高速列車客室內(nèi)呼吸道飛沫傳輸規(guī)律的數(shù)值模擬研究

徐任澤，伍釩，劉歡，錢博森

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410075；2. 中南大學(xué) 軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410075；3. 中南大學(xué) 軌道交通列車安全保障技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長沙，410075；4. 中南大學(xué) 湘雅三醫(yī)院，湖南 長沙，410013)

過去幾十年中，諸如肺結(jié)核、流感、埃博拉等呼吸道傳染性疾病一直威脅公共健康安全。隨著時(shí)間推移，全球范圍內(nèi)的感染人數(shù)仍急劇上升，公共健康安全問題并沒有得到有效解決?？諝鈧鞑ズ徒佑|傳播是呼吸道傳染性疾病傳播的主要途徑[1]，患者通過不同的呼吸活動(說話、咳嗽、噴嚏)釋放出大量攜帶病原體的飛沫(飛沫核)，這些飛沫(飛沫核)易懸浮在空氣中或者沉積在墻面上，致使人體暴露在含有病原體的公共環(huán)境中[2]。伴隨著城市化進(jìn)程的加快，世界各國對軌道交通的需求急速上升。高速列車因其具有舒適性好、運(yùn)行速度快、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞[3-4]，尤其是對于發(fā)展中國家，高速列車的重要性更加突出。例如，在每年重要節(jié)日時(shí)，列車內(nèi)的乘客密度都會達(dá)到頂峰。然而，運(yùn)營列車是一個高度封閉和擁擠的室內(nèi)空間，這可能會進(jìn)一步加劇呼吸道傳染病交叉感染現(xiàn)象[5]。因此，需要迫切研究高速列車客室內(nèi)飛沫的流動特征，為設(shè)計(jì)有效的通風(fēng)策略提供依據(jù)，這對于軌道交通持續(xù)發(fā)展和乘員健康安全極為關(guān)鍵。

迄今為止，許多學(xué)者通過理論分析[6-7]、數(shù)值模擬[8-10]和試驗(yàn)[11-12]等方法研究了飛沫在不同環(huán)境下的擴(kuò)散特征。YAMAKAWA 等[13]研究了攜帶病原體飛沫在教室中的長期擴(kuò)散過程，并考慮病原體的衰減性，發(fā)現(xiàn)教室中的社交距離應(yīng)大于建議值(2.0 m)的2倍以上。YAN等[14]發(fā)現(xiàn)咳嗽氣流和人體熱量均會顯著增加飛沫在空氣中的停留時(shí)間和移動距離，這導(dǎo)致高占用率的室內(nèi)空間中人員被感染的風(fēng)險(xiǎn)性急劇增加。YANG等[15]通過數(shù)值模擬方法研究了室外環(huán)境條件對飛沫擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)室外風(fēng)速和相對濕度增加會導(dǎo)致飛沫沉降到地面的數(shù)量明顯上升。QIAN等[12]以N2O示蹤氣體代替飛沫核，研究了3 種室內(nèi)通風(fēng)方案(混合、向下和置換通風(fēng))下飛沫核的擴(kuò)散特性，發(fā)現(xiàn)與其他2種通風(fēng)方案相比，置換通風(fēng)方案更容易導(dǎo)致呼出的飛沫核聚集在局部空間中?？傮w而言，人們對醫(yī)院、房間、飛機(jī)等常規(guī)環(huán)境中的飛沫或者示蹤氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了大量研究，而對高速列車內(nèi)的飛沫流動特征以及通風(fēng)策略研究較少。為了深入研究高速列車客室內(nèi)多場(速度、溫度等)耦合作用下飛沫的空間運(yùn)動特性，本文作者在高還原度的客室內(nèi)部空間中建立飛沫運(yùn)動、擴(kuò)散的數(shù)值模擬方法，分析釋放位置、初始粒徑和初始速度等因素對客室中飛沫傳播過程的影響。構(gòu)建適用于列車客室流場與飛沫耦合運(yùn)動的數(shù)值模擬方法，揭示不同邊界條件下飛沫的擴(kuò)散規(guī)律，以便為降低客室內(nèi)呼吸道傳染性疾病傳播和交叉感染風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 客室內(nèi)飛沫運(yùn)動特性的數(shù)值模擬方法

