核酸采樣室攜帶病毒顆粒物擴(kuò)散的模擬與通風(fēng)方案優(yōu)化

王飛　高文峰　李瓊　李晶金　孔劉洋

摘要：? 為防止新型冠狀病毒在核酸采樣室內(nèi)人員之間發(fā)生交叉感染，以普通核酸采樣室為研究對象，采用歐拉拉格朗日法計(jì)算咽拭子檢測過程中攜帶病毒的顆粒物擴(kuò)散規(guī)律，分別采用加強(qiáng)機(jī)械通風(fēng)和設(shè)置局部吸氣設(shè)備2種方法進(jìn)行通風(fēng)方案優(yōu)化。結(jié)果表明：在核酸采樣室內(nèi)進(jìn)行咽拭子檢測的過程中，攜帶病毒的顆粒物可以在房間內(nèi)擴(kuò)散并持續(xù)數(shù)分鐘;加強(qiáng)機(jī)械通風(fēng)可明顯提高室內(nèi)攜帶病毒顆粒物的置換效率，但也有在空間范圍內(nèi)迅速擴(kuò)散的問題;設(shè)置局部吸氣設(shè)備可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到迅速減少室內(nèi)病毒顆粒物的目的。

關(guān)鍵詞：? 病毒; 采樣室; 機(jī)械通風(fēng); 局部吸氣

中圖分類號(hào)：? TU834;R122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Virus-carrying particles diffusion simulation and ventilation

scheme optimization in nucleic acid sampling room

WANG Fei GAO Wenfeng LI Qiong LI Jingjin KONG Liuyang

（School of Energy And Environment Science， Key Laboratory of Rural Energy Engineering of Yunnan， Yunnan Normal

University， Kunming 650500， China）

Abstract： To prevent cross infection of COVID-19 in nucleic acid sampling room， the diffusion law of particles carrying virus in the process of pharyngeal swab detection is calculated by Euler-Lagrange method taking the common nucleic acid sampling room as the research object. The ventilation scheme is optimized with strengthening mechanical ventilation and setting local suction equipment. The results show that the virus-carrying particles can spread in the room for several minutes during pharyngeal swab detection in nucleic acid sampling room. Strengthening mechanical ventilation can significantly improve the replacement efficiency of indoor virus particles， but it also can cause the rapid diffusion in sampling room. Setting local air admission equipment can quickly reduce indoor virus particles in a short time.

Key words： virus; sampling room; mechanical ventilation; local air admission

基金項(xiàng)目：? 國家自然科學(xué)基金（51866016，51960932）

作者簡介： 王飛（1997—），男，山西大同人，碩士研究生，研究方向?yàn)楸粍?dòng)式太陽房通風(fēng)與采暖的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，

（E-mail）1055354679@qq.com

通信作者： 高文峰（1970—），男，云南宣威人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)樘柲軣崂弥械牧鲃?dòng)與傳熱問題的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，

（E-mail）413900096@qq.com0引言

目前，新型冠狀病毒肺炎（簡稱“新冠肺炎”）肆虐全球。為應(yīng)對新型冠狀病毒（以下簡稱“新冠病毒”）的防控需要，我國各地設(shè)立核酸采樣室，對高、中、低風(fēng)險(xiǎn)人群進(jìn)行核酸采樣檢測。

研究表明，新冠病毒以氣溶膠形式在一般室內(nèi)空氣環(huán)境中可存活3 h，若停留于房間壁面上，更是可以存活2～3 d[1]。在咽拭子核酸采樣室內(nèi)，被采樣人員往往需要摘掉口罩，并張嘴做出“啊”的動(dòng)作，因此有可能釋放出夾帶病毒的液滴或顆粒。同時(shí)，核酸采樣室內(nèi)可能存在短時(shí)間內(nèi)對多個(gè)被采樣人員連續(xù)檢測的可能性，若前一個(gè)被檢測者新冠肺炎核酸檢測結(jié)果呈陽性，后一個(gè)被檢測者再進(jìn)入核酸采樣室內(nèi)是否會(huì)有被感染的危險(xiǎn)？因此，研究核酸采樣室內(nèi)攜帶病毒顆粒的擴(kuò)散規(guī)律，減少其在采樣室內(nèi)擴(kuò)散和長時(shí)間停留的可能性，有一定的意義。

