核酸采樣室攜帶病毒顆粒物擴散的模擬與通風方案優化

王飛　高文峰　李瓊　李晶金　孔劉洋

摘要：? 為防止新型冠狀病毒在核酸采樣室內人員之間發生交叉感染，以普通核酸采樣室為研究對象，采用歐拉拉格朗日法計算咽拭子檢測過程中攜帶病毒的顆粒物擴散規律，分別采用加強機械通風和設置局部吸氣設備2種方法進行通風方案優化。結果表明：在核酸采樣室內進行咽拭子檢測的過程中，攜帶病毒的顆粒物可以在房間內擴散并持續數分鐘;加強機械通風可明顯提高室內攜帶病毒顆粒物的置換效率，但也有在空間范圍內迅速擴散的問題;設置局部吸氣設備可在較短時間內達到迅速減少室內病毒顆粒物的目的。

關鍵詞：? 病毒; 采樣室; 機械通風; 局部吸氣

中圖分類號：? TU834;R122文獻標志碼：? B

Virus-carrying particles diffusion simulation and ventilation

scheme optimization in nucleic acid sampling room

WANG Fei GAO Wenfeng LI Qiong LI Jingjin KONG Liuyang

（School of Energy And Environment Science， Key Laboratory of Rural Energy Engineering of Yunnan， Yunnan Normal

University， Kunming 650500， China）

Abstract： To prevent cross infection of COVID-19 in nucleic acid sampling room， the diffusion law of particles carrying virus in the process of pharyngeal swab detection is calculated by Euler-Lagrange method taking the common nucleic acid sampling room as the research object. The ventilation scheme is optimized with strengthening mechanical ventilation and setting local suction equipment. The results show that the virus-carrying particles can spread in the room for several minutes during pharyngeal swab detection in nucleic acid sampling room. Strengthening mechanical ventilation can significantly improve the replacement efficiency of indoor virus particles， but it also can cause the rapid diffusion in sampling room. Setting local air admission equipment can quickly reduce indoor virus particles in a short time.

Key words： virus; sampling room; mechanical ventilation; local air admission

基金項目：? 國家自然科學基金（51866016，51960932）

作者簡介： 王飛（1997—），男，山西大同人，碩士研究生，研究方向為被動式太陽房通風與采暖的實驗和數值模擬，

（E-mail）1055354679@qq.com

通信作者： 高文峰（1970—），男，云南宣威人，教授，博導，博士，研究方向為太陽能熱利用中的流動與傳熱問題的數值模擬和實驗，

（E-mail）413900096@qq.com0引言

目前，新型冠狀病毒肺炎（簡稱“新冠肺炎”）肆虐全球。為應對新型冠狀病毒（以下簡稱“新冠病毒”）的防控需要，我國各地設立核酸采樣室，對高、中、低風險人群進行核酸采樣檢測。

研究表明，新冠病毒以氣溶膠形式在一般室內空氣環境中可存活3 h，若停留于房間壁面上，更是可以存活2～3 d[1]。在咽拭子核酸采樣室內，被采樣人員往往需要摘掉口罩，并張嘴做出“啊”的動作，因此有可能釋放出夾帶病毒的液滴或顆粒。同時，核酸采樣室內可能存在短時間內對多個被采樣人員連續檢測的可能性，若前一個被檢測者新冠肺炎核酸檢測結果呈陽性，后一個被檢測者再進入核酸采樣室內是否會有被感染的危險？因此，研究核酸采樣室內攜帶病毒顆粒的擴散規律，減少其在采樣室內擴散和長時間停留的可能性，有一定的意義。

公共衛生學家WELLS[2]1934年就提出液滴核理論，即人體內的病毒和微生物可附著于由說話、咳嗽、打噴嚏等行為所釋放的液滴上排出體外，這些液滴蒸發后形成液滴核并攜帶病毒和微生物懸浮于空氣中較長時間，進而被其他人吸入后導致人體患病。國外學者對病人呼出的飛沫氣溶膠顆粒的傳播研究較早，而我國對其傳播的研究起步較晚。

清華大學對室內人體飛沫氣溶膠顆粒物傳播規律開展一系列具有延續性的工作，并采用FLUENT軟件通過計算流體力學模擬方法進行研究分析[3-5]。李光熙等[6]以室內非典型肺炎病毒為研究對象，采用CFD軟件模擬建立病毒在空氣中傳播的非穩態模型，分析其憑借飛沫氣溶膠在室內傳播的特征。劉樹森[7]研究認為，環境風速和飛沫噴口氣流作用是影響病毒、微生物氣溶膠顆粒運動規律的主要原因，其理論計算結果認為粒子氣流的跟隨性在粒徑為1 μm以下時尤為明顯，粒子自身重力及慣性作用的影響較小。趙治[8]對人體呼吸、咳嗽以及打噴嚏時產生的飛沫氣溶膠顆粒物的運動特性和傳播規律開展相關實驗，并結合理論分析進行細致的研究。但是，針對核酸采樣室內病毒飛沫分布的研究較少。

