基于贴附射流的空调房间飞沫气溶胶传播与控制机理研究

with the appearance of pandemic disease in recent years, quick spread of severe acute respiratory syndrome (SARS) and influenza H1N1 ，haze weather endangers not only people's breathing health but also public space safety. Research has shown that indoor ventilation and air flow are closely linked to spread of infection. Transfer of droplet aerosols from human breathing is an important way to spread epidemic, and setting up air conditioning system in room is one of important methods to reduce infectious disease among people by droplet aerosols. Taking a air conditioning room based on wall attached jet as research object, theory model of attached jet collision and division under multiple conditions is set up. Applying such means as theoretical analysis, field test and dynamic simulation, etc., the research focuses on special local air distribution characteristics of attached jet air while inducing the surrounding air and flow pattern of droplet aerosols particles in air conditioning room. The object is to control the whole space distribution of aerosol droplets utilizing attached jet, reduce infection risk of diseases transferred by indoor air and improve people's breathing health and safety. Research results could provide effective mathematical model and experimental data for making and using new and highly efficient ventilation plan for public safety, and offer technical support and theoretical basis for air conditioning and ventilation equipments preventing air-spread diseases.

近些年来全球一系列的流行病爆发，严重急性呼吸系统综合症（SARS）和甲型H1N1流感、雾霾天气的蔓延对人们的呼吸健康，尤其是对公共场所安全带来的危害更大。研究表明，室内通风、空气流动和传染病的传播之间有着紧密的联系，人呼吸产生的飞沫气溶胶传递是流行病传播的重要途径，在房间设立空调通风系统是减少人与人飞沫气溶胶传染疾病的重要措施之一。本课题以基于贴附射流的空调房间为研究对象，构建多工况贴附射流碰撞分区理论模型，利用理论分析、实验测试、动态模拟计算等手段，研究贴附射流空气在诱导环境空气过程中形成特殊的局部气流分布特性，研究飞沫气溶胶颗粒在空调房间的流动规律，利用贴附射流控制人与人飞沫气溶胶在整体空间的分布，消除通过室内空气传播的传染病的感染风险，提高人们的呼吸健康和安全，课题成果为制定新型高效公共安全通风方案提供有效的数学模型和实验数据，为研发防范空气传播疾病的空调通风设备提供技术保障。

近些年来呼吸道传染病相继在全球各地爆发，引发了人们对空气品质的极大关注。呼吸道传染病毒可以依附于人呼吸、说话、咳嗽、打喷嚏等呼吸行为产生的飞沫气溶胶颗粒释放到房间中，污染室内空气并对其他人的健康造成威胁，因此合理的气流组织形式将会降低房间中易感人群传染病毒的机率，从而有效地控制疾病的传播。本课题通过问卷调查、现场测试、理论研究和数值模拟的手段，研究了不同气流组织形式的普通房间、会议室和病房等空调房间室内舒适度、空气品质、污染物分布、空气流动情况，通过合理的湍流强度理论和贴附射流空气碰撞分区的理论建立基于贴附射流的空气流动数学模型，研究了贴附射流空气在诱导环境空气过程中形成的局部气流流动特性。通过分析室内呼吸类传染病传播机理，采用Lagrange法建立飞沫气溶胶颗粒传输模型，追踪颗粒的运动轨迹，研究呼吸行为、粒径大小、感染者和易感者位置、换气次数、负压值、风速等参数对飞沫气溶胶颗粒运动分布的影响，通过稳态和非稳态数值模拟获得了人体呼吸产生的飞沫气溶胶颗粒的静态和动态运动规律和特性。在此基础上，建立了基于贴附射流的不同气流组织形式的多工况飞沫气溶胶颗粒传输理论模型，研究了基于贴附射流的空调房间飞沫气溶胶运动分布规律。同时，采用动网格技术和UDF开发研究了人员活动对贴附射流气流组织的干扰特征。最后，采用空气分布不均匀系数、能量利用系数、排污效率对不同工况的数值模拟结果进行比较分析，从而贴附射流对飞沫气溶胶颗粒传输的控制减少易感人群传染病毒的机率进行评价，提出控制呼吸道传染病传播的有效措施和满足传染性隔离病房的优化方案。研究结果表明，在相同的换气次数下，将送、回风口布置在病房前后两侧的顶棚处形成竖壁贴附射流的气流组织形式在病房内形成的定向气流明显，排除气溶胶颗粒效率最高。在竖壁贴附射流的条件下，将换气次数设置为20次/小时，即可对净化室内空气达到最佳效果。