負(fù)壓隔離器內(nèi)病毒空氣傳播影響因素的研究.docx

1、工業(yè)安全與環(huán)保Induilrii.SiietyandEnvironmen!HProleciion負(fù)壓隔離器內(nèi)病毒空氣傳播影響因素的研究劉秋新1R2高春*1鄢小虎2龍一飛2（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院武漢43007OIF2.武漢科技大學(xué)城市學(xué)院武漢430083）摘要病毒活性及病毒氣溶膠粒徑是病毒空氣傳播實(shí)驗(yàn)中的重要影響因素H病毒活性主要與環(huán)境溫濕度有關(guān)K為了研究負(fù)壓隔離器內(nèi)顆粒粒徑的影響因素。測量了實(shí)際運(yùn)行工況下的兩種粒徑的顆粒濃度。并對不同換氣次數(shù)、送風(fēng)溫度下顆粒濃度和粒徑分布進(jìn)行數(shù)值模擬N結(jié)果表明f不同粒徑顆粒分布規(guī)律趨于一致！增加換氣次數(shù)會導(dǎo)致氣流旋渦區(qū)域顆粒濃度升高，隨著換氣次數(shù)的增加

2、和送風(fēng)溫度的增大K顆粒平均粒徑增大P減小換氣次數(shù)能顯著提高顆粒中00.01mm粒徑范圍顆粒的占比N關(guān)鍵詞負(fù)壓隔離器數(shù)值模擬顆粒濃度粒徑分布StudyonInfluencingFactorsofVirusAirTransmissioninNegativePreuureIsolatorWUSonglin1LIUQiuiinIGGAOChuone1YANXiiohu!LONGYilei:(1.SchoolofUrbanConsliudionfWuhanUniversilyofScience&TechnologyWuhan430070)AbitradVirusactivity3ndiirusa

3、erosolparticledzeareimportantf3clorsinvirusairborneexperimenls.VirusiclitilyismainlyrelaiedIoeniironmenta!temperatureandbumidily.inorderIoiludjtheinfluencingiaclorso!IbepHtidesizeinthenegatirepressureisolaloritheptrlicleconcenlraliomofthetwoparticlesizejunderactualoperaiingconditionsweremeMuiedtandt

4、hepar:icleconceniraLonandpaniclesizedistributionitdilferen:venlilitionlimesandlirsupplj:emperiturejwerenumericallyjmu.aied.Theresultsshowthatthedistributionofparticleswiihdiffereniparliclesizeslend$iobeconsijlenijincreningihenumberofventilalioniwillincreueiheparlicleconcentration:nlhevortexregionof:

5、heairflow!”thenumberofventilationsandlher.rsupplylemperaiureincreaseftheaveragepirticlesiieoltheparticle$increneddecreasingven:il3lionlimescanjignificanllyincreasetheproportionofparticlesinlheparticlesizerangeof0"0.01mm.KeyWordsnegativepressureisolatornumericalsimulationparticleconcentrationpar

6、ticlesizeditlribu'ion0引言多種傳染性疾病的病毒可依附在飛沫氣溶膠中進(jìn)彳亍傳播1-3，41SARS、姑核分枝HK.漢坦俏毒等H當(dāng)進(jìn)行朽德空氣傳播女焚時實(shí)驗(yàn)設(shè)莎場境中的溫度，濕度對褚&活忤的影響以及氣溶膠詢的以捋均是實(shí)火過件中的垂要彬咆因研究表明f不同粒徑幅粒物進(jìn)入呼吸通的部位不同1.0的顆粒物可以深入登次級支氣管2.0pm的顆紹物可以到詁終未支氣錚Pm的顆段物可以到達(dá)腌泡4jAL_$HAMHMH等研究了潔凈手術(shù)室內(nèi)的氣流分布和顆粒運(yùn)動在發(fā)現(xiàn)了ACH（每小時換氣次數(shù)）影響手術(shù)室內(nèi)速度、溫度和顆粒濃度分布N安樸燕6對空調(diào)房間內(nèi)的氣流組織和顆粒分布進(jìn)行了研究訴研究