公共衛(wèi)生學(xué)家WELLS[2]1934年就提出液滴核理論，即人體內(nèi)的病毒和微生物可附著于由說話、咳嗽、打噴嚏等行為所釋放的液滴上排出體外，這些液滴蒸發(fā)后形成液滴核并攜帶病毒和微生物懸浮于空氣中較長時(shí)間，進(jìn)而被其他人吸入后導(dǎo)致人體患病。國外學(xué)者對病人呼出的飛沫氣溶膠顆粒的傳播研究較早，而我國對其傳播的研究起步較晚。

清華大學(xué)對室內(nèi)人體飛沫氣溶膠顆粒物傳播規(guī)律開展一系列具有延續(xù)性的工作，并采用FLUENT軟件通過計(jì)算流體力學(xué)模擬方法進(jìn)行研究分析[3-5]。李光熙等[6]以室內(nèi)非典型肺炎病毒為研究對象，采用CFD軟件模擬建立病毒在空氣中傳播的非穩(wěn)態(tài)模型，分析其憑借飛沫氣溶膠在室內(nèi)傳播的特征。劉樹森[7]研究認(rèn)為，環(huán)境風(fēng)速和飛沫噴口氣流作用是影響病毒、微生物氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要原因，其理論計(jì)算結(jié)果認(rèn)為粒子氣流的跟隨性在粒徑為1 μm以下時(shí)尤為明顯，粒子自身重力及慣性作用的影響較小。趙治[8]對人體呼吸、咳嗽以及打噴嚏時(shí)產(chǎn)生的飛沫氣溶膠顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性和傳播規(guī)律開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合理論分析進(jìn)行細(xì)致的研究。但是，針對核酸采樣室內(nèi)病毒飛沫分布的研究較少。

本文采用FLUENT軟件結(jié)合可形變部件模型（deformable part model， DPM）對核酸門診采樣室內(nèi)新冠肺炎核酸檢測結(jié)果呈陽性人員釋放的攜病毒氣溶膠顆粒的傳播規(guī)律進(jìn)行模擬研究分析，提出加強(qiáng)機(jī)械通風(fēng)和設(shè)置局部吸氣設(shè)備2種防止攜病毒氣溶膠顆粒物大面積擴(kuò)散和長時(shí)間停留的有效手段，為核酸采樣室的設(shè)計(jì)和采樣檢測過程提供參考。

1物理模型

1.1模擬模型概述

選用普通的核酸采樣室為模擬研究對象，其長、寬、高分別為5、3和3 m，設(shè)置低風(fēng)速機(jī)械通風(fēng)模擬一般采樣室的實(shí)際工況。房屋頂部設(shè)置半徑為0.1 m的空調(diào)通風(fēng)口，正面墻壁和右側(cè)墻壁分別設(shè)置門和窗作為回風(fēng)口。采樣室物理模型見圖1。

圖 1核酸采樣室物理模型

1.2模型簡化及邊界條件

飛沫氣溶膠粒徑較小，眾多顆粒組成稀薄的分散相，其體積容積率≤50%[9]，因此可認(rèn)為氣溶膠顆粒屬于不連續(xù)的離散相。將空氣視為連續(xù)介質(zhì)，模型設(shè)置為離散相在連續(xù)相中運(yùn)動(dòng)的多相流模型?？諝饨橘|(zhì)是飛沫氣溶膠顆粒的載體，采用歐拉法進(jìn)行計(jì)算。采用拉格朗日法研究飛沫氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況，并追蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，氣溶膠顆粒在空氣中的傳播選用離散相模型及歐拉拉格朗日法進(jìn)行研究。

采樣室內(nèi)有多種因素影響病毒顆粒在室內(nèi)流場中的運(yùn)動(dòng)，為便于計(jì)算，物理模型和邊界條件作以下簡化：（1）室內(nèi)空氣為不可壓縮氣體，房間和人體壁面邊界為絕熱;（2）顆粒與周圍環(huán)境之間無溫差，顆粒與顆粒之間、顆粒與周圍環(huán)境之間的傳熱忽略不計(jì);（3）顆粒與環(huán)境接觸發(fā)生的蒸發(fā)相變過程轉(zhuǎn)瞬即逝，故忽略不計(jì);（4）只考慮顆粒與顆粒傳輸過程中的碰撞和粘附，其凝并作用忽略不計(jì);（5）房間各壁面邊界設(shè)置為“捕捉”，門窗自由出口邊界設(shè)置為“逃逸”，局部吸氣設(shè)備壁面和桌面設(shè)置反彈系數(shù)為0.1;（6）計(jì)算采用同時(shí)打開kω模型和DPM模型。各工況下邊界條件設(shè)置見表1。

