李景明，張震宇

西安石油大學(xué)新能源學(xué)院

呼吸道傳染病嚴(yán)重威脅著人類健康，其防控問(wèn)題涉及流體力學(xué)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)[1]。自19 世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)人體呼吸產(chǎn)生的飛沫會(huì)攜帶大量病菌以來(lái)，業(yè)界采用多種方法預(yù)測(cè)和研究不同生理狀態(tài)下人體產(chǎn)生飛沫的數(shù)量、粒徑、速度以及濃度等特性[2-4]，特別是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者尤其注重對(duì)環(huán)境領(lǐng)域病毒傳播的研究[5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法研究了交通工具、病房以及一般建筑物等封閉空間內(nèi)的飛沫傳播過(guò)程。Yang等[6]研究了長(zhǎng)途客車封閉環(huán)境內(nèi)病毒飛沫的傳播特性，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)效率、相對(duì)濕度和飛沫初始尺寸對(duì)客車內(nèi)部飛沫傳輸影響顯著。King 等[7]研究了病房?jī)?nèi)氣溶膠顆粒的沉積特性，發(fā)現(xiàn)其沉積主要受通風(fēng)口與氣溶膠起源相對(duì)位置的影響，將易感患者置于靠近出風(fēng)口位置并加設(shè)床間隔板能有效降低氣溶膠傳播的風(fēng)險(xiǎn)。吳家霖等[8]研究發(fā)現(xiàn)室內(nèi)人員移動(dòng)會(huì)增大飛沫的傳播距離和在移動(dòng)者體表的沉積概率。

新型冠狀病毒感染（COVID-19）是一種以飛沫和密切接觸傳播為主的呼吸道傳染病，截至2022 年9 月18 日，全球累計(jì)確診病例超過(guò)6.12 億例，死亡人數(shù)超過(guò)650 萬(wàn)，是近年來(lái)傳播速度最快、防控難度最大的疾病之一，嚴(yán)重阻礙了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并在不同程度上影響了人們的生活環(huán)境和生命安全[9-13]。雷浩等[14]采用dose-response 模型評(píng)估了COVID-19通過(guò)接觸傳播、飛沫傳播以及氣溶膠傳播的傳播風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)氣溶膠傳播風(fēng)險(xiǎn)較小，但是長(zhǎng)期暴露在高濃度氣溶膠狀況下，其風(fēng)險(xiǎn)仍不容忽視。王飛等[15]研究了室內(nèi)核酸采樣過(guò)程中氣溶膠運(yùn)移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)和局部吸氣可一定程度上降低病毒存續(xù)幾率。相較而言，新冠病毒飛沫傳播相關(guān)的研究較少，業(yè)界對(duì)其內(nèi)在機(jī)理和影響因素的了解還不夠充分。

我國(guó)在疫情防控和治療工作方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，隔窗采樣的亭式核酸檢測(cè)方法因其靈活、便捷、高效的特點(diǎn)在防控過(guò)程中除了完成核酸檢測(cè)外還承擔(dān)了抗原檢測(cè)、發(fā)熱診療等更多任務(wù)，是一種行之有效的疫情防控措施。但由于采樣者和受檢者近距離面對(duì)面接觸，不可避免會(huì)造成交叉感染幾率的顯著增加，如何對(duì)其進(jìn)行有效控制，充分總結(jié)疫情防控過(guò)程中的成功經(jīng)驗(yàn)，從而防患于未然，為其他類似呼吸道傳染病的防控、治療工作提供借鑒就成為亟需解決的問(wèn)題，有必要對(duì)此開展專門的研究。本文采用仿真模擬的方法分析了飛沫噴射速度、氣流組織形式及新風(fēng)速度等因素對(duì)飛沫傳播的影響并提出了相關(guān)建議，以期對(duì)核酸采樣亭通風(fēng)設(shè)計(jì)和健康防護(hù)提供一定的借鑒。

