室内温度分层环境下人呼出热射流规律及飞沫散布机理

Expiratory flows of an infected individual can spread diseases in indoor environment especially the expiratory flows penetrated to the breath zone of susceptible. Compared to thermal uniform environment (mixing ventilation), the thermal jet will be locked in the breathing zone in thermal stratified environment (displacement ventilation). The study of its mechanism and dispersion of droplets inside it is lack. Research on the mechanism of exhaled thermal jet and dispersion of droplets in thermally-stratified indoor environment is the cross study of building environment,jet theory, multiphase and infectious diseases. .The governing equations of thermal jets in thermally stratified environments with and without background wind will be developed to predict the central trajectory of the jet, profile of temperature, humidity, velocity inside the jet. Based on the equations and plume model, the interaction of plume and jets will be identified in thermally-stratified environment with different temperature gradients. The results will be verified by stratified tank and full scale cabin. The model of droplets evaporation and dispersion will be added to identify the contribution of droplets borne, short-range airborne and long-range airborne diseases. This project is hopeful to provide guideline for preventing airborne infections.

病人呼吸、咳嗽、打喷嚏时呼出热射流如果直接进入易感人群的呼吸区，会大大增加被感染概率，形成高风险的飞沫传播和短距离空气传播。相比较温度均匀环境，温度分层环境下人呼出的射流易被“自锁”在呼吸区，而其现象及其中飞沫的蒸发和散布特征缺乏机理研究。研究温度分层环境下人呼出的射流规律及飞沫散布特征等基础问题是建筑环境学、射流理论、多相流理论和传染病交叉的前沿问题。.本项目拟首先在温度分层环境下建立人呼出热射流的控制方程，预测热射流的中心轨迹和射流内温度，速度的分布曲线。再根据热射流模型和热羽流模型，系统性得出不同温度梯度环境下，人产生热羽流和呼出热射流之间的相互作用及渗透距离，并采用密度分层水槽和全尺寸环境舱进行实验验证。在此基础上，加入飞沫的蒸发、飞沫核散布特征模型及传染病风险模型，预测飞沫传播，短距离空气传播和长距离空气传播的风险。本项目有望为飞沫传播和短距离空气传染病的控制提供理论指导。

近二十年来，多次爆发的呼吸道传染病，如SARS、H1N1、MERS和COVID-19，反复说明了研究人呼出生物气溶胶及呼吸道传染病传播机理的重要性。多数传染病的感染发生在室内环境中，传染性病原体随着人体呼气活动产生的飞沫或飞沫核在人际间传播扩散从而引发疾病感染。前期研究发现，在置换通风或由热压主导的自然通风房间内空气温度分布不均匀，出现温度分层现象，并导致人呼出的气流会出现 “滞留现象”，呼出污染物可能悬浮在人员呼吸区高度附近，对室内易感人员造成潜在的疾病感染风险，本项目针对其中夹带飞沫的动力特性以及对传染病传播风险的影响和滞留高度规律展开研究。.本项目提出了一种射流积分模型描述室内分层环境中人呼出气流的扩散规律并探究滞留现象出现的本质原因。设计并搭建多功能水箱实验台，采用“热分层法”实现水箱环境稳定的温度分层，根据相似性原理在水箱中模拟不同的室内环境工况下呼气气流的演变规律。实验验证了发展的射流积分模型，发现气流在温度分层环境中的滞留高度与呼气参数、环境温度梯度呈幂次律关系。在呼气气流散布规律的基础上，进一步结合飞沫的蒸发理论，研究了分层环境对人呼出飞沫在环境中蒸发运动特性的影响。滞留高度由温度梯度和飞沫的初始粒径共同决定，并呈幂次律关系，较强的温度分层能将粒径较大的飞沫核滞留在靠近人呼吸区的高度，传播的风险, 基于呼吸道传染病患者呼出气流及其夹带飞沫核的扩散特性，研究了室内环境中易感人员的暴露风险，结合病毒动力学、病毒的剂量-反应模型建立了呼吸道传染病在人际间的传播风险评估模型,并进行了敏感性分析。一定程度上量化了社交距离与呼吸道传染病传播风险的关系。研究结果表明在本文计算条件下室内环境中呼吸道传染病传播风险比室外自然通风环境下高约3个数量级。该结果可指导改进置换通风设计，科学量化社交距离和戴口罩作用等。本研究发表论文8篇，其中高水平论文8篇。培养博士研究生1名，硕士研究生2名，成果支撑了项目负责人参与了新冠疫情防控工作。