2數(shù)值模型

2.1基本控制方程

室內(nèi)空氣是人體飛沫氣溶膠顆粒傳播的主要載體。研究室內(nèi)顆粒物擴(kuò)散問題，首先要明確顆粒物所處的室內(nèi)空氣的流動(dòng)情況。房間內(nèi)的空氣流動(dòng)一般都為湍流，設(shè)定核酸采樣室內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流，流體流動(dòng)滿足三大控制方程，其通用形式為

式中：ρ為流體密度，kg/m³;為通用應(yīng)變量;t為時(shí)間，s;u為流體速度，m/s;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng)。

2.2飛沫氣溶膠顆粒受力

采樣室中飛沫氣溶膠顆粒受力情況復(fù)雜，為便于模型簡化，本文只考慮重力、拖曳力和布朗力等主要作用力，數(shù)量級(jí)關(guān)系影響較小的熱泳力和浮力忽略不計(jì)[10-11]。

2.2.1重力

飛沫氣溶膠的密度約為1×10⁶g/m³，遠(yuǎn)大于空氣密度，忽略浮力作用時(shí)其重力

式中：ρ為顆粒密度;d為顆粒的當(dāng)量直徑。

2.2.2拖曳力

拖曳力主要表現(xiàn)為削弱顆粒與周圍環(huán)境空氣相對運(yùn)動(dòng)趨勢。一般情況下，拖曳力的計(jì)算公式[12]為

式中：ρ_a為空氣密度;u_a和u分別為氣流速度和粒子速度;C_d和C_c為分別為拖曳系數(shù)和Cammingham滑動(dòng)修正因數(shù)。

2.2.3布朗力

布朗力描述顆粒懸浮于空氣環(huán)境下的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，通常用平均自由程和松弛時(shí)間描述，計(jì)算公式[13]為

式中：ξ為顆粒的渦擴(kuò)散率;Δt為計(jì)算過程中用到的時(shí)間步長;T為流體絕對溫度;v為氣體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);σ為玻爾茲曼常數(shù)。

2.3飛沫氣溶膠顆粒室內(nèi)運(yùn)動(dòng)特性分析

飛沫產(chǎn)生時(shí)存在大液相分散成氣相飛沫的霧化現(xiàn)象。新冠肺炎感染者呼吸道產(chǎn)生的飛沫包含新冠病毒，這些包裹病毒的液相往往進(jìn)入空氣環(huán)境后被迅速蒸發(fā)形成飛沫核[14]。描述蒸發(fā)特性的Langmuir公式為

式中：I為液滴每秒蒸發(fā)的質(zhì)量;P₀為液滴表面飽和蒸汽壓;P為離開液滴表面后空間局部蒸汽壓;M為蒸汽分子的摩爾質(zhì)量;D為溶劑分子的擴(kuò)散系數(shù);R為氣體常數(shù)。

3模擬結(jié)果與分析

3.1低風(fēng)速通風(fēng)情況下室內(nèi)飛沫顆粒傳播分析

3.1.1室內(nèi)空氣速度

核酸采樣室空氣流場速度云圖見圖2。由此可以看出，送風(fēng)口低速通風(fēng)只造成房間內(nèi)送風(fēng)口下方產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的速度流場，而在房間絕大部分區(qū)域未產(chǎn)生明顯的速度擴(kuò)散現(xiàn)象，整個(gè)房間的空氣流場處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

3.1.2氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

不同時(shí)刻采樣室內(nèi)顆粒物分布軌跡見圖3。當(dāng)t=0～7 s時(shí)，顆粒從病人口部逐漸噴出;當(dāng)t=7～120 s時(shí)，顆粒在病人周圍擴(kuò)散，且受室內(nèi)空氣流動(dòng)作用，較小有沉積現(xiàn)象發(fā)生;當(dāng)t=120～540 s時(shí)，顆粒繼續(xù)在房間擴(kuò)散，部分顆粒從窗戶離開。核酸采樣室內(nèi)顆粒密度隨時(shí)間的變化見圖4。當(dāng)t=540 s時(shí)，房間內(nèi)顆粒數(shù)量僅下降至最大值的69.8%。

