負(fù)壓隔離器內(nèi)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(xué)城市建設(shè)學(xué)院 武漢 430070； 2. 武漢科技大學(xué)城市學(xué)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(jìn)行傳播[1-3]，如SARS、結(jié)核分枝桿菌、漢坦病毒等。當(dāng)進(jìn)行病毒空氣傳播實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備環(huán)境中的溫度、濕度對(duì)病毒活性的影響以及氣溶膠顆粒粒徑均是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的重要影響因素。研究表明，不同粒徑顆粒物進(jìn)入呼吸道的部位不同，<3.0 μm的顆粒物可以深入到次級(jí)支氣管，<2.0 μm的顆粒物可以到達(dá)終末支氣管，<1.0 μm的顆粒物可以到達(dá)肺泡[4]。AL-SHAMI H M H等[5]研究了潔凈手術(shù)室內(nèi)的氣流分布和顆粒運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了ACH(每小時(shí)換氣次數(shù))影響手術(shù)室內(nèi)速度、溫度和顆粒濃度分布。安樸燕[6]對(duì)空調(diào)房間內(nèi)的氣流組織和顆粒分布進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)小于5 μm的顆粒氣流跟隨性強(qiáng)，主要受氣流力和熱浮生力作用。李磊[7]研究發(fā)現(xiàn)通風(fēng)房間內(nèi)的微生物氣溶膠具有較強(qiáng)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(huì)進(jìn)入呼吸道深處,對(duì)人和動(dòng)物造成嚴(yán)重危害。

負(fù)壓隔離器是高等級(jí)生物實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展高致病性病毒感染動(dòng)物的飼養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)等操作時(shí)必不可少的的實(shí)驗(yàn)設(shè)備[9]。本文基于武漢大學(xué)ABSL-3級(jí)實(shí)驗(yàn)室中的猴負(fù)壓隔離器建立三維模型，運(yùn)用ANSYS軟件模擬負(fù)壓隔離器不同運(yùn)行工況對(duì)內(nèi)部氣溶膠顆粒的濃度及粒徑分布的影響，得到負(fù)壓隔離器內(nèi)部氣溶膠顆粒粒徑的分布規(guī)律，為進(jìn)行病毒空氣傳播實(shí)驗(yàn)時(shí)的設(shè)備運(yùn)行控制策略提供一定參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究中所采用的負(fù)壓隔離器實(shí)物圖如圖1所示，圖2為合理簡(jiǎn)化后的三維模型結(jié)構(gòu)示意圖。該負(fù)壓隔離器模型分為內(nèi)外兩部分，外隔離器上有兩個(gè)送風(fēng)口、一個(gè)回風(fēng)口以及與之對(duì)應(yīng)的送、回風(fēng)道。內(nèi)隔離器上部無(wú)面板，內(nèi)部設(shè)置有用長(zhǎng)方體表示的實(shí)驗(yàn)對(duì)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(nèi)送、回風(fēng)板皆為孔板結(jié)構(gòu)。各部分尺寸如表1所示。

圖1 負(fù)壓隔離器實(shí)物

圖2 模型結(jié)構(gòu)示意

表1 負(fù)壓隔離器各部分尺寸

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

在距離負(fù)壓隔離器底面0.25 m的高度處選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)B1、B2、B3，其中B2測(cè)點(diǎn)位于中間位置，B2測(cè)點(diǎn)兩側(cè)0.35 m處分別為B1、B3測(cè)點(diǎn)，采用激光粒子計(jì)數(shù)器測(cè)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(guī)律。

1.2.2 數(shù)值模擬

基于DPM模型，模擬不同換氣次數(shù)、送風(fēng)溫度對(duì)負(fù)壓隔離器內(nèi)的顆粒濃度分布和粒徑分布的影響。假定流動(dòng)空氣為不可壓縮流體，假設(shè)流動(dòng)是不穩(wěn)定狀態(tài)的湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。此外，為簡(jiǎn)化CFD模擬，墻壁上設(shè)置為無(wú)滑移條件。LIU J J等[10]指出熱量和湍流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)浮力驅(qū)動(dòng)的氣流，它根據(jù)溫差向上流動(dòng)。因此為確保在計(jì)算過(guò)程中考慮實(shí)驗(yàn)對(duì)象散發(fā)的熱量的影響，激活能量方程來(lái)啟用傳熱分析。實(shí)驗(yàn)對(duì)象溫度設(shè)定為310 K，隔離器內(nèi)壁的傳熱邊界條件均設(shè)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(nèi)，假設(shè)顆粒與攜帶顆粒的空氣之間沒(méi)有相對(duì)速度，模擬過(guò)程中打開(kāi)Stochastic Collision、Coalescence 、Breakup模型。顆粒性質(zhì)如表2所示。

