郵輪隔離住艙防疫通風(fēng)布置研究

劉嘉誠,谷家揚,張忠宇,劉志松

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2.招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226121)

0 引言

受新冠疫情影響,郵輪作為供乘客休閑娛樂的大型豪華高技術(shù)船舶,其防疫系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計成為郵輪設(shè)計的關(guān)鍵任務(wù)[1]。由中國船級社發(fā)布的《船舶防疫安全指南》明確指出隔離房的空調(diào)布置應(yīng)能有效避免病毒對居住區(qū)擴(kuò)散傳染,隔離房通風(fēng)布置不合理,將增大病毒傳播的風(fēng)險。

CFD數(shù)值模擬能夠較為精確地仿真飛沫及顆粒物的擴(kuò)散運動。ZHOU等[2]利用CFD方法研究了室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境中的顆粒擴(kuò)散,發(fā)現(xiàn)隨著入口速度和地板溫度的增加,沉積在底板上的顆粒物越少。王驍?shù)萚3]通過對大型艦船密閉艙室建立通風(fēng)換氣數(shù)學(xué)模型,監(jiān)測了通風(fēng)換氣過程中艙室污染物濃度的變化情況,研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)口的布置是影響空間內(nèi)污染物濃度的重要因素。HUANG等[4]通過數(shù)值仿真客船艙室門打開和關(guān)閉情況下患者咳嗽和說話的病毒顆粒運動情況,發(fā)現(xiàn)空調(diào)出口方向控制在向下15°內(nèi)可有效限制病毒傳播。

本文以某2級防疫安全要求的豪華郵輪防疫住艙為研究對象,通過數(shù)值模擬分析不同通風(fēng)方案對于病毒顆粒物消殺率的影響,研究4種典型的船舶住艙或隔離病房通風(fēng)布置方案通風(fēng)效果,并綜合考慮病毒消殺及郵輪設(shè)計建造的實際條件,提出一種切實可行的郵輪防疫住艙通風(fēng)方案。

1 通風(fēng)方案及控制方程

1.1 郵輪防疫住艙通風(fēng)方案

本文選取了4種郵輪防疫住艙通風(fēng)方案,見圖1[5-6]。防疫住艙長×寬×高為7.8 m×2.8 m×2.3 m,送風(fēng)口進(jìn)風(fēng)包括回風(fēng)口回風(fēng)及新風(fēng)?；仫L(fēng)口(防疫)與進(jìn)風(fēng)口之間的風(fēng)機(jī)盤管(Fan Coil Unit,FCU)安裝過濾器,病毒消殺率99%,FCU每個住艙獨立設(shè)置。排風(fēng)口開在衛(wèi)生間頂部,由風(fēng)機(jī)抽到防疫風(fēng)管后進(jìn)行消殺,排風(fēng)口(空調(diào))在住艙用作防疫隔離艙時關(guān)閉。

圖1 郵輪防疫住艙通風(fēng)方案

1.2 控制方程

本文采用連續(xù)相氣體流動和拉格朗日顆粒相耦合的方法進(jìn)行病毒顆粒的仿真研究,湍流模型采用流體近壁仿真效果較好的SST K-Omega模型[7],運輸方程如下:

(1)

(2)

式中:μt為渦粘性;Sij為平均速度應(yīng)變率張量;ρ為流體密度,kg/m3;k為湍流動能,J;其他常數(shù)α=0.556,β=0.09,β*=0.09,σ=0.5,σ*=0.5。

顆粒相采用拉格朗日多相模型。拉格朗日多相流模型能夠?qū)﹄x散顆粒的運動進(jìn)行模擬和追蹤,單個顆粒的運動方程可表示為

(3)

式中:ρp為顆粒密度,kg/m3;ρg為氣相密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;up為顆粒相速率,m/s;ug為氣相速率,m/s;FD為流體對顆粒的曳力,N;Fx為除重力以外的其他力,包括壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力、用戶定義的力及庫侖力,N。

2 通風(fēng)方案數(shù)值計算

2.1 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

采用多面體網(wǎng)格對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在人口鼻處設(shè)置圓錐型噴射器,并對通風(fēng)進(jìn)、出口處進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分后的計算域見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分后的計算域