本文采用FLUENT軟件結合可形變部件模型（deformable part model， DPM）對核酸門診采樣室內新冠肺炎核酸檢測結果呈陽性人員釋放的攜病毒氣溶膠顆粒的傳播規律進行模擬研究分析，提出加強機械通風和設置局部吸氣設備2種防止攜病毒氣溶膠顆粒物大面積擴散和長時間停留的有效手段，為核酸采樣室的設計和采樣檢測過程提供參考。

1物理模型

1.1模擬模型概述

選用普通的核酸采樣室為模擬研究對象，其長、寬、高分別為5、3和3 m，設置低風速機械通風模擬一般采樣室的實際工況。房屋頂部設置半徑為0.1 m的空調通風口，正面墻壁和右側墻壁分別設置門和窗作為回風口。采樣室物理模型見圖1。

圖 1核酸采樣室物理模型

1.2模型簡化及邊界條件

飛沫氣溶膠粒徑較小，眾多顆粒組成稀薄的分散相，其體積容積率≤50%[9]，因此可認為氣溶膠顆粒屬于不連續的離散相。將空氣視為連續介質，模型設置為離散相在連續相中運動的多相流模型。空氣介質是飛沫氣溶膠顆粒的載體，采用歐拉法進行計算。采用拉格朗日法研究飛沫氣溶膠顆粒運動時的受力情況，并追蹤其運動軌跡。因此，氣溶膠顆粒在空氣中的傳播選用離散相模型及歐拉拉格朗日法進行研究。

采樣室內有多種因素影響病毒顆粒在室內流場中的運動，為便于計算，物理模型和邊界條件作以下簡化：（1）室內空氣為不可壓縮氣體，房間和人體壁面邊界為絕熱;（2）顆粒與周圍環境之間無溫差，顆粒與顆粒之間、顆粒與周圍環境之間的傳熱忽略不計;（3）顆粒與環境接觸發生的蒸發相變過程轉瞬即逝，故忽略不計;（4）只考慮顆粒與顆粒傳輸過程中的碰撞和粘附，其凝并作用忽略不計;（5）房間各壁面邊界設置為“捕捉”，門窗自由出口邊界設置為“逃逸”，局部吸氣設備壁面和桌面設置反彈系數為0.1;（6）計算采用同時打開kω模型和DPM模型。各工況下邊界條件設置見表1。

2數值模型

2.1基本控制方程

室內空氣是人體飛沫氣溶膠顆粒傳播的主要載體。研究室內顆粒物擴散問題，首先要明確顆粒物所處的室內空氣的流動情況。房間內的空氣流動一般都為湍流，設定核酸采樣室內空氣流動為穩態湍流，流體流動滿足三大控制方程，其通用形式為

式中：ρ為流體密度，kg/m³;為通用應變量;t為時間，s;u為流體速度，m/s;Γ為廣義擴散系數;S為廣義源項。

2.2飛沫氣溶膠顆粒受力

采樣室中飛沫氣溶膠顆粒受力情況復雜，為便于模型簡化，本文只考慮重力、拖曳力和布朗力等主要作用力，數量級關系影響較小的熱泳力和浮力忽略不計[10-11]。

2.2.1重力

飛沫氣溶膠的密度約為1×10⁶g/m³，遠大于空氣密度，忽略浮力作用時其重力

式中：ρ為顆粒密度;d為顆粒的當量直徑。

2.2.2拖曳力

拖曳力主要表現為削弱顆粒與周圍環境空氣相對運動趨勢。一般情況下，拖曳力的計算公式[12]為

式中：ρ_a為空氣密度;u_a和u分別為氣流速度和粒子速度;C_d和C_c為分別為拖曳系數和Cammingham滑動修正因數。

2.2.3布朗力

布朗力描述顆粒懸浮于空氣環境下的不規則運動，通常用平均自由程和松弛時間描述，計算公式[13]為

式中：ξ為顆粒的渦擴散率;Δt為計算過程中用到的時間步長;T為流體絕對溫度;v為氣體運動黏性系數;σ為玻爾茲曼常數。

2.3飛沫氣溶膠顆粒室內運動特性分析

飛沫產生時存在大液相分散成氣相飛沫的霧化現象。新冠肺炎感染者呼吸道產生的飛沫包含新冠病毒，這些包裹病毒的液相往往進入空氣環境后被迅速蒸發形成飛沫核[14]。描述蒸發特性的Langmuir公式為

式中：I為液滴每秒蒸發的質量;P₀為液滴表面飽和蒸汽壓;P為離開液滴表面后空間局部蒸汽壓;M為蒸汽分子的摩爾質量;D為溶劑分子的擴散系數;R為氣體常數。

3模擬結果與分析

3.1低風速通風情況下室內飛沫顆粒傳播分析

3.1.1室內空氣速度

核酸采樣室空氣流場速度云圖見圖2。由此可以看出，送風口低速通風只造成房間內送風口下方產生穩態的速度流場，而在房間絕大部分區域未產生明顯的速度擴散現象，整個房間的空氣流場處于較為平穩的狀態。