通過以上分析可知，普通核酸采樣室內(nèi)存在以下3個(gè)問題：（1）咽拭子采樣檢測過程中釋放的夾帶病毒的液滴/氣溶膠顆粒會(huì)部分接觸到檢測人員，但由于檢測人員穿有防護(hù)服，危險(xiǎn)性不高;（2）液滴/氣溶膠顆粒會(huì)在房間內(nèi)停留較長時(shí)間，特別是集

中采樣檢測情況下，氣溶膠顆粒足以停留至下一位被檢測者進(jìn)入室內(nèi)的時(shí)刻;（3）液滴/氣溶膠顆粒會(huì)逐漸擴(kuò)散至整個(gè)房間內(nèi)部空間，因此核酸采樣室內(nèi)存在一定的危險(xiǎn)性。

3.2通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.2.1優(yōu)化方式

針對病毒傳播機(jī)理和防控的研究，各國相關(guān)指南都認(rèn)為通風(fēng)系統(tǒng)對減少病毒在空氣中的傳播有一定的輔助作用[15]。因此，本文提出2種通風(fēng)結(jié)構(gòu)，以避免被檢測者口中釋放的氣溶膠顆粒在房間內(nèi)長時(shí)間停留，以致完全擴(kuò)散至整個(gè)房間帶來危險(xiǎn)。第一，加大通風(fēng)量，使攜帶病毒的氣溶膠顆粒加速離開房間;第二，被檢測者口腔部附近設(shè)置局部吸氣設(shè)備，使攜帶病毒的氣溶膠顆粒被釋放但還未大面積擴(kuò)散前就被部分吸收。

3.2.2優(yōu)化效果對比分析

核酸采樣室送風(fēng)口以2.5 m/s機(jī)械通風(fēng)作為室內(nèi)飛沫氣溶膠顆粒物傳播的有效動(dòng)力源，持續(xù)通風(fēng)條件下核酸采樣室顆粒濃度分布見圖5（a）和（b）。被檢測者張嘴檢測過程中噴射的飛沫氣溶膠顆粒被噴出，受空調(diào)出風(fēng)口強(qiáng)烈氣流的影響，顆粒團(tuán)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏移。3 s時(shí)，較大的室內(nèi)氣流導(dǎo)致顆粒局部擴(kuò)散加快;17 s時(shí)，顆粒團(tuán)在房間里完全擴(kuò)散開，部分顆粒從門窗逸出或者與壁面接觸被吸附，顆?？倲?shù)迅速下降;25 s時(shí)，顆粒迅速下降至總數(shù)的50%。

在核酸采樣室內(nèi)被檢測者身側(cè)設(shè)置局部吸氣設(shè)備，收集釋放于室內(nèi)的飛沫氣溶膠顆粒，該條件下核酸采樣室顆粒濃度分布見圖5（c）和（d）。被檢測者張口檢測過程中噴射的飛沫氣溶膠顆粒被局部吸氣設(shè)備吸入，6 s時(shí)可明顯看到飛沫氣溶膠顆粒進(jìn)入局部吸氣設(shè)備被收集，10 s時(shí)部分逃逸出吸氣設(shè)備范圍的顆粒受房間紊流作用遠(yuǎn)揚(yáng)至房間深處，但未造成顆粒多數(shù)量、大面積的擴(kuò)散。2種通風(fēng)方式下采樣室內(nèi)氣溶膠顆粒數(shù)量隨時(shí)間的變化見圖6。采用被檢測者身側(cè)設(shè)置局部吸氣設(shè)備的通風(fēng)方式時(shí)，25 s時(shí)房間內(nèi)氣溶膠顆粒的數(shù)量僅為總數(shù)的1%以下。

對比以上結(jié)果可知，2種改進(jìn)措施都可以有效增加房間內(nèi)新風(fēng)的輸送量，加快室外新風(fēng)置換室內(nèi)被污染空氣的速度，從而起到明顯凈化室內(nèi)環(huán)境的效果。但是，加大通風(fēng)量導(dǎo)致房間內(nèi)速度場較大，反而會(huì)使顆粒的空間擴(kuò)散加強(qiáng)，同時(shí)還存在顆粒吸附于房間內(nèi)壁面的情況，有可能導(dǎo)致顆粒二次揚(yáng)起的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)置局部吸氣設(shè)備可以改變房間內(nèi)局部氣流方向，使得病人噴出的顆粒向吸氣口運(yùn)動(dòng)。加入局部吸氣設(shè)備后，氣溶膠顆?？稍诙虝r(shí)間內(nèi)降低至較低水平;局部吸氣設(shè)備可以避免顆粒在整個(gè)房間大面積擴(kuò)散。

