利用CFD研究平疫轉(zhuǎn)換病房污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬

武子煜，于亞飛，關(guān)承穎，安瀟龍，張棟梁

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

2019年初，面對(duì)突如其來(lái)的新冠疫情，許多地區(qū)出現(xiàn)了緊迫的醫(yī)療病床短缺的情況。因此，賦予普通建筑平疫轉(zhuǎn)換的能力，即利用學(xué)校、賓館等公共建筑，在突發(fā)重大衛(wèi)生事件下經(jīng)過(guò)最小限度的改造作為傳染病隔離病房，可以從根本上解決病床數(shù)量不足的問(wèn)題。

常備不虞，為國(guó)常道。正是基于平疫結(jié)合的理念，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《新型冠狀病毒肺炎應(yīng)急救治設(shè)施設(shè)計(jì)導(dǎo)則（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》），對(duì)集中收治新型冠狀病毒患者的醫(yī)療機(jī)構(gòu)或臨時(shí)建筑的改建、擴(kuò)建和新建工程項(xiàng)目提出規(guī)范和要求，并給出了負(fù)壓病房改造參考方案。孫麗等對(duì)負(fù)壓病房的通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，得出較科學(xué)的新風(fēng)量；陸瓊文分析了獨(dú)立新風(fēng)變量在負(fù)壓隔離病房平疫轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用；張一鳴等人設(shè)計(jì)了負(fù)壓隔離病房中的空調(diào)通風(fēng)控制系統(tǒng)。負(fù)壓病房改造存在諸多限制，要盡量利用房間內(nèi)的床位和通風(fēng)設(shè)施，并保證原有建筑墻體完整性，須對(duì)原有的氣流組織方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

本文參照了《導(dǎo)則》中的負(fù)壓病房改造方案，對(duì)賓館標(biāo)間進(jìn)行改造，利用CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)四種不同工況下的污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究，試通過(guò)分析室內(nèi)污染物流線、污染物分布、出口污染物濃度變化曲線等指標(biāo)，為平疫結(jié)合病房設(shè)計(jì)提出可行性方案。

2 計(jì)算模型建立

2.1 建筑模型

房間模型參照賓館標(biāo)間，尺寸為4m×9m×2.9m，設(shè)有兩張床位，衛(wèi)生間門尺寸0.9m×2.5m。房間內(nèi)新風(fēng)進(jìn)口尺寸1m×0.16m。人體模型身高1.7m，頭部尺寸0.2m×0.2m。此外，為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)門縫、窗縫等可能泄露氣體部位完全封閉。

2.2 邊界條件設(shè)置

由于房間在正常使用時(shí)采用通過(guò)窗戶縫隙自然排風(fēng)，無(wú)法滿足隔離病房的排風(fēng)量和過(guò)濾要求，因此在原有窗戶縫隙封閉的情況下，有必要設(shè)置新的排風(fēng)口，新設(shè)排風(fēng)口尺寸為0.2m×0.2m。參照火神山醫(yī)院的通風(fēng)數(shù)據(jù)，房間設(shè)計(jì)總排風(fēng)量700m3/h，總送風(fēng)量500m3/h,衛(wèi)生間與房間相對(duì)壓差5pa，病人口部氣體噴出速度為隨時(shí)間變化函數(shù)f()t：每間隔18s咳嗽一次，咳嗽噴出氣體速度為10m/s，咳嗽時(shí)間持續(xù)1s，其余時(shí)間保持0.3m/s呼出速度。病人口部作為含病毒空氣釋放源，相對(duì)污染物濃度設(shè)置為1，進(jìn)風(fēng)口和房間初始污染物相對(duì)濃度均為0。各邊界條件具體設(shè)置如表1所示。

進(jìn)口和出口邊界條件 表1

2.3 工況設(shè)置

依據(jù)《導(dǎo)則》中氣流組織設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮到“上送下回”、“排風(fēng)口靠近病人頭部”等原則，設(shè)置了四種不同的送排風(fēng)工況，分別為A病人頭部朝墻，排風(fēng)口位于外墻；B病人頭部朝墻，排風(fēng)口位于兩病人之間；C病人頭部朝過(guò)道，排風(fēng)口位于外墻；D打開衛(wèi)生間門，其余條件與C相同。具體布置見圖1所示。在利用Rhino軟件分別建立四個(gè)房間模型之后，導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和CFD計(jì)算。