1 物理模型及邊界條件

1.1 物理模型

建立如圖1 所示采樣亭內(nèi)部流場(chǎng)簡(jiǎn)化模型，其規(guī)格為2.5 m×1.2 m×2.2 m，窗口尺寸為0.45 m×0.74 m，墻厚0.12 m。側(cè)墻開口作為新風(fēng)進(jìn)口時(shí)尺寸取0.15 m×0.6 m，作為出口時(shí)尺寸取0.26 m×0.6 m，頂部新風(fēng)進(jìn)口尺寸取0.4 m×0.4 m。采樣者于室內(nèi)取坐姿，身高1.45 m；受檢者直立或半蹲于室外，身高1.6 m，口部簡(jiǎn)化為0.05 m×0.02 m 的長(zhǎng)方形。為考慮環(huán)境影響，室外建有2.5 m×1 m×2.2 m 的外部空間。

圖1 核酸采樣亭物理模型Fig.1 Physical model of nucleic acid sampling chamber

1.2 邊界條件

采用ANSYS Fluent 軟件對(duì)飛沫傳播過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，并做如下假設(shè)：1）飛沫形態(tài)穩(wěn)定，在傳播過(guò)程中無(wú)蒸發(fā)和破碎；2）受檢者口部噴出的飛沫為以水為主的球形液滴，其密度取1 000 kg/m3[16-17]；3）只考慮重力和Saffman 力而忽略其他因素對(duì)飛沫運(yùn)動(dòng)的影響[18]。

對(duì)于連續(xù)相，新風(fēng)進(jìn)口采用速度入口（velocityinlet）邊界，出口采用自由出流（outflow）邊界，受檢者口部邊界條件通過(guò)FLUENT 的用戶自定義函數(shù)（UDF）編譯實(shí)現(xiàn)。對(duì)于離散相，采樣室內(nèi)壁和人體表面采用捕捉（trap）邊界，受檢者口部采用逃逸（escape）邊界[19]，室內(nèi)恒溫27 ℃。采用RNG k-ε 增強(qiáng)壁面模型模擬室內(nèi)空氣的流動(dòng)，采用分散相模型（discrete phase model,DPM）處理飛沫運(yùn)動(dòng)，湍流對(duì)飛沫的影響通過(guò)隨機(jī)游走模型（discrete random walk,DRW）模擬。對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式（second order upwind scheme）進(jìn)行離散，壓力插值格式為Second Order，采用基于壓力的SIMPLE 算法進(jìn)行求解[20]。

采樣時(shí)受檢者張大嘴巴正常呼吸，有時(shí)為了便于操作也會(huì)按要求張嘴發(fā)聲（“啊”音）。研究表明，正常呼吸所產(chǎn)生的飛沫速度為1.08～1.64 m/s[3]，發(fā)聲時(shí)平均速度為4.07 m/s，主要粒徑范圍為10～50μm[21-22]。采樣平均時(shí)間為3 s，飛沫參數(shù)如表1 所示。

表1 飛沫參數(shù)Table 1 Droplet parameter

將飛沫等效為直徑10 μm 的液滴，選取噴射速度為1.2、1.5、3.0、4.0、5.0 m/s 以涵蓋張大嘴巴正常呼吸和發(fā)聲等不同情況，同時(shí)考慮不同氣流組織形式（表2）以及新風(fēng)速度對(duì)飛沫傳播的影響。

表2 氣流組織Table 2 Air organization

飛沫在核酸采樣亭室內(nèi)的傳播受多種因素影響，全因素分析法過(guò)程復(fù)雜且重復(fù)性過(guò)高，在研究中采用田口實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析可避免上述缺點(diǎn)。重點(diǎn)關(guān)注飛沫噴射速度、新風(fēng)速度及氣流組織形式3 個(gè)影響飛沫傳播的關(guān)鍵因素，每個(gè)因素取5 個(gè)水平，確定因素水平安排如表3 所示。