1.1 主要假設(shè)

為模擬飛沫在高速列車客室內(nèi)部空間中的傳輸過程，進(jìn)行如下假設(shè)：1) 高速列車客室的氣密性良好，不考慮室內(nèi)的滲風(fēng)、漏風(fēng)等；2) 飛沫顆粒之間不發(fā)生凝并、破碎現(xiàn)象；3) 飛沫顆粒在整個運(yùn)動和蒸發(fā)過程中均保持球形；4) 僅考慮人體口腔產(chǎn)生的飛沫，即乘客口部為飛沫的噴射出口；5) 數(shù)值模擬中飛沫受力只考慮對其運(yùn)動起主導(dǎo)作用的重力、氣動阻力、熱泳力以及氣動升力，忽略其他作用力[14-15]；6) 人體衣服和客室材料具有高度的吸附性，當(dāng)飛沫接觸到人體或者客室表面時(shí)，出現(xiàn)完全沉積現(xiàn)象，此時(shí)，停止該飛沫的追蹤計(jì)算。

1.2 幾何模型、邊界條件及網(wǎng)格設(shè)置

以某型號高速列車中間車為研究對象，采用比例為1∶1 的計(jì)算模型。該模型由客室乘坐區(qū)域、兩端連廊和完整的風(fēng)道系統(tǒng)等構(gòu)成，未建立空調(diào)單元的實(shí)際模型[16-18]。計(jì)算模型的主要幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)分布如圖1(a)和圖1(b)所示，其中，H為包含風(fēng)道結(jié)構(gòu)在內(nèi)的列車高度(H=2.78 m)，列車總長為8.92H，寬度為1.02H。列車的風(fēng)道系統(tǒng)由送風(fēng)道、回風(fēng)道和廢排風(fēng)道組成，在圖1(c)中用不同的顏色標(biāo)記風(fēng)道系統(tǒng)各部分的構(gòu)成。經(jīng)過空調(diào)單元處理的空氣通過送風(fēng)管道從2 種不同類型的出風(fēng)口(第一種類型的出風(fēng)口位于行李架上方，第二種類型的出風(fēng)口位于座椅下方)進(jìn)入客室中，客室中的部分空氣通過回風(fēng)管道被吸入到空調(diào)單元混合腔，然后與來自外界環(huán)境的新風(fēng)混合，而其余部分的空氣則通過廢排風(fēng)道直接排放到外界環(huán)境中。此外，根據(jù)GB 10000—1988 標(biāo)準(zhǔn)[19]，在5(列數(shù))×18(行數(shù))個座位上建立乘客坐姿模型(圖1(b)中數(shù)字1～18 為座位序號)，該模型的適用性已在文獻(xiàn)[17]中得到驗(yàn)證。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)和客室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)Fig.1 Geometric models of ventilation system and passenger compartment