表2 顆粒物理性質(zhì)

為了分析方便，模擬中提高了顆粒散發(fā)濃度，用于不同點(diǎn)濃度值的相對(duì)比較。參考文獻(xiàn)[11]指出，單純提高發(fā)生源的濃度數(shù)量級(jí)，不會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。在本研究中，模型網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證如圖3所示，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型用于流體分析，湍流強(qiáng)度為5%，收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-3。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

由于負(fù)壓隔離器送風(fēng)系統(tǒng)采用高效過(guò)濾器，隨送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入隔離器內(nèi)的粒子直徑較小，實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)主要測(cè)量了兩種粒徑(0.5 μm、1 μm)。粒徑為0.5 μm、1 μm顆粒的測(cè)量濃度值如下表3所示。

表3 不同粒徑顆粒濃度 個(gè)/L

由表3可以得出：不同粒徑顆粒分布規(guī)律趨于一致，顆粒數(shù)量整體呈現(xiàn)出兩邊多、中間少的特點(diǎn)。從表中可以看出B2測(cè)點(diǎn)0.25/0.35/0.5 m深度處顆粒濃度較低，這是由于負(fù)壓隔離器內(nèi)中部區(qū)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(cè)點(diǎn)0.6 m深度處靠近隔離器回風(fēng)板，所以顆粒濃度高于其他區(qū)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(shù)時(shí)(20 ACH、35 ACH、50 ACH)濃度分布情況，負(fù)壓隔離器內(nèi)部的溫度云圖和顆粒濃度云圖結(jié)果見(jiàn)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(nèi)部氣流旋渦主要存在于實(shí)驗(yàn)對(duì)象前方和后方下部區(qū)域，對(duì)比3種換氣次數(shù)時(shí)隔離器內(nèi)的溫度云圖、速度云圖可得：顆粒隨呼出氣流到達(dá)頂部后在渦流區(qū)域產(chǎn)生聚集，隨著換氣次數(shù)的增加，其他區(qū)域顆粒濃度降低。

2.3 粒徑模擬

本文模擬了兩種方案下負(fù)壓隔離器內(nèi)顆粒粒徑分布情況。

2.3.1 方案一

送風(fēng)溫度為298 K，改變換氣次數(shù)(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(shù)為35 ACH，改變送風(fēng)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(shù)時(shí)0～0.1 mm的顆粒占比

圖11 不同送風(fēng)溫度時(shí)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(shù)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(shù)的增加和送風(fēng)溫度的升高，粒徑分布呈增大趨勢(shì)。

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(fēng)溫度對(duì)不同粒徑尺寸的顆粒占比的影響較小。換氣次數(shù)對(duì)0～0.1 mm中0～0.01 mm顆粒占比影響較大，當(dāng)換氣次數(shù)從35 ACH減小到20 ACH時(shí)，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(jìn)入到呼吸道深處，因此進(jìn)行病毒空氣傳播實(shí)驗(yàn)時(shí)，可減小設(shè)備換氣次數(shù)。

3 結(jié)論

本文研究了不同換氣次數(shù)、送風(fēng)溫度對(duì)負(fù)壓隔離器內(nèi)氣溶膠顆粒濃度和粒徑分布的影響。結(jié)果表明，換氣次數(shù)、送風(fēng)溫度對(duì)于粒徑分布均有影響。主要結(jié)論如下：

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該粒徑尺寸下，不同粒徑顆粒分布規(guī)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(qū)域，顆粒濃度較低，顆粒具有良好的氣流跟隨性。

(2) 隔離器內(nèi)部氣流旋渦主要存在于實(shí)驗(yàn)對(duì)象前方和后方下部區(qū)域，增加換氣次數(shù)導(dǎo)致氣流旋渦區(qū)域顆粒濃度升高，其他區(qū)域的顆粒濃度降低。

(3)隨著換氣次數(shù)的增加和送風(fēng)溫度的增大，粒徑分布呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。減小換氣次數(shù)，能顯著提高0～0.1 mm粒徑范圍中0～0.01 mm的顆粒占比，對(duì)病毒空氣傳播實(shí)驗(yàn)具有積極效果。