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用ICEM CFD 軟件劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，獲得5 種不同數(shù)量網(wǎng)格模型在頂進(jìn)下出氣流組織形式下4 s 內(nèi)采樣者呼吸區(qū)域飛沫濃度，如圖2 所示。由圖2可以看出，網(wǎng)格數(shù)量為511 222 和1 002 420 時(shí)偏差較大；而網(wǎng)格數(shù)量為2 001 374、3 019 188 和4 021 736時(shí)，模擬結(jié)果相差不大，考慮到計(jì)算性能和效率，在誤差允許范圍內(nèi)采用網(wǎng)格數(shù)為2 001 374 的模型進(jìn)行仿真模擬。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Grid independence test results

2 結(jié)果與分析

人體污染物吸入暴露劑量是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[23]，其計(jì)算公式如下：

式中：Ce為人體污染吸入暴露劑量，μg/m3；Cp為人體呼吸區(qū)域污染物濃度，μg/m3；Cf為地面處污染物濃度，μg/m3；ηe為地面區(qū)域向人體呼吸區(qū)域提供新鮮空氣的能力，通常小于等于1，無(wú)量綱。

由式（1）可知，人體呼吸區(qū)域污染物濃度越大，則吸入污染物的劑量越大，被感染的風(fēng)險(xiǎn)也越大。因此，以60 s 內(nèi)采樣者呼吸區(qū)域飛沫平均濃度作為響應(yīng)指標(biāo)，其試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及模擬結(jié)果如表4 所示。

表4 田口實(shí)驗(yàn)方案及仿真模擬結(jié)果Table 4 Taguchi Orthogonal experiment scheme and numerical simulation results

通過(guò)使用信噪比（SNR）分析可獲得各因素對(duì)飛沫平均濃度的影響[24]。根據(jù)表4 的模擬結(jié)果，利用式（2）計(jì)算出不同因素下各水平對(duì)應(yīng)的平均信噪比（SNR），如表5 所示。

表5 平均信噪比Table 5 Average signal-to-noise ratio

式中：Xi為第i次模擬結(jié)果；N為模擬重復(fù)次數(shù)。

各因素在不同水平下的平均信噪比的極差可反映該因素對(duì)飛沫平均濃度的影響。極差越大，表明該因素對(duì)飛沫平均濃度的影響越大。由表5 可以看出，平均信噪比極差值依次為氣流組織形式>新風(fēng)速度>飛沫噴射速度，因此氣流組織形式對(duì)飛沫平均濃度的影響最大。由各因素下不同水平對(duì)應(yīng)的平均信噪比可知，當(dāng)飛沫噴射速度為1.5 m/s、新風(fēng)速度為1.0 m/s 以及頂進(jìn)下出送風(fēng)時(shí)，飛沫平均濃度最低，采樣者的感染風(fēng)險(xiǎn)最小。

2.1 噴射速度對(duì)呼吸區(qū)域飛沫平均濃度的影響

飛沫噴射速度是影響飛沫運(yùn)移的重要因素，決定著飛沫的射程和濃度等分布特性。采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度隨噴射速度的變化如圖3 所示。

圖3 飛沫噴射速度對(duì)飛沫平均濃度的影響Fig.3 Effect of droplet jet velocity on the mean concentration of droplets

由圖3 可以看出，隨著噴射速度的增加采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度呈先增大后減小的趨勢(shì)，其最大差值為9×10-4μg/m3。究其原因，主要在于當(dāng)受檢者正常呼吸時(shí)飛沫噴射速度較小，所波及的空間有限，發(fā)聲時(shí)飛沫速度較高且持續(xù)噴出，擴(kuò)散范圍較廣，短時(shí)間內(nèi)造成局部飛沫平均濃度較高，當(dāng)高濃度區(qū)位于采樣者頭部附近時(shí)其感染風(fēng)險(xiǎn)明顯增大，因此在采樣時(shí)受檢者應(yīng)盡量保持正常呼吸。