3.1.2氣溶膠顆粒運動軌跡

不同時刻采樣室內顆粒物分布軌跡見圖3。當t=0～7 s時，顆粒從病人口部逐漸噴出;當t=7～120 s時，顆粒在病人周圍擴散，且受室內空氣流動作用，較小有沉積現象發生;當t=120～540 s時，顆粒繼續在房間擴散，部分顆粒從窗戶離開。核酸采樣室內顆粒密度隨時間的變化見圖4。當t=540 s時，房間內顆粒數量僅下降至最大值的69.8%。

通過以上分析可知，普通核酸采樣室內存在以下3個問題：（1）咽拭子采樣檢測過程中釋放的夾帶病毒的液滴/氣溶膠顆粒會部分接觸到檢測人員，但由于檢測人員穿有防護服，危險性不高;（2）液滴/氣溶膠顆粒會在房間內停留較長時間，特別是集

中采樣檢測情況下，氣溶膠顆粒足以停留至下一位被檢測者進入室內的時刻;（3）液滴/氣溶膠顆粒會逐漸擴散至整個房間內部空間，因此核酸采樣室內存在一定的危險性。

3.2通風結構優化分析

3.2.1優化方式

針對病毒傳播機理和防控的研究，各國相關指南都認為通風系統對減少病毒在空氣中的傳播有一定的輔助作用[15]。因此，本文提出2種通風結構，以避免被檢測者口中釋放的氣溶膠顆粒在房間內長時間停留，以致完全擴散至整個房間帶來危險。第一，加大通風量，使攜帶病毒的氣溶膠顆粒加速離開房間;第二，被檢測者口腔部附近設置局部吸氣設備，使攜帶病毒的氣溶膠顆粒被釋放但還未大面積擴散前就被部分吸收。

3.2.2優化效果對比分析

核酸采樣室送風口以2.5 m/s機械通風作為室內飛沫氣溶膠顆粒物傳播的有效動力源，持續通風條件下核酸采樣室顆粒濃度分布見圖5（a）和（b）。被檢測者張嘴檢測過程中噴射的飛沫氣溶膠顆粒被噴出，受空調出風口強烈氣流的影響，顆粒團運動方向發生偏移。3 s時，較大的室內氣流導致顆粒局部擴散加快;17 s時，顆粒團在房間里完全擴散開，部分顆粒從門窗逸出或者與壁面接觸被吸附，顆粒總數迅速下降;25 s時，顆粒迅速下降至總數的50%。

在核酸采樣室內被檢測者身側設置局部吸氣設備，收集釋放于室內的飛沫氣溶膠顆粒，該條件下核酸采樣室顆粒濃度分布見圖5（c）和（d）。被檢測者張口檢測過程中噴射的飛沫氣溶膠顆粒被局部吸氣設備吸入，6 s時可明顯看到飛沫氣溶膠顆粒進入局部吸氣設備被收集，10 s時部分逃逸出吸氣設備范圍的顆粒受房間紊流作用遠揚至房間深處，但未造成顆粒多數量、大面積的擴散。2種通風方式下采樣室內氣溶膠顆粒數量隨時間的變化見圖6。采用被檢測者身側設置局部吸氣設備的通風方式時，25 s時房間內氣溶膠顆粒的數量僅為總數的1%以下。

對比以上結果可知，2種改進措施都可以有效增加房間內新風的輸送量，加快室外新風置換室內被污染空氣的速度，從而起到明顯凈化室內環境的效果。但是，加大通風量導致房間內速度場較大，反而會使顆粒的空間擴散加強，同時還存在顆粒吸附于房間內壁面的情況，有可能導致顆粒二次揚起的風險。設置局部吸氣設備可以改變房間內局部氣流方向，使得病人噴出的顆粒向吸氣口運動。加入局部吸氣設備后，氣溶膠顆粒可在短時間內降低至較低水平;局部吸氣設備可以避免顆粒在整個房間大面積擴散。

4結束語

在核酸采樣室內，若被檢測者中存在新冠病毒核酸檢測結果呈陽性的人員，咽拭子檢測過程會使病人體內的病毒釋放至采樣房間內，并且可以在房間內擴散并持續數分鐘。加強房間內機械通風可以使新冠病毒感染者釋放的夾帶病毒的顆粒數目快速減小，但存在使顆粒在空間范圍內迅速擴散的問題，實際應用時應對氣流組織著重考慮。設置局部吸氣設備可以使房間內攜帶病毒氣溶膠顆粒的數目在較短時間內快速減小到較低的水平，而且不易引起顆粒在空間范圍內擴散，實際應用時應對吸氣設備的位置、吸氣強度和吸氣口形狀進行優化設計，以達到最佳吸收效果。參考文獻：

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