在客室流場邊界條件方面，將送風(fēng)口、回風(fēng)出口以及廢排出口設(shè)置為體積流量邊界，總送風(fēng)量為4 800 m3/h，回風(fēng)量為3 000 m3/h，其余風(fēng)量從廢排出口流出。以夏季作為列車運(yùn)行環(huán)境(外環(huán)境溫度為35 ℃)，空調(diào)送風(fēng)溫度為12 ℃，送風(fēng)濕度為70%?？褪覀?cè)壁設(shè)置為對流換熱邊界，對應(yīng)的隔熱系數(shù)(K)為1.15 W·m-2·K-1。此外，在模擬中還考慮乘客熱量的影響，將36.5 ℃的溫度熱源應(yīng)用于乘客表面[17]。在飛沫污染物邊界條件方面，將乘客口部看作1個面射流源，人體從口部呼出的飛沫污染物為連續(xù)相(空氣)和離散相(飛沫)的混合物，借鑒目前已得到充分驗(yàn)證的飛沫組分模擬方法，將人體呼吸道飛沫假設(shè)為由98.2%的水和1.8%的非揮發(fā)性組成的固體化合物[20]。由于飛沫顆粒與空氣流之間存在熱量和質(zhì)量傳遞過程，因此，飛沫從人體釋放后立即進(jìn)行蒸發(fā)，當(dāng)其粒徑不再變化時(shí)，即表明飛沫蒸發(fā)過程完成，將以固態(tài)顆粒物的形式繼續(xù)在客室流場中運(yùn)動。在每個計(jì)算工況中共釋放15 000 個粒子模擬飛沫污染物的運(yùn)動，15 000個粒子能有效降低由粒子數(shù)量導(dǎo)致的飛沫空間分布的差異性問題[21]。另外，為了精確地捕捉到客室流場變化和飛沫動力學(xué)特征，時(shí)間步長設(shè)置為0.001 s，每個計(jì)算工況的總模擬時(shí)間為15 s。

本研究采用四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，車身的基礎(chǔ)網(wǎng)格邊長為40 mm，風(fēng)道區(qū)域的參考網(wǎng)格邊長為3.0 mm，并在速度梯度較大的人體周圍區(qū)域以及風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)置了加密的附面層。而對于速度梯度變化較小的區(qū)域(例如行李架附近)，由于相關(guān)物理信息變化平穩(wěn)，網(wǎng)格數(shù)量可以適當(dāng)減少。同時(shí)，建立了3種不同數(shù)量的網(wǎng)格來進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性測試，3套網(wǎng)格的總數(shù)量分別為5 200萬個(細(xì)網(wǎng)格)、4 100萬個(中網(wǎng)格)和2 700 萬(粗網(wǎng)格)個。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到4 100萬個時(shí)，客室流場計(jì)算結(jié)果的偏差小于1%。因此，為了節(jié)省存儲空間和提高計(jì)算效率，后續(xù)計(jì)算工況中將采用中等網(wǎng)格。

1.3 數(shù)值計(jì)算模型

客室流場由空氣和飛沫組成，本研究采用基于Eulerian-Lagrangian 方法的離散相模型進(jìn)行數(shù)值模擬，空氣被設(shè)置為連續(xù)相，而飛沫被定義為離散相。在空氣構(gòu)成的連續(xù)相方面，高速列車客室的空氣流馬赫數(shù)小于0.3[18]，因此，選擇incompressible Navier-Stokes equations 作為流場的控制方程。Large eddy simulation(LES) and Reynolds average Navier-Stokes(RANS) turbulence models 是2種常見的計(jì)算模型。LES 模型的計(jì)算周期較長[5]，而RANS 模型計(jì)算效率高、魯棒性強(qiáng)以及可靠性強(qiáng)，并廣泛應(yīng)用于各種工程研究[16,22-23]。所以，本文采用RNGk-ε模型模擬高速列車客室內(nèi)部的氣流組織。SIMPLE算法用于速度-壓力耦合，而k和ε方程采用second-order upwind scheme 進(jìn)行離散以提高計(jì)算精度。在離散相方面，采用拉格朗日方法計(jì)算飛沫的釋放過程，可以準(zhǔn)確捕捉到不同流場條件下飛沫的運(yùn)動軌跡。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)中的飛沫蒸發(fā)和運(yùn)動距離進(jìn)行對比[6-7,14]。具體而言，在CFD 模擬中進(jìn)行相同的設(shè)置(如幾何模型和環(huán)境條件等)。人體位于空氣流速為0 m/s 的空間中，以10 m/s 的速度從人體嘴部釋放飛沫，嘴部的有效直徑為2 cm(目的是為了保持飛沫粒子的雷諾數(shù)相同)。在90%濕度和25 ℃恒溫的環(huán)境中分別模擬2 種典型初始粒徑dp0(10 μm和100 μm)飛沫的動態(tài)過程，時(shí)間步長為0.001 s。圖2(a)所示為飛沫粒徑隨時(shí)間的變化曲線，并與WEI 等[6]以及YAN 等[14]的研究結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[6, 14]報(bào)道結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了本文使用的蒸發(fā)模型的準(zhǔn)確性。此外，本文還模擬了粒徑為100 μm 的飛沫在咳嗽射流作用下的擴(kuò)散特性，并與LIU等[7]的研究結(jié)果進(jìn)行對比。圖2(b)中黑色虛線為咳嗽射流邊界，黑色點(diǎn)為文獻(xiàn)中理論計(jì)算結(jié)果，紅色點(diǎn)為本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本文的數(shù)值模擬方法可以很好地預(yù)測大部分飛沫的擴(kuò)散距離，部分誤差是湍流影響下飛沫運(yùn)動的隨機(jī)性造成的。