為了盡可能節(jié)省計算資源,數(shù)值仿真之前需對計算域進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,以確定最適合該計算域的網(wǎng)格劃分方式。在計算域中選取一條垂直于住艙地面的垂直軸線,計算其速率,網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果見圖3。從圖3中可以看出,隨著軸線高度的升高,氣流速度總體呈現(xiàn)上升趨勢但有一定波動。這是由于進(jìn)、回風(fēng)口都布置于住艙頂部,因此氣流在房間內(nèi)呈環(huán)形流動,并且頂部氣體流動速度較快。采取網(wǎng)格數(shù)為83萬的劃分方式可以較為準(zhǔn)確模擬氣流運動的同時保證計算量的合理性,因此后續(xù)仿真研究采用網(wǎng)格數(shù)為83萬的網(wǎng)格劃分方式。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2.2 邊界條件設(shè)置

利用STAR CCM+軟件,對病毒顆粒進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)仿真以研究不同通風(fēng)方案單位時間內(nèi)的病毒消殺率。仿真模型中病毒顆粒通過噴射器產(chǎn)生,呼吸條件下病毒顆粒的參數(shù)設(shè)定如下[8-9]:噴射器速度[0,0,0.3]m/s,質(zhì)量流率1.31×10-14kg/s,顆粒直徑最小值0 μm、最大值2.5 μm、參考值0.5 μm,噴射作用時間4 s/次,動力粘度1.855×10-5Pa·s。

計算域邊界由墻壁、人體、送風(fēng)口、回風(fēng)口(防疫)、排風(fēng)口、排風(fēng)口(空調(diào))及病毒顆粒組成,邊界條件設(shè)定見表1。由于本文旨在研究住艙通風(fēng)布置方案對病毒顆粒運動的影響,故4種通風(fēng)方案的邊界條件設(shè)置方法相同,只改變通風(fēng)口布置位置。

表1 各通風(fēng)方案邊界條件參數(shù)

按照郵輪住艙設(shè)計經(jīng)驗,排風(fēng)口的位置布置在衛(wèi)生間艙頂,位置固定不變,氣體經(jīng)排風(fēng)管道排出后進(jìn)行消殺處理。排風(fēng)口(空調(diào))在住艙用作防疫住艙時關(guān)閉,在仿真模型中按壁面處理。送風(fēng)口進(jìn)風(fēng)包括回風(fēng)口回風(fēng)與新風(fēng),共計0.166 kg/s。

3 防疫通風(fēng)布置方案分析

3.1 流場分析

首先對4種防疫住艙通風(fēng)方案的氣流組織進(jìn)行分析,探究不同通風(fēng)方案下住艙氣體流動的均勻程度,進(jìn)風(fēng)口所在截面即X=0截面氣體速度矢量見圖4。

圖4 X=0截面處速度矢量圖(單位:m/s)

圖4(a)氣體從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入住艙后垂直向下流動,到達(dá)地面后向四周擴(kuò)散運動,該過程氣體流速較大。此方案下住艙氣流組織較為均勻,氣流平均速度為0.160 m/s。圖4(b)氣體流向與圖4(a)類似,但由于圖4(b)的回風(fēng)口在艙室右側(cè),因此從圖中可以明顯看出氣體流動偏向回風(fēng)口的方向,使得右側(cè)衛(wèi)生間內(nèi)的氣體流動更加充分,氣體流動的整體效果好于圖4(a)上送上回的通風(fēng)方案。此方案下艙室氣流平均速度為0.163 m/s。圖4(c)、圖4(d)氣體從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入住艙之后,沿住艙頂部水平運動至衛(wèi)生間墻壁后向下擴(kuò)散運動。為了更直觀地對比分析2種側(cè)面送風(fēng)方案的氣流組織,對回風(fēng)口所在截面即X=-1.25截面處速度矢量進(jìn)行分析,見圖5。

圖5 X=-1.25截面處速度矢量圖(單位:m/s)

