风口布置对病房内飞沫扩散影响的数值模拟

哈尔滨工程大学建筑工程学院 薛若军 王革 唐强

摘要 应用 k-ε  湍流模型和欧拉一拉格朗日两相流模型，对标准传染病房内顶送侧排和双风口侧送床头排两种通风方式下的两相流场进行了数值模拟。比较了两种送风方式下的飞沫颗粒的轨迹和三种不同送风量(12次、3O次、64次)情况下速度场和压力场。通过结果分析可知，侧送床头排风方式在3O次送风时，能将病人呼出的飞沫颗粒迅速地、直接地排出，而且病人和医护人员所在活动区域速度场符合要求，传染病房满足负压条件，是比较理想的通风设计方案。

关键词 传染病房；飞沫颗粒；数值模拟；通风

The Numerical Simulation of Two Phase Flow in a Standard Room with Floating Dust

Xue Ruojun，Wang Ge and Tangqiang

Abstract In this thesis．Euler-Lagrange model and k-ε turbulent modeliS used to simulate the two—phase flow field underthe two ventilations of air supply top and air extract bottom and also air supply flank and air extract in the opposite．The tracks of the particles under the two different ventilation ways are compared．Th e velocity and pressure under three diferentair exchange rate(12 times，30 times，64times)are studied respectively．The results show that the latter way of ventila—tion under 30 tim es—air exchanging is better，because the spittle particles can be expelled quickly and directly，also the velocity in the region where patients live and personnel work is in agreement with the standard，in addition the infected wards is also under minus—pressure condition．
Keywords infected wards；spittle particle；numerical simulation；ventilation
★ School of Civil Engineering．Harbin Engineering University

0 前言
2003年SARS流行期间，出现病人将病毒较大面积传染给医护人员的严重事件， 医护人员感染率高达20％ ，造成了严重后果。特别是传染病(如支气管炎、肺炎、结核病等)主要通过吸入含有病原体的空气感染的。侵入宿主的病原体会大量繁殖，并刺激宿主的呼吸道，通过呼吸、咳嗽和打喷嚏，向周围空气散播的大量含有冠状病毒飞沫颗粒。目前，病人排出的含活性冠状病毒的飞沫颗粒大小分布以及颗粒数量不能适当的定义， 以往的研究表明液滴颗粒最大能达到100 pm，并能在病房内快速的蒸发扩散，这将对其他的病人以及医护人员身体健康构成极大的威胁。因此，在传染病房内，适当的通风方式，对于减少病人之间、病人和医护人员之间的交叉感染以及有效稀释和排除含病毒的飞沫颗粒都是至关重要^[1][2][3]。随着数值模拟越来越多的应用到暖通空调领域，用于分析速度场、温度场、污染浓度场等^[4．8] ，改变了过去单一的研究模式，丰富了研究方法。应用CFD研究传染病房内人体飞沫传播轨迹及气相速度场，分析如何合理配风及时、有效地除去室内污染物是十分有意义的研究工作^[9-11].

1 物理模型
1.1物理区域
选取的标准传染病房的尺寸长、宽、高分别是4m x 3m x 3m，病床大小为长、宽、高分别是2 mxl mx0.6 m，床头离后墙0.5 m，对称的布置在病房中间，距两侧墙均为1 m。

(1)顶送风侧排风：送风口布置在顶棚，尺寸为0.5x0.5 m 坐标是：X方向1.3 m～1.8 m，Z方向1.25 m～1.75 m；排风口布置在墙的两侧尺寸均为0.3m x 0.4 m，风口下沿距地面0.1 m，X方向坐标为1.3 m～1.7 m。见图1。

(2)侧送风床头排风：两送风口均布置在进门前墙上，尺寸均为0.2 mx0.8 m坐标分别是：Y方向1.2 m~1.4 m，2.6 m～2.8 m，Z方向均为1.1m～1.9 m；排风口布置在靠近病人头部的后墙上，选取的尺寸也为0.2 mx0.8 m，其坐标分别是：Y方向0.6 m~0.8 m，2.1 m～2.3 m，Z方向均为1.1m～1.9 m。见图2。

(3)飞沫源布置：两种通风方式飞沫源均为床面0.2x0.2 m2的一区域，坐标为X方向0.6 m一0.8 m，
Z方向1.4 m~1.6 m，飞沫颗粒密度取1000 kg／m ，病人口腔正常呼出飞沫速度为0.3 m／s，本文计算中所采取的直径分别为1μm，10 μm，2O μm，50μm，每次计算每种颗粒的大小都是一致的。

1．2物理模型简化
针对上述物理模型做如下简化：
(1)忽略温度的变化，壁面为绝热壁面， 不考虑所有的换热，其中包括壁面与两相之间的换热，两相之问的换热。
(2)标准病房内送风量为0．12 m3／s～O．64 m3／s，风口0．5x0．5 m 和0．2x0．8 m ，经计算Re大于10⁵，确定为湍流模型来计算室内流场^[2] 。
(3)房间内空气当作不可压气体来计算，物性为常数。
(4)不考虑颗粒的碰撞、破碎， 即不存在质量损失。
(5)不考虑颗粒所受的Magnus力、热泳、电泳和光泳现象。
(6)由于尘埃源在邻近壁面处， 颗粒将受到Saffman力。
(7)颗粒与壁面是完全弹性碰撞。

2 控制方程
2.1气相的k-ε模型控制方程
本文采用k-ε两方程湍流模型^[12]，它是目前应用最广、接受检验最多、且数值求解技术也最成熟的湍流模型。对于标准房间内湍流两相流的三维流场，其气相基本方程通式为：

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