2.2 新風(fēng)速度對(duì)呼吸區(qū)域飛沫平均濃度的影響

新風(fēng)條件對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量有著重要影響，新風(fēng)速度不同形成的羽流波及的范圍也不同。選取工況4、8、12、16、25 進(jìn)行研究，得出各工況不同時(shí)刻室內(nèi)飛沫分布如圖4 所示。不同新風(fēng)速度條件下采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度變化見圖5。

圖4 不同新風(fēng)速度下飛沫隨時(shí)間變化分布Fig.4 Distribution of droplets with time at different fresh vent velocities

圖5 新風(fēng)速度對(duì)飛沫平均濃度的影響Fig.5 Influence of fresh vent velocity on the mean concentration of droplets

由圖4 可以看出，前3 s 新風(fēng)速度對(duì)飛沫擴(kuò)散的影響不明顯，在3 s 時(shí)飛沫到達(dá)并聚集在采樣者頭部區(qū)域，隨后逐漸彌散至整個(gè)室內(nèi)空間，其平均濃度也逐漸降低，故3 s 左右時(shí)采樣者感染幾率最大。隨著新風(fēng)速度的增大，高濃度飛沫在采樣者呼吸區(qū)停留時(shí)間縮短，說(shuō)明較大的新風(fēng)速度對(duì)采樣者呼吸區(qū)空氣的置換效果加強(qiáng)，有利于改善該區(qū)域空氣質(zhì)量，保障人員安全。同時(shí)，較大的新風(fēng)速度可對(duì)室內(nèi)空氣產(chǎn)生擾動(dòng)，并攜帶飛沫向出風(fēng)口方向散逸排出，未逸出的飛沫與室內(nèi)壁面的黏附概率也顯著增加，從而有效降低飛沫濃度，減少整個(gè)室內(nèi)區(qū)域內(nèi)的感染風(fēng)險(xiǎn)。

由圖5 可以看出，新風(fēng)速度增加會(huì)顯著降低采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度，其原因在于較高的新風(fēng)速度可有效縮短室內(nèi)空氣齡，減少飛沫停留時(shí)間，從而改善采樣者呼吸區(qū)空氣質(zhì)量。因此，在保證人體熱舒適前提下應(yīng)盡可能采用較大的新風(fēng)速度，本研究范圍內(nèi)最大新風(fēng)速度應(yīng)控制在1.0 m/s 左右為宜。

2.3 氣流組織形式對(duì)呼吸區(qū)域飛沫平均濃度的影響

氣流組織形式?jīng)Q定著通風(fēng)的效果，進(jìn)而影響著飛沫的分布特性。選取工況3、8、13、18、23 的氣流組織形式進(jìn)行研究，獲得不同時(shí)刻室內(nèi)飛沫分布如圖6 所示。采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度與氣流組織形式的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖7。

圖6 不同氣流組織形式下飛沫隨時(shí)間變化分布Fig.6 Droplet organization with time under different airflow patterns

圖7 氣流組織形式對(duì)飛沫平均濃度的影響Fig.7 Effect of air flow pattern on mean concentration of droplets

由圖6 可以看出，不同氣流組織形式條件下飛沫擴(kuò)散呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。新風(fēng)頂進(jìn)下出情況下10 s內(nèi)絕大部分飛沫會(huì)隨氣流從窗口逸出，采樣者呼吸區(qū)飛沫濃度很低，被感染的風(fēng)險(xiǎn)最??；同側(cè)進(jìn)出時(shí)，新風(fēng)羽流波及范圍有限，對(duì)飛沫擴(kuò)散影響較小，造成飛沫分布范圍較廣、排出效果差，采樣者感染風(fēng)險(xiǎn)較高；異側(cè)進(jìn)出風(fēng)情況下新風(fēng)橫向掃掠整個(gè)室內(nèi)空間，在近壁處產(chǎn)生回流后沿著墻壁運(yùn)動(dòng)，飛沫在合力作用下隨空氣流動(dòng)，部分飛沫隨空氣經(jīng)出風(fēng)口逸出室外，另一部分則隨回流風(fēng)逐漸彌散于室內(nèi)，且近壁處飛沫易沉積和附著在壁面上，相比于同側(cè)進(jìn)出風(fēng)情況，飛沫的運(yùn)動(dòng)距離短且散逸速度快，平均濃度較低。

