至為0。由于B2測點0.6 m深度處靠近隔離器回風板，所以顆粒濃度高于其他區域，證明了顆粒良好的氣流跟隨性。

2.2 濃度模擬

模擬不同換氣次數時(20 ACH、35 ACH、50 ACH)濃度分布情況，負壓隔離器內部的溫度云圖和顆粒濃度云圖結果見圖4～圖9。

圖4 X=0.4截面溫度云圖(20 ACH)

圖5 X=0.4截面顆粒濃度云圖(20 ACH)

圖6 X=0.4截面溫度云圖(35 ACH)

圖7 X=0.4截面濃度云圖(35 ACH)

圖8 X=0.4截面溫度云圖(50 ACH)

圖9 X=0.4截面濃度云圖(50 ACH)

隔離器內部氣流旋渦主要存在于實驗對象前方和后方下部區域，對比3種換氣次數時隔離器內的溫度云圖、速度云圖可得：顆粒隨呼出氣流到達頂部后在渦流區域產生聚集，隨著換氣次數的增加，其他區域顆粒濃度降低。

2.3 粒徑模擬

本文模擬了兩種方案下負壓隔離器內顆粒粒徑分布情況。

2.3.1 方案一

送風溫度為298 K，改變換氣次數(20 ACH、35 ACH、50 ACH)。粒徑范圍為0～0.5 mm的顆粒中0～0.1 mm的顆粒占比如圖10所示。

2.3.2 方案二

換氣次數為35 ACH，改變送風溫度(295 K、298 K、300 K)。粒徑范圍0～0.5 mm的顆粒中0～0.1 mm的顆粒占比如圖11所示。

不同工況下，0～0.1mm粒徑范圍中不同粒徑尺寸的顆粒占比如圖12所示。

圖10 不同換氣次數時0～0.1 mm的顆粒占比

圖11 不同送風溫度時0～0.1 mm的顆粒占比

綜合圖10、圖11可以看出，隨著換氣次數的增加，粒徑范圍0～0.5 mm的顆粒中0～0.1 mm的顆粒占比逐漸減小；隨著溫度的升高，粒徑范圍0～0.5 mm的顆粒中0～0.1 mm的顆粒占比逐漸減小。隨著換氣次數的增加和送風溫度的升高，粒徑分布呈增大趨勢。

圖12 0～0.1 mm粒徑范圍中不同粒徑尺寸的顆粒占比

從圖12可以看出，送風溫度對不同粒徑尺寸的顆粒占比的影響較小。換氣次數對0～0.1 mm中0～0.01 mm顆粒占比影響較大，當換氣次數從35 ACH減小到20 ACH時，0～0.01 mm的顆粒占比從3%提高到了17%。該粒徑范圍的顆粒能夠進入到呼吸道深處，因此進行病毒空氣傳播實驗時，可減小設備換氣次數。

3 結論

本文研究了不同換氣次數、送風溫度對負壓隔離器內氣溶膠顆粒濃度和粒徑分布的影響。結果表明，換氣次數、送風溫度對于粒徑分布均有影響。主要結論如下：

(1)實驗結果證明：該粒徑尺寸下，不同粒徑顆粒分布規律趨于一致。空氣流速是影響顆粒分布的重要因素，空氣流速較大的區域，顆粒濃度較低，顆粒具有良好的氣流跟隨性。

(2) 隔離器內部氣流旋渦主要存在于實驗對象前方和后方下部區域，增加換氣次數導致氣流旋渦區域顆粒濃度升高，其他區域的顆粒濃度降低。

(3)隨著換氣次數的增加和送風溫度的增大，粒徑分布呈現增大趨勢。減小換氣次數，能顯著提高0～0.1 mm粒徑范圍中0～0.01 mm的顆粒占比，對病毒空氣傳播實驗具有積極效果。