圖1 模型平面布置圖

2.4 計(jì)算條件設(shè)置

假設(shè)房間內(nèi)氣流組織形式為不可壓縮氣體的湍流模型，忽略分子粘性影響，因而選擇計(jì)算迅速、精度較高的k-ε模型，開啟組分運(yùn)輸，并考慮重力作用。為了兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性和高效性，采用四邊形網(wǎng)格，房間內(nèi)主體網(wǎng)格尺寸為0.1m，并在送排風(fēng)口和衛(wèi)生間門處進(jìn)行網(wǎng)格加密，加密尺寸分別為0.02m和0.05m，最終網(wǎng)格數(shù)量約為80萬(wàn)。采用瞬態(tài)計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.05s，每步長(zhǎng)內(nèi)最大迭代次數(shù)20次，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)180s。

3 結(jié)果分析

3.1 氣流流動(dòng)軌跡

利用CFD-Post后處理軟件，得出如圖2四種工況下從病人口部呼出氣體的氣流流動(dòng)軌跡。工況A中，污染物氣體首先垂直向上噴出，在送風(fēng)口氣流推動(dòng)下于靠?jī)?nèi)病人頭部上方形成渦流，而后隨著送風(fēng)口氣體吹送至排風(fēng)口處，整體屬于混合流動(dòng)。工況B中，在排風(fēng)口抽吸作用下，污染物氣體從口部呼出后，均向排風(fēng)口移動(dòng)，送風(fēng)口氣流在到達(dá)外墻之后，再循環(huán)至排風(fēng)口處。工況C中，由于病人頭部靠近送風(fēng)口，污染物氣體排出后與新風(fēng)氣體混合后，到達(dá)外墻處的排風(fēng)口，送風(fēng)口氣流在外墻頂部反射后，在房間內(nèi)形成環(huán)繞氣流。工況D中，氣流流動(dòng)軌跡與工況C大致相同，由于房間內(nèi)為負(fù)壓，外部氣流從衛(wèi)生間門流入，加劇了污染物氣體的渦流。

圖2 四種工況污染物氣流流動(dòng)軌跡

通過(guò)分析可得，工況B對(duì)污染物氣體排放處理結(jié)果較好，能以最近距離排出，無(wú)法擴(kuò)散至醫(yī)生工作區(qū)域。工況C對(duì)新風(fēng)氣體循環(huán)處理結(jié)果較好，新鮮氣流在房間內(nèi)混合較充分，不會(huì)產(chǎn)生氣體滯留區(qū)。

3.2 污染物濃度分布

通過(guò)分析四種工況下排風(fēng)口的污染物氣體濃度變化曲線，可以看出污染物濃度曲線均隨病人每隔18s的咳嗽而發(fā)生突增，隨后污染物被迅速排出而下降，并在90s左右，即室內(nèi)空氣充分循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定波動(dòng)的狀態(tài)。其中工況B排出污染物效率最高，而工況A效率最低，工況C和D大致相同，D工況在從衛(wèi)生間流入的氣流影響下，氣體在室內(nèi)形成更大的渦流，因此波動(dòng)幅度較工況C大，另外有微量氣體從衛(wèi)生間門處排出。

為了更好地分析房間內(nèi)污染物對(duì)醫(yī)生的影響，計(jì)劃在醫(yī)生面部高度位置（1.7m）處設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于檢測(cè)污染物濃度。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、4、5位于醫(yī)生經(jīng)常走動(dòng)的工作區(qū)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3位于病人活動(dòng)區(qū)?？梢园l(fā)現(xiàn)工況B較其他工況污染物濃度更低，只有在兩病人床位之間處濃度較高，醫(yī)生在工作時(shí)應(yīng)避免此區(qū)域。另外在工況C和D中，衛(wèi)生間門流入氣體對(duì)污染物濃度的稀釋作用很微弱，并且衛(wèi)生間門長(zhǎng)時(shí)間開啟會(huì)影響房間內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)，應(yīng)該盡量避免此類工況。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)污染物濃度對(duì)比 表2

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)四種工況下的污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究。綜合比較，當(dāng)病人頭部靠墻時(shí)，將排風(fēng)口設(shè)置在兩病人床位之間的工況B排出污染物效果最好，在醫(yī)生站立高度污染物濃度均較低。送風(fēng)口新鮮氣體先流過(guò)走廊，再經(jīng)過(guò)病人面部被排出，有效地防止了污染物氣體向醫(yī)生工作區(qū)的擴(kuò)散。此外，開啟衛(wèi)生間門無(wú)法有效降低房間內(nèi)污染物濃度，反而會(huì)加劇污染物氣體在房間內(nèi)的渦流，應(yīng)保持衛(wèi)生間門的關(guān)閉。

圖3 排風(fēng)口濃度隨時(shí)間變化曲線