圖5(a)中回風(fēng)口布置在右側(cè),因此衛(wèi)生間內(nèi)氣體流速較高,氣流組織更為均勻。該方案住艙內(nèi)氣流平均速度為0.218 m/s。由圖5(b)可以看出,由于其回風(fēng)口布置于左側(cè),與進(jìn)風(fēng)口同側(cè),因此氣體在到達(dá)衛(wèi)生間墻壁后回流氣體較多,艙室底部氣體流速較大,造成衛(wèi)生間內(nèi)氣流量較小,故氣體流速較低。該方案住艙內(nèi)氣流平均速度為0.212 m/s。

3.2 顆粒運動情況

為確保顆粒在防疫住艙內(nèi)充分運動,設(shè)置仿真時間為3 000 s。防疫艙室部分顆粒的運動軌跡見圖6。圖6(a)受室內(nèi)氣體流動影響,顆粒從噴射器噴出后整體向斜下方運動一段距離后顆粒開始分散。一部分顆粒向回風(fēng)口及排風(fēng)口方向運動,后經(jīng)回風(fēng)口或排風(fēng)口排出;另一部分顆粒向住艙左側(cè)運動,到達(dá)壁面后消失,沒有經(jīng)通風(fēng)系統(tǒng)排出住艙。圖6(b)顆粒從噴射器噴出后,受上方進(jìn)風(fēng)口氣體流動影響,顆粒向斜下方運動一段距離后顆粒開始分散。由于該方案下回風(fēng)口和排風(fēng)口均在住艙右側(cè),故大部分顆粒向右側(cè)運動,最后經(jīng)回風(fēng)口和排風(fēng)口排出;向住艙左側(cè)運動的顆粒少于方案1。圖6(c)顆粒從噴射器噴出之后被氣流吹向右側(cè)。結(jié)合圖4(c)可得知,氣流從進(jìn)風(fēng)口到達(dá)右側(cè)衛(wèi)生間壁面之后,由于氣體流速較大故存在大量氣體回流,因此也有一部分顆粒向住艙進(jìn)風(fēng)口所在方向回流,可是回風(fēng)口與排風(fēng)口均布置在住艙右側(cè),使得顆粒在住艙內(nèi)運動軌跡較長且更為雜亂。圖6(d)顆粒從噴射器噴出后的運動軌跡與圖6(c)通風(fēng)方案基本一致,但由于回風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口同側(cè)布置,故顆粒運動軌跡明顯短于圖6(c)通風(fēng)方案。

對比分析圖6防疫住艙內(nèi)顆粒運動軌跡,上側(cè)送風(fēng)的通風(fēng)方案顆粒運動軌跡明顯短于側(cè)面送風(fēng)的通風(fēng)方案,病毒顆粒經(jīng)過更短的路程即可排出住艙。上側(cè)送風(fēng)時,防疫住艙內(nèi)顆粒運動軌跡集中在住艙右側(cè)即回風(fēng)口一側(cè),若將住艙門設(shè)置在左側(cè)墻壁,則可在必要的人員進(jìn)出開門時有效減少病毒顆粒向防疫住艙外擴(kuò)散。側(cè)面送風(fēng)時,結(jié)合圖4住艙速度矢量圖可以看出,此時住艙內(nèi)氣流組織從左側(cè)送風(fēng)口向右側(cè)運動,且氣體流速明顯高于上側(cè)送風(fēng)方案的氣體流速,因此若防疫住艙采用側(cè)面送風(fēng)方案時,可以考慮將住艙門開在住艙前側(cè)或后側(cè)(圖6視角)以減少開門時顆粒擴(kuò)散。

3.3 防疫效果

本文以顆粒消殺率來衡量防疫住艙不同通風(fēng)方案的防疫效果。由于排風(fēng)經(jīng)風(fēng)機(jī)抽至特定區(qū)域進(jìn)行消殺并且回風(fēng)也經(jīng)過FCU中消殺裝置進(jìn)行消殺,故顆粒消殺率為回風(fēng)口(防疫)及排風(fēng)口排出顆粒數(shù)之和與噴射器噴向住艙中顆?？倲?shù)的比。顆粒消殺率越高,說明該通風(fēng)方案對病毒顆粒的排出及消殺效果越好。

