劉嘉誠(chéng),谷家揚(yáng),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(lè)的大型豪華高技術(shù)船舶,其防疫系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)成為郵輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)[1]。由中國(guó)船級(jí)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(duì)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(xiǎn)。

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(yùn)動(dòng)。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(guò)對(duì)大型艦船密閉艙室建立通風(fēng)換氣數(shù)學(xué)模型,監(jiān)測(cè)了通風(fēng)換氣過(guò)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(guò)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(shuō)話的病毒顆粒運(yùn)動(dòng)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(jí)防疫安全要求的豪華郵輪防疫住艙為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值模擬分析不同通風(fēng)方案對(duì)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(jì)建造的實(shí)際條件,提出一種切實(shí)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(jiàn)圖1[5-6]。防疫住艙長(zhǎng)×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(guò)濾器,病毒消殺率99%,FCU每個(gè)住艙獨(dú)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(shí)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(dòng)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(yùn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬和追蹤,單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(kù)侖力,N。

2 通風(fēng)方案數(shù)值計(jì)算

2.1 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用多面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)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(duì)通風(fēng)進(jìn)、出口處進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分后的計(jì)算域見(jiàn)圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分后的計(jì)算域

為了盡可能節(jié)省計(jì)算資源,數(shù)值仿真之前需對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,以確定最適合該計(jì)算域的網(wǎng)格劃分方式。在計(jì)算域中選取一條垂直于住艙地面的垂直軸線,計(jì)算其速率,網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)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(shì)但有一定波動(dòng)。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(dòng),并且頂部氣體流動(dòng)速度較快。采取網(wǎng)格數(shù)為83萬(wàn)的劃分方式可以較為準(zhǔn)確模擬氣流運(yùn)動(dòng)的同時(shí)保證計(jì)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(wàn)的網(wǎng)格劃分方式。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2.2 邊界條件設(shè)置

利用STAR CCM+軟件,對(duì)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(shí)間內(nèi)的病毒消殺率。仿真模型中病毒顆粒通過(guò)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(shí)間4 s/次,動(dòng)力粘度1.855×10-5Pa·s。

計(jì)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(jiàn)表1。由于本文旨在研究住艙通風(fēng)布置方案對(duì)病毒顆粒運(yùn)動(dòng)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(jì)經(jīng)驗(yàn),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(shí)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(jì)0.166 kg/s。

3 防疫通風(fēng)布置方案分析

3.1 流場(chǎng)分析

首先對(duì)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(dòng)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(jiàn)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(dòng),到達(dá)地面后向四周擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),該過(guò)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(dòng)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(dòng)更加充分,氣體流動(dòng)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(yùn)動(dòng)至衛(wèi)生間墻壁后向下擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。為了更直觀地對(duì)比分析2種側(cè)面送風(fēng)方案的氣流組織,對(duì)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(jiàn)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(yùn)動(dòng)情況

為確保顆粒在防疫住艙內(nèi)充分運(yùn)動(dòng),設(shè)置仿真時(shí)間為3 000 s。防疫艙室部分顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖6。圖6(a)受室內(nèi)氣體流動(dòng)影響,顆粒從噴射器噴出后整體向斜下方運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng),到達(dá)壁面后消失,沒(méi)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(dòng)影響,顆粒向斜下方運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),最后經(jīng)回風(fēng)口和排風(fēng)口排出;向住艙左側(cè)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡較長(zhǎng)且更為雜亂。圖6(d)顆粒從噴射器噴出后的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡明顯短于圖6(c)通風(fēng)方案。

對(duì)比分析圖6防疫住艙內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡,上側(cè)送風(fēng)的通風(fēng)方案顆粒運(yùn)動(dòng)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(guò)更短的路程即可排出住艙。上側(cè)送風(fēng)時(shí),防疫住艙內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)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(shí)有效減少病毒顆粒向防疫住艙外擴(kuò)散。側(cè)面送風(fēng)時(shí),結(jié)合圖4住艙速度矢量圖可以看出,此時(shí)住艙內(nèi)氣流組織從左側(cè)送風(fēng)口向右側(cè)運(yùn)動(dòng),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(shí),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(shí)顆粒擴(kuò)散。

3.3 防疫效果

本文以顆粒消殺率來(lái)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(guò)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(shuō)明該通風(fēng)方案對(duì)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(jiàn)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(yùn)動(dòng),選取計(jì)算時(shí)間為3 000 s,驗(yàn)證消除時(shí)間敏感性對(duì)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(shí),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(shí)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(jì)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(duì)比分析各防疫住艙通風(fēng)布置方案的防疫效果,見(jiàn)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(duì)另外3種通風(fēng)方案的防疫效果進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)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(duì)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(duì)于防疫住艙的防疫效果而言,通過(guò)排風(fēng)口直接將病毒顆粒排出住艙的消殺方式對(duì)病毒顆粒濃度的控制更為顯著。同時(shí),衛(wèi)生間作為防疫工作的重點(diǎn)及難點(diǎn)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(duì)于本文研究對(duì)象來(lái)說(shuō),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(jiàn)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(chǎng)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(shí)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(guò)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(guò)分析病毒顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡,為郵輪防疫住艙艙門的布置位置提供了建議,同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)回風(fēng)口與排風(fēng)口布置在一側(cè)時(shí),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。