圖2 飛沫蒸發(fā)模型和擴(kuò)散模型的驗(yàn)證Fig. 2 Validation of droplet evaporation and dispersion

總體而言，本研究的模擬結(jié)果基本準(zhǔn)確，湍流條件下的飛沫擴(kuò)散和蒸發(fā)模型是有效的，并應(yīng)用于后續(xù)的客室環(huán)境分析。在客室內(nèi)流場模擬方面，本文的研究方法已在實(shí)車試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證[16-18]。因此，本文所建立的數(shù)值計(jì)算方法可以有效地模擬客室氣流組織與飛沫的兩相耦合運(yùn)動過程。

3 客室內(nèi)飛沫傳輸特征分析

3.1 客室流場分析

為了得到列車客室內(nèi)部流場特征，選取客室典型位置的橫截面，包括送風(fēng)出口截面(行李架上方以及座椅下方，具體位置可見圖1(c))和回風(fēng)入口截面，各橫截面上的速度流場分布如圖3 所示。當(dāng)客室中間過道的氣流向下運(yùn)動時(shí)，逐漸往兩側(cè)壁面擴(kuò)散，而兩側(cè)壁面的氣流從客室頂部往中間過道運(yùn)動，從而在乘客前面形成2個渦流?？褪易笥覂蓚?cè)的速度流場均高度對稱，各位置局部流場存在差異的主要原因在于：1) 圖3(b)中座椅下方的送風(fēng)出口會導(dǎo)致客室底部區(qū)域形成2個更加明顯的渦流；2) 圖3(c)中回風(fēng)入口使得客室左右兩側(cè)的渦流中心在垂向上移動到更高位置。

圖3 客室內(nèi)部空間中各橫截面上的速度和流線分布Fig. 3 Velocity distribution and streamlines of different locations in passenger compartment

3.2 釋放位置對飛沫擴(kuò)散的影響

為了分析釋放位置對客室內(nèi)飛沫顆粒流動的影響，分別選取3個位置作為飛沫釋放源。在縱向方向上(x方向，即車長方向)，以座位3C 和座位7C 作為飛沫釋放源，而在橫向方向上(y方向，即車寬方向)，以過道兩側(cè)的座位3C 和座位3D 作為飛沫釋放源。每個計(jì)算工況僅1 名乘客釋放飛沫，假設(shè)飛沫初始速度為10 m/s(近似于咳嗽的平均氣流速度)，持續(xù)時(shí)間為0.5 s[7]，釋放的飛沫初始粒徑為50 μm。

由于每次從乘客口部釋放的飛沫粒子數(shù)量較多，各粒子的流動狀態(tài)(如蒸發(fā)過程、位移特征以及各個方向上的最大傳輸距離等)可能出現(xiàn)差異。根據(jù)LI 等[24]的研究成果，本文以粒子蒸發(fā)時(shí)間、運(yùn)動距離的中位數(shù)來表征飛沫群的整體運(yùn)動狀態(tài)。