4種通風(fēng)布置方案的顆粒消殺率見圖7。

圖7 4種通風(fēng)方案病毒顆粒消殺率

為使顆粒在住艙內(nèi)充分運動,選取計算時間為3 000 s,驗證消除時間敏感性對顆粒消殺率的影響。由圖7可以看出2 500 s后顆粒消殺率基本趨于穩(wěn)定。3 000 s時,方案4的防疫效果最佳,為78.3%;方案2次之,為77.7%;方案1為76.7%;方案3的防疫效果最差,為57.6%。

由于3 000 s時方案1、方案2及方案4的顆粒消殺率差別較小,因此分別統(tǒng)計回風(fēng)口(防疫)及排風(fēng)口3 000 s內(nèi)的顆粒消殺率,以深入對比分析各防疫住艙通風(fēng)布置方案的防疫效果,見圖8。由圖8可以看出,方案1、方案2和方案4各出口顆粒排除率總和相差不大,但排風(fēng)口和回風(fēng)口(防疫)的顆粒消殺率存在差異,其中,方案3的顆粒消殺率明顯低于其他3種方案,因此只對另外3種通風(fēng)方案的防疫效果進(jìn)行對比分析。對于排風(fēng)口顆粒消殺率而言,方案2排風(fēng)口顆粒消殺率最高,為28.7%;方案1次之,為22.8%;方案4最少,為21.4%。對于回風(fēng)口(防疫)顆粒消殺率而言,方案4回風(fēng)口顆粒消殺率最高,為56.8%;方案1次之,為54.1%;方案2最少,為49.2%。

圖8 4種通風(fēng)方案各通風(fēng)出口顆粒消殺率

當(dāng)3種通風(fēng)方案總體顆粒消殺率相差不大的前提下,排風(fēng)口將病毒顆粒直接排出住艙進(jìn)行集中消殺,而回風(fēng)口(防疫)利用FCU中的消殺裝置進(jìn)行消殺。對于防疫住艙的防疫效果而言,通過排風(fēng)口直接將病毒顆粒排出住艙的消殺方式對病毒顆粒濃度的控制更為顯著。同時,衛(wèi)生間作為防疫工作的重點及難點區(qū)域,3種通風(fēng)方案排風(fēng)口均布置在衛(wèi)生間艙壁頂部,排風(fēng)口顆粒消殺率高,代表衛(wèi)生間內(nèi)消殺效率高。

因此,對于本文研究對象來說,方案2的上送側(cè)回的通風(fēng)方案為最佳通風(fēng)布置方案。4種通風(fēng)方案防疫效果相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 4種通風(fēng)布置方案防疫效果相關(guān)參數(shù)

4 結(jié)論

(1)由隔離住艙流場分析可知:上側(cè)送風(fēng)的通風(fēng)布置方案艙室內(nèi)的氣流平均速度較低,因此病毒顆粒排出艙室的時間較晚,但氣流組織較為均勻;側(cè)面送風(fēng)的通風(fēng)布置方案氣流速度較快,故病毒顆粒能夠較早地排出住艙進(jìn)行消殺,但是由于其氣流速度過快,使得一部分病毒顆粒吸附于住艙側(cè)面艙壁,大幅降低病毒顆粒消殺率。

(2)上送上回、上送側(cè)回及側(cè)送側(cè)回(同側(cè))的通風(fēng)布置方案在3 000 s后病毒顆粒消殺率可達(dá)到76.7%、77.7%及78.3%。在總體顆粒消殺率相差不大的前提下,應(yīng)優(yōu)先選取衛(wèi)生間排風(fēng)口顆粒消殺率較高的方案,即通風(fēng)布置方案2的上送側(cè)回的通風(fēng)方案。

(3)通過分析病毒顆粒運動軌跡,為郵輪防疫住艙艙門的布置位置提供了建議,同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)回風(fēng)口與排風(fēng)口布置在一側(cè)時,衛(wèi)生間的氣流組織更為均勻并且其病毒消殺率也得到明顯提高。