7、發(fā)現(xiàn)小于5um的顆粒氣流跟隨性強(qiáng)&主要受氣流力和熱浮生力作用#李磊7研究發(fā)現(xiàn)通風(fēng)房間內(nèi)的微生物氣溶膠具有較強(qiáng)的氣流跟隨性業(yè)李佳明8指出粒徑范圍為0.3"5.0nm的顆粒會進(jìn)入呼吸道深處中對人和動物造成嚴(yán)重危害負(fù)壓隔離器是高等級生物實(shí)驗(yàn)室中開展高致病性病毒感染動物的飼養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)等操作時必不可少的的實(shí)驗(yàn)設(shè)備9W本文基于武漢大學(xué)ABSL-3級實(shí)驗(yàn)室中的猴負(fù)壓隔離器建立三維模型#運(yùn)用ANSYS軟件模擬負(fù)壓隔離器不同運(yùn)行工況對內(nèi)部氣溶膠顆粒的濃度及粒徑分布的影響#得到負(fù)壓隔離器內(nèi)部氣溶膠顆粒粒徑的分布規(guī)律寸為進(jìn)行病毒空氣傳播實(shí)驗(yàn)時的設(shè)備運(yùn)行控制策略提供一定參考月1研究對象與方法1.1研究

8、對象本研究中所采用的負(fù)壓隔離器實(shí)物圖如圖1所示巾圖2為合理簡化后的三維模型結(jié)構(gòu)示意圖N該負(fù)壓隔離器模型分為內(nèi)外兩部分#外隔離器上有兩個送風(fēng)口、一個回風(fēng)口以及與之對應(yīng)的送、回風(fēng)道月內(nèi)隔離器上部無面板#內(nèi)部設(shè)置有用長方體表示的實(shí)驗(yàn)對象i并且模型上有一出口(inleLpaiiin)用于表示其鼻子和口腔#,模型內(nèi)送、回風(fēng)板皆為孔板結(jié)構(gòu)I各部分尺寸如表1所示$圖1負(fù)壓隔離器實(shí)物inlct-2圖2模型結(jié)構(gòu)示意表1負(fù)壓隔離器各部分尺寸對象尺寸數(shù)量外隔離器0.8mX1mX1m1內(nèi)隔離器0.77mX0.88mX0.97m1進(jìn)口0.01m(L)X0.25m(W)2送風(fēng)道0.1mX0.25mX1m2出口0.26m(

9、L)X0.01m(W)1回風(fēng)道0.26mX0.0imXlm1實(shí)驗(yàn)對象0.26mX0.1mX0.4m1顆粒入口0.05m(L)X0.03m(H)11.2研究方法1.2.1實(shí)驗(yàn)測量在距離負(fù)壓隔離器底面0.25m的高度處選取3個測點(diǎn)Bl、B2、B3彳其中B2測點(diǎn)位于中間位置RB2測點(diǎn)兩側(cè)0.35m處分別為B1、B3測點(diǎn)小采用激光粒子計(jì)數(shù)器測量不同深度處(025/0.35/0.50/0.60m)的粒徑為0.5um、1nm的顆粒濃度#得出該粒徑尺寸顆粒的分布規(guī)律再1.2.2數(shù)值模擬基于DPM模型&模擬不同換氣次數(shù)、送風(fēng)溫度對負(fù)壓隔離器內(nèi)的顆粒濃度分布和粒徑分布的影響N假定流動空氣為不可壓縮流體*

10、假設(shè)流動是不穩(wěn)定狀態(tài)的湍流。采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型N此外R為簡化CFD模擬墻壁上設(shè)置為無滑移條件JLIUJJ等10指出熱量和湍流會產(chǎn)生一個浮力驅(qū)動的氣流*它根據(jù)溫差向上流動N因此為確保在計(jì)算過程中考慮實(shí)驗(yàn)對象散發(fā)的熱量的影響K激活能量方程來啟用傳熱分析N實(shí)驗(yàn)對象溫度設(shè)定為310削隔離器內(nèi)壁的傳熱邊界條件均設(shè)定為絕熱#顆粒入口(inIei-particle)空氣速度為1.2m/si顆粒隨氣流注入隔離器內(nèi)R假設(shè)顆粒與攜帶顆粒的空氣之間沒有相對速度i模擬過程中打開StochasticCollision.CoaleTcenceBreakup模型月顆粒性質(zhì)如表2所示N表2顆粒物理性質(zhì)名稱數(shù)值速度1.2m/s粒