不同位置釋放的飛沫蒸發(fā)過程的影響如圖4所示。從圖4 可見：隨著飛沫在空氣中的運(yùn)動時(shí)間(0～8 s)增加，其粒徑減小的速率增大；8.0～8.5 s時(shí)，各位置釋放的飛沫蒸發(fā)完成時(shí)間接近，這種略微差異是客室流場的不均勻性所致。

圖4 釋放位置對飛沫蒸發(fā)過程的影響Fig. 4 Effect of release location on evaporation of droplet

客室內(nèi)飛沫的傳播軌跡隨時(shí)間的變化如圖5所示。釋放位置為座位3C，飛沫顆粒表面顏色對應(yīng)它們在空氣中的運(yùn)動時(shí)間(既從人體釋放后的運(yùn)動時(shí)間)。從圖5可見：在前1 s內(nèi)，乘客釋放的飛沫主要沿縱向傳播，飛沫的沉降運(yùn)動相對不明顯(圖5(a))，這是由于咳嗽氣流增加了飛沫的初始速度，因此，在運(yùn)動初始階段，重力和來自周圍流場的氣動力對飛沫傳輸?shù)挠绊懞苄?。然而，?dāng)飛沫進(jìn)一步擴(kuò)散和蒸發(fā)時(shí)，來自周圍流場的氣動力將對飛沫運(yùn)動起主導(dǎo)作用，中間過道的向下氣流導(dǎo)致座位3C釋放的飛沫加速沉降(圖5(b))。隨著客室內(nèi)部流場對飛沫傳播的進(jìn)一步作用，座位3C 釋放的飛沫群出現(xiàn)了2個不同的擴(kuò)散趨勢，一部分飛沫繼續(xù)以下降方式運(yùn)動，而另一部分飛沫則跟隨周圍氣流向上運(yùn)動(圖5(c))。并且當(dāng)運(yùn)動時(shí)間達(dá)到15 s時(shí)，約5.8%的飛沫流入回風(fēng)管道中(圖5(d))，這部分飛沫可以通過空調(diào)單元和送風(fēng)管道再次進(jìn)入客室各區(qū)域中，從而威脅乘員健康。

圖5 客室內(nèi)飛沫傳播軌跡隨時(shí)間的變化過程Fig. 5 Transmission processes of droplets in the passenger compartment

客室內(nèi)不同位置釋放的飛沫擴(kuò)散過程如圖6所示，可見各位置釋放的飛沫幾乎都分布在周圍的局部空間中。造成該現(xiàn)象的原因是：一方面，風(fēng)道系統(tǒng)采用“分散式”回風(fēng)方式，客室內(nèi)各回風(fēng)入口均勻分布在座位上方的行李架附近，減小了客室氣流的縱向流動；另一方面，飛沫在擴(kuò)散過程時(shí)，蒸發(fā)導(dǎo)致重力作用減小，飛沫周圍的客室氣流開始主導(dǎo)其運(yùn)動狀態(tài)，最終致使大部分飛沫在周圍的局部空間中流動。

圖6 客室內(nèi)不同位置(座位)釋放的飛沫擴(kuò)散過程Fig.6 Dispersion of droplets released from different locations(seats) in passenger compartment

為了進(jìn)一步研究飛沫群在釋放之后的整體擴(kuò)散特性，對飛沫的軌跡長度(L)和位移距離(D)的比值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)約88%的飛沫的L/D大于2.0，這表明大部分飛沫在乘客附近循環(huán)運(yùn)動，不會以長距離輸運(yùn)方式遠(yuǎn)離乘客。不同位置釋放的飛沫在客室內(nèi)部空間中的數(shù)量占比見表1。據(jù)表1 可將客室內(nèi)部空間在橫向上劃分為3個區(qū)域，即粒子釋放側(cè)的座位區(qū)域、中間過道區(qū)域以及非粒子釋放側(cè)的座位區(qū)域。非釋放側(cè)區(qū)域和過道區(qū)域內(nèi)粒子數(shù)量之和的最高占比僅為4.85%，因此，大多數(shù)飛沫在釋放側(cè)一端流動，極少部分粒子會流動到過道以及非釋放側(cè)區(qū)域。綜合上述粒子軌跡以及空間數(shù)量分布特征，可以認(rèn)為呼吸道飛沫主要以局部循環(huán)流動方式在該類型高速列車客室中運(yùn)動。