4結(jié)束語

在核酸采樣室內(nèi)，若被檢測者中存在新冠病毒核酸檢測結(jié)果呈陽性的人員，咽拭子檢測過程會(huì)使病人體內(nèi)的病毒釋放至采樣房間內(nèi)，并且可以在房間內(nèi)擴(kuò)散并持續(xù)數(shù)分鐘。加強(qiáng)房間內(nèi)機(jī)械通風(fēng)可以使新冠病毒感染者釋放的夾帶病毒的顆粒數(shù)目快速減小，但存在使顆粒在空間范圍內(nèi)迅速擴(kuò)散的問題，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)對氣流組織著重考慮。設(shè)置局部吸氣設(shè)備可以使房間內(nèi)攜帶病毒氣溶膠顆粒的數(shù)目在較短時(shí)間內(nèi)快速減小到較低的水平，而且不易引起顆粒在空間范圍內(nèi)擴(kuò)散，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)對吸氣設(shè)備的位置、吸氣強(qiáng)度和吸氣口形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳吸收效果。參考文獻(xiàn)：

[1]VAN DOREMALEN N， BUSHMAKER T， MORRIS D H， et al. Aerosol and surface stability of HCoV-19 （SARS-CoV-2） compared to SARS-CoV-1[J]. New England Journal of Medicine， 2020， 382（16）：1564-1567. DOI： 10.1056/NEJMc2004973.

[2]WELLS W F. On air-borne infection： Study Ⅱ： Droplets and droplet nuclei[J]. American Journal of Epidemiology， 1934， 20（3）： 619-627. DOI： 10.1093/oxfordjournals.aje.a118097.

[3]趙彬， 張昭， 李先庭. 室內(nèi)不同通風(fēng)方式下生物顆粒的分布比較[J]. 暖通空調(diào)， 2003（3）： 179-182.

[4]趙彬， 張昭， 李先庭. 室內(nèi)人體飛沫傳播的數(shù)值研究[J]. 暖通空調(diào)， 2003（3）： 176-178.

[5]趙彬， 張昭， 李先庭. 生物顆粒在相鄰房間運(yùn)動(dòng)的數(shù)值研究[J]. 暖通空調(diào)， 2003（3）： 173-175.

[6]李光熙， 陶文銓， 孫曉娟. 非典型肺炎病毒在空氣中傳播過程的初步數(shù)值模擬[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003， 37（7）： 764-766. DOI： 10.3321/j.issn：0253-987X.2003.07.026.

[7]劉樹森. 口腔散發(fā)微生物氣溶膠顆粒物在室內(nèi)傳播和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2007.

[8]趙治. 室內(nèi)生物顆粒物運(yùn)動(dòng)和傳播的試驗(yàn)研究[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2007.

[9]董建男. 室內(nèi)污染物顆粒運(yùn)動(dòng)模擬與空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制研究[D]. 沈陽： 沈陽建筑大學(xué)， 2015.

[10]WEI J， LI Y. Enhanced spread of expiratory droplets by turbulence in a cough jet[J]. Building and Environment， 2015， 93： 86-96. DOI： 10.1016/j.buildenv.2015.06.018.

[11]XIE X， LI Y， CHWANG A T， et al. How far droplets can move in indoor environments-revisiting the Wells evaporation-falling curve[J]. Indoor Air， 2007， 17（3）： 211-225. DOI： 10.1111/j.1600-0668.2007.00469.x.

[12]明月. 空調(diào)房間人體氣溶膠顆粒污染物運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[D]. 沈陽： 沈陽建筑大學(xué)， 2012.

[13]TSEKOV R. Brownian motion of a classical particle in quantum environment[J]. Physics Letters A， 2018， 382（33）： 2230-2232. DOI： 10.1016/j.physleta.2017.06.037.

[14]于璽華. 現(xiàn)代空氣微生物學(xué)[M]. 北京： 人民軍醫(yī)出版社， 2002： 39-40.

[15]郭明月， 徐鵬， 肖桐， 等. 應(yīng)對新型冠狀病毒國內(nèi)外暖通相關(guān)指南對比[J]. 暖通空調(diào)， 2020， 20（11）： 18-25.（編輯武曉英）