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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)沙，410075；4. 中南大學(xué) 湘雅三醫(yī)院，湖南 長(zhǎng)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。空氣傳播和接觸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(dòng)(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(duì)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(duì)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(huì)達(dá)到頂峰。然而，運(yùn)營(yíng)列車是一個(gè)高度封閉和擁擠的室內(nèi)空間，這可能會(huì)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(dòng)特征，為設(shè)計(jì)有效的通風(fēng)策略提供依據(jù)，這對(duì)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(zhǎng)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(huì)顯著增加飛沫在空氣中的停留時(shí)間和移動(dòng)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(duì)飛沫擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)室外風(fēng)速和相對(duì)濕度增加會(huì)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。總體而言，人們對(duì)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(duì)高速列車內(nèi)的飛沫流動(dòng)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(chǎng)(速度、溫度等)耦合作用下飛沫的空間運(yùn)動(dòng)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(dòng)、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(duì)客室中飛沫傳播過程的影響。構(gòu)建適用于列車客室流場(chǎng)與飛沫耦合運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)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(duì)其運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用的重力、氣動(dòng)阻力、熱泳力以及氣動(dòng)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(hào)高速列車中間車為研究對(duì)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(zhǎng)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(gè)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(hào))，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(chǎng)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(duì)流換熱邊界，對(duì)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(gè)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。在每個(gè)計(jì)算工況中共釋放15 000 個(gè)粒子模擬飛沫污染物的運(yùn)動(dòng)，15 000個(gè)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(chǎng)變化和飛沫動(dòng)力學(xué)特征，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s，每個(gè)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(duì)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(zhǎng)為40 mm，風(fēng)道區(qū)域的參考網(wǎng)格邊長(zhǎng)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(duì)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(cè)試，3套網(wǎng)格的總數(shù)量分別為5 200萬個(gè)(細(xì)網(wǎng)格)、4 100萬個(gè)(中網(wǎng)格)和2 700 萬(粗網(wǎng)格)個(gè)。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到4 100萬個(gè)時(shí)，客室流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的偏差小于1%。因此，為了節(jié)省存儲(chǔ)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)[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(chǎng)條件下飛沫的運(yùn)動(dòng)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(dòng)距離進(jìn)行對(duì)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(dòng)態(tài)過程，時(shí)間步長(zhǎng)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(duì)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(cè)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(dòng)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(chǎng)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(dòng)過程。

3 客室內(nèi)飛沫傳輸特征分析

3.1 客室流場(chǎng)分析

為了得到列車客室內(nèi)部流場(chǎng)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(chǎng)分布如圖3 所示。當(dāng)客室中間過道的氣流向下運(yùn)動(dòng)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(dòng)，從而在乘客前面形成2個(gè)渦流?？褪易笥覂蓚?cè)的速度流場(chǎng)均高度對(duì)稱，各位置局部流場(chǎng)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(huì)導(dǎo)致客室底部區(qū)域形成2個(gè)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(dòng)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(duì)飛沫擴(kuò)散的影響

為了分析釋放位置對(duì)客室內(nèi)飛沫顆粒流動(dòng)的影響，分別選取3個(gè)位置作為飛沫釋放源。在縱向方向上(x方向，即車長(zhǎng)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(gè)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(dòng)狀態(tài)(如蒸發(fā)過程、位移特征以及各個(gè)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(dòng)距離的中位數(shù)來表征飛沫群的整體運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(chǎng)的不均勻性所致。

圖4 釋放位置對(duì)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(duì)應(yīng)它們?cè)诳諝庵械倪\(yùn)動(dòng)時(shí)間(既從人體釋放后的運(yùn)動(dòng)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(dòng)相對(duì)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(dòng)初始階段，重力和來自周圍流場(chǎng)的氣動(dòng)力對(duì)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(chǎng)的氣動(dòng)力將對(duì)飛沫運(yùn)動(dòng)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(chǎng)對(duì)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(gè)不同的擴(kuò)散趨勢(shì)，一部分飛沫繼續(xù)以下降方式運(yùn)動(dòng)，而另一部分飛沫則跟隨周圍氣流向上運(yùn)動(dòng)(圖5(c))。并且當(dāng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)；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(dòng)狀態(tài)，最終致使大部分飛沫在周圍的局部空間中流動(dòng)。

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(duì)飛沫的軌跡長(zhǎng)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(dòng)，不會(huì)以長(zhǎng)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(gè)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(dòng)，極少部分粒子會(huì)流動(dòng)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(dòng)方式在該類型高速列車客室中運(yùn)動(dòng)。

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(duì)飛沫運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)軌跡，如圖8 所示。從圖8可見：對(duì)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(huì)跟隨氣流聚集在乘客腿部高度以上的區(qū)域；而對(duì)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(dòng)過程如圖9 所示，以乘客口部中心為相對(duì)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(dòng)，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(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)特征相似。大粒徑飛沫在縱向上的移動(dòng)距離主要是由咳嗽氣流以及自身慣性所致，其最大移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)(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(duì)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?duì)速度加速了飛沫和周圍空氣的傳熱傳質(zhì)過程。然而，在后續(xù)的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)，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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)。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(dòng)；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(dòng)釋放的氣流速度越大，會(huì)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(dòng)對(duì)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(dòng)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(dòng)對(duì)飛沫最大傳輸距離的影響如14 所示。從圖14 可見：在運(yùn)動(dòng)初始階段，人體呼吸活動(dòng)釋放的氣流速度對(duì)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(dòng)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(dòng)的最大距離從0.89 m提高到5.23 m，橫向移動(dòng)的最大距離從0.76 m提高到2.73 m，垂向移動(dòng)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(dòng)距離分別增加4.87、2.59和1.09倍。

圖14 呼吸活動(dòng)對(duì)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(chǎng)會(huì)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(duì)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(dòng)為主。在客室兩側(cè)分布的座位中，由于客室流場(chǎng)具有良好的對(duì)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)跟隨客室氣流一起運(yùn)動(dòng)。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(duì)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(dòng)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(dòng)距離分別增加了4.87、2.59以及1.09倍。