表1 不同位置釋放的飛沫在客室內(nèi)部空間中的數(shù)量占比Table 1 The proportion of droplets distribution in the passenger compartment

3.3 初始粒徑對飛沫運(yùn)動的影響

飛沫初始粒徑與飛沫所受重力直接相關(guān)，在不同重力作用下，飛沫運(yùn)動軌跡截然不同，因此，初始粒徑是影響飛沫傳輸規(guī)律的重要因素。本節(jié)采用普遍關(guān)注的粒徑(10、50、100、150 和200 μm)進(jìn)行研究。不同初始粒徑的飛沫在咳嗽射流作用下從座位3C 釋放，其粒徑隨時(shí)間的變化過程如圖7所示。從圖7可見：小粒徑(10 μm)飛沫經(jīng)歷極為快速的蒸發(fā)過程(0.1 s 內(nèi))，而中等粒徑(50 μm)飛沫則需8.5 s 左右完成蒸發(fā)過程，這表明小、中粒徑飛沫能被上升氣流(人體熱羽流和客室氣流)帶入乘客呼吸區(qū)域，從而導(dǎo)致乘員感染風(fēng)險(xiǎn)顯著增加；而在更大的重力荷載作用下，大粒徑(大于100 μm)飛沫轉(zhuǎn)變?yōu)轱w沫核前就會沉積在乘客和客室表面，表現(xiàn)出完全不同的蒸發(fā)特征，并且其減小的粒徑不足初始粒徑的15%。

圖7 不同初始粒徑飛沫的蒸發(fā)時(shí)間曲線Fig. 7 Variation of droplet diameter with different initial sizes

為了反映不同初始粒徑飛沫的沉降特性，研究客室內(nèi)部空間中的飛沫運(yùn)動軌跡，如圖8 所示。從圖8可見：對于初始粒徑小于50 μm的飛沫在經(jīng)歷蒸發(fā)過程后，大部分飛沫會跟隨氣流聚集在乘客腿部高度以上的區(qū)域；而對于粒徑大于100 μm的飛沫，客室通風(fēng)氣流失去了主導(dǎo)作用。不同初始粒徑的飛沫在垂向方向上的移動過程如圖9 所示，以乘客口部中心為相對坐標(biāo)系的原點(diǎn)(乘客口部與客室地板之間的垂直距離為1.1 m)。從圖9可見：小粒徑飛沫和中等粒徑飛沫在垂向上的位移特征相似，在同樣的時(shí)間內(nèi)，位移方式均為先下降再上升，位移方式改變的時(shí)刻發(fā)生在第3 秒左右，這是因?yàn)轱w沫在橫向上是往靠近釋放側(cè)一端的車壁運(yùn)動，從而更接近乘客前方渦流的上升側(cè)(圖3)；大部分小、中粒徑飛沫長時(shí)間懸浮在乘客口部上方區(qū)域，其上升距離能夠達(dá)到0.6 m 以上，這表明乘客口部上方區(qū)域是病原體飛沫空氣傳播的高危區(qū)域。然而，當(dāng)飛沫初始粒徑大于100 μm時(shí)，重力作用主導(dǎo)飛沫的傳輸過程，客室通風(fēng)氣流的影響下降十分明顯，大粒徑飛沫無上升過程且快速(6 s內(nèi))沉積在乘客和座椅表面，導(dǎo)致病原體聚集，接觸感染的風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖8 客室內(nèi)不同初始粒徑飛沫的運(yùn)動過程Fig.8 Dispersion processes of droplets with different initial diameters