由圖7 可以看出，新風(fēng)進(jìn)出口異側(cè)布置時(shí)室內(nèi)飛沫平均濃度比同側(cè)布置情況低8.4%，而頂進(jìn)下出時(shí)飛沫平均濃度則比同側(cè)上進(jìn)下出情況低52.9%，因此應(yīng)采用頂進(jìn)下出的氣流組織形式，同時(shí)可在窗口處設(shè)置氣簾等以進(jìn)一步降低采樣者的感染風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 室內(nèi)飛沫濃度隨時(shí)間的變化

隨著采樣的進(jìn)行，室內(nèi)飛沫濃度亦不斷發(fā)生著變化，通過(guò)仿真模擬獲得了不同工況下采樣者呼吸區(qū)飛沫濃度與時(shí)間的變化關(guān)系如圖8 所示。

圖8 飛沫濃度隨時(shí)間變化Fig.8 Variation of droplet concentration with time

由圖8 可以看出，隨時(shí)間的推移采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度均先急劇增大，在3 s 左右最高峰值可達(dá)0.059 8 μg/m3，隨后迅速下降，在8 和20 s 分別降至峰值的41.5%（0.034 8 μg/m3）和7.7%（0.009 4μg/m3），此后變化漸趨平緩。其原因主要在于自飛沫以一定速度進(jìn)入采樣室內(nèi)空間，在3 s 內(nèi)快速聚集，飛沫濃度迅速增加，在擴(kuò)散過(guò)程中因一部分飛沫會(huì)黏附防護(hù)服、桌椅、器皿、墻壁等室內(nèi)設(shè)施表面而使其濃度迅速降低，室內(nèi)空氣回流和通風(fēng)死區(qū)的存在使部分飛沫無(wú)法經(jīng)出風(fēng)口隨空氣一起排出而滯留室內(nèi)，但總體上濃度呈下降趨勢(shì)。核酸采樣過(guò)程中包括采樣者消毒和準(zhǔn)備咽拭子在內(nèi)所需時(shí)間約8 s，而近距離實(shí)際采樣時(shí)間僅有3 s，采樣頻次較快時(shí)后續(xù)受檢者亦會(huì)暴露于前一次采樣形成的較高濃度飛沫環(huán)境中。因此，采樣時(shí)受檢者應(yīng)與采樣者應(yīng)密切配合，待消毒和拭子準(zhǔn)備完成后再?gòu)埧诓⒀杆偻瓿刹蓸?，且采樣時(shí)間間隔應(yīng)控制在20 s 以上。

3 結(jié)論

(1) 不同氣流組織形式下室內(nèi)飛沫濃度分布差異較大，新風(fēng)頂進(jìn)下出條件下采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度可比同側(cè)下進(jìn)上出形式時(shí)低52.9%，室內(nèi)空氣質(zhì)量最好。

(2) 新風(fēng)速度越大，空氣在室內(nèi)的停留時(shí)間越短，飛沫排出越快越徹底，采樣者被感染的風(fēng)險(xiǎn)越小。在滿足人體熱舒適性的前提下，室溫27 ℃時(shí)新風(fēng)速度應(yīng)控制在1.0 m/s 左右以縮短室內(nèi)空氣齡，減少飛沫停留時(shí)間，降低感染風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 采樣周期內(nèi)，3 s 左右采樣者呼吸區(qū)飛沫濃度達(dá)到峰值，在8、20 s 時(shí)分別降至峰值的41.5%和7.7%。檢測(cè)過(guò)程中受檢者和采樣者應(yīng)密切配合、盡快采樣，并將采樣時(shí)間間隔控制在20 s 以上，以降低后續(xù)受檢者感染風(fēng)險(xiǎn)。