圖9 不同初始粒徑飛沫隨時(shí)間變化的垂向位移Fig.9 Vertical traveling displacement of droplet group with different initial diameters with time

沉降特性對飛沫在客室中的傳播時(shí)間產(chǎn)生較大影響。飛沫在客室中的最大傳輸距離如圖10 所示。從圖10 可見：小粒徑飛沫和中等粒徑飛沫在三維方向(縱向、橫向、垂向)上的最大移動距離較接近，這是因?yàn)樾?、中等粒徑飛沫的擴(kuò)散特征與客室氣流流動特征相似。大粒徑飛沫在縱向上的移動距離主要是由咳嗽氣流以及自身慣性所致，其最大移動距離為0.8 m左右，與前后相鄰座位之間的距離相近。而在橫向上，當(dāng)初始粒徑從10 μm增加到200 μm 時(shí)，飛沫在空氣中的運(yùn)動時(shí)間急劇減小(從15 s 下降到1.8 s，圖7)，導(dǎo)致飛沫在橫向上的最大運(yùn)動距離從1.73 m 下降到0.18 m。此外，由于大粒徑飛沫的重力作用大于客室通風(fēng)氣流作用，大粒徑飛沫在垂向上僅存在下降過程。因此，大粒徑飛沫垂向上的最大移動距離(1.1 m)等于乘客嘴部到地板之間的垂直距離。

圖10 客室內(nèi)不同初始粒徑的最大傳輸距離Fig.10 The maximum traveling distance of droplets with different initial diameters

3.4 初始速度對飛沫分布的影響

根據(jù)已有研究成果[2,7]，本文假設(shè)人體不同呼吸活動(說話、咳嗽、噴嚏)釋放的氣流分別為1.0、10 和和20 m/s 的穩(wěn)定射流。不同呼吸方式對飛沫蒸發(fā)過程的影響如圖11 所示，飛沫初始直徑為50 μm，其釋放位置為座位3C。從圖11 可見：在前2.4 s 內(nèi)，當(dāng)人體呼出氣流速度越快時(shí)，飛沫蒸發(fā)速率越大。這是因?yàn)楦蟮南鄬λ俣燃铀倭孙w沫和周圍空氣的傳熱傳質(zhì)過程。然而，在后續(xù)的運(yùn)動時(shí)間內(nèi)，乘員以說話方式釋放的飛沫蒸發(fā)速率均比其他2種呼吸方式的飛沫蒸發(fā)速率大，飛沫蒸發(fā)曲線出現(xiàn)了2個拐點(diǎn)。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因是乘員以說話方式釋放的飛沫在人體附近區(qū)域運(yùn)動，人體熱效應(yīng)導(dǎo)致其局部空間溫度高于客室其他區(qū)域溫度(送風(fēng)溫度為12 ℃)，從而減少了飛沫蒸發(fā)完成的時(shí)間。

圖11 不同呼吸活動下飛沫蒸發(fā)過程的時(shí)間變化曲線Fig.11 Variation curves of droplet evaporation processes with time under different respiratory activities

初始階段下人體呼出氣流對飛沫傳輸?shù)挠绊懭鐖D12所示。從圖12可見飛沫以較低速度(1.0 m/s)被釋放時(shí)，飛沫聚集在乘客口部前方的0.15 m內(nèi)；隨著釋放速度進(jìn)一步增大，飛沫向釋放位置前方的座椅靠近，其縱向上的運(yùn)動距離可以達(dá)到0.740 m；而當(dāng)乘客以噴嚏方式釋放出氣流和飛沫時(shí)，受到釋放位置前方座椅表面的限制和客室通風(fēng)氣流的影響，乘客噴嚏釋放的射流效應(yīng)減弱，導(dǎo)致一部分飛沫向人體高度以下的空間運(yùn)動。15 s內(nèi)不同初始速度的飛沫在客室內(nèi)部空間中的擴(kuò)散軌跡如圖13所示。從圖13 可見：整體上看，當(dāng)乘員以1.0 m/s(說話)釋放出飛沫時(shí)，飛沫向前傳播的距離較短，易受到客室局部氣流的影響，飛沫主要在乘客口部上方空間中運(yùn)動；而當(dāng)飛沫初始速度達(dá)到20 m/s(咳嗽)時(shí)，飛沫在人體高度以下的縱向傳播距離明顯增加，這表明人體呼吸活動釋放的氣流速度越大，會加劇攜帶病原體飛沫在客室內(nèi)部空間中的擴(kuò)散范圍。

圖12 1 s內(nèi)不同呼吸活動對飛沫傳輸過程的影響Fig. 12 Effect of respiratory activity on droplets’transmission during 1 s

圖13 15 s內(nèi)不同呼吸活動所釋放的飛沫擴(kuò)散軌跡Fig.13 Dispersion of droplets released by different respiratory activities within 15 s

呼吸活動對飛沫最大傳輸距離的影響如14 所示。從圖14 可見：在運(yùn)動初始階段，人體呼吸活動釋放的氣流速度對呼吸道飛沫傳輸速度有明顯影響，特別是縱向方向上；而在6 s 后，咳嗽和噴嚏的射流效應(yīng)明顯減弱，飛沫傳輸速度主要受到客室通風(fēng)氣流的影響；而在15 s時(shí)，隨著人體呼吸活動釋放的氣流速度從1.0 m/s(說話)增加到20 m/s(咳嗽)，飛沫縱向移動的最大距離從0.89 m提高到5.23 m，橫向移動的最大距離從0.76 m提高到2.73 m，垂向移動的最大距離從1.21 m 提高到2.53 m。因此，相比于說話方式，噴嚏能夠?qū)е嘛w沫在三維(縱向、橫向和垂向)方向上的最大移動距離分別增加4.87、2.59和1.09倍。

圖14 呼吸活動對飛沫最大傳輸距離的影響Fig.14 Effect of respiratory activity on the maximum transmission distance of droplet

4 結(jié)論

1) 在送風(fēng)系統(tǒng)、客室內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及乘客熱量的共同作用下，客室流場會產(chǎn)生輕微的不均勻特征，導(dǎo)致不同位置釋放的飛沫蒸發(fā)速率存在差異。

2) 對于本研究所涉及的高速列車結(jié)構(gòu)，各位置釋放的飛沫在客室內(nèi)主要以局部循環(huán)運(yùn)動為主。在客室兩側(cè)分布的座位中，由于客室流場具有良好的對稱性，大多數(shù)飛沫分布在釋放者一側(cè)的空間中(數(shù)量占比超過95%)。建議客室每排座位的左右側(cè)均只開放1個座位，這樣可減少呼吸道傳染性疾病交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。

3) 由于重力效應(yīng)，大粒徑(大于100 μm)飛沫未完全蒸發(fā)就沉積在物體表面，而小粒徑(10 μm)飛沫則由于蒸發(fā)速率快(蒸發(fā)完成時(shí)間小于0.1 s)，長時(shí)間內(nèi)跟隨客室氣流一起運(yùn)動。因此，與大粒徑飛沫相比，小粒徑飛沫的懸浮時(shí)間和擴(kuò)散范圍均更大，從而導(dǎo)致病原體飛沫空氣傳播的感染風(fēng)險(xiǎn)更高。

4) 人體呼吸方式產(chǎn)生的氣流速度對飛沫傳播特性有很大影響。相比于說話釋放的飛沫傳播范圍(縱向、橫向、垂向的最大移動距離分別為0.89、0.76和1.21 m)，噴嚏方式由于其強(qiáng)烈的射流效應(yīng)，導(dǎo)致飛沫在三維(縱向、橫向和垂向)方向上的最大移動距離分別增加了4.87、2.59以及1.09倍。