11、徑分布Rosin-rammler最小直徑1um最大直徑100um平均直徑10um質(zhì)量流率0.04kg/s顆粒注射均勻注射密度1000kg/ms為了分析方便*模擬中提高了顆粒散發(fā)濃度府用于不同點(diǎn)濃度值的相對比較皿參考文獻(xiàn)11指出舊單純提高發(fā)生源的濃度數(shù)量級舊不會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響用在本研究中*模型網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格I網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證如圖3所示F選擇標(biāo)準(zhǔn)卜£湍流模型用于流體分析K湍流強(qiáng)度為5%«收斂標(biāo)準(zhǔn)為IX2結(jié)果與分析2.1實(shí)驗(yàn)測量由于負(fù)壓隔離器送風(fēng)系統(tǒng)采用高效過濾器寸隨送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入隔離器內(nèi)的粒子直徑較小，實(shí)驗(yàn)測量時主要測量了兩種粒徑(0.5um、1um)W粒徑為0.5um

12、、1um顆粒的測量濃度值如下表3所示寡表3不同粒徑顆粒濃度個/L測測點(diǎn)深度0.25m0.35m0.5m0.6m點(diǎn)0.5nm1mm0.5pm1um0.5pm1um0.5um1um1.0B11212252126263227B2008821164335B3131924211212320.60.81Z/m圖6X=0.4截面溫度云圖(35ACH)3WWXS3033023013OO7彩箱落端2W由表3可以得出：不同粒徑顆粒分布規(guī)律趨于一致$顆粒數(shù)量整體呈現(xiàn)出兩邊多、中間少的特點(diǎn)K從表中可以看出B2測點(diǎn)0.25/0.35/0.5m深度處顆粒濃度較低這是由于負(fù)壓隔離器內(nèi)

13、中部區(qū)域空氣流速較大R所以該處顆粒濃度較少*甚至為OS由于B2測點(diǎn)0.6m深度處靠近隔離器回風(fēng)板*所以顆粒濃度高于其他區(qū)域巾證明了顆粒良好的氣流跟隨性K2.2濃度模擬模擬不同換氣次數(shù)時(20ACH、35ACH、50ACH)濃度分布情況*負(fù)壓隔離器內(nèi)部的溫度云圖和顆粒濃度云圖結(jié)果見圖4圖9月1.01.00.60.81Z/m圖7X=0.4截面濃度云圖(35ACH)0.60.81Z/m圖4X=0.4截面溫度云圖(20ACH)1.00.2310309SXS券3007繇300霽簽簽1.00.200

14、.Z/m圖5X=0.4截面顆粒濃度云圖(20ACII)1.00.60.8Z/m圖9X=0.4截面濃度云圖(50ACH)0.81Z/m圖8X=0.4截面溫度云圖(50ACH)DPMOxk二8罵.57654321022222222關(guān)±2勺吳聚EE一寧0汶f出炬翼康著s.01.01O889876547777771816+0.05-0.060.06-0.07。0.07.08*0.08.09。0.09.1012隔離器內(nèi)部氣流旋渦主要存在于實(shí)驗(yàn)對象前方和后方下部區(qū)域f對比3種換氣次數(shù)時隔離器內(nèi)的溫度云圖、速度云圖可得：顆

15、粒隨呼出氣流到達(dá)頂部后在渦流區(qū)域產(chǎn)生聚集N隨著換氣次數(shù)的增加彳其他區(qū)域顆粒濃度降低崔2.3粒徑模擬本文模擬了兩種方案下負(fù)壓隔離器內(nèi)顆粒粒徑分布情況村2.3.1方案一送風(fēng)溫度為298Kit改變換氣次數(shù)(20ACH、35ACH、50ACH)用粒徑范圍為00.5mm的顆粒中00.1mm的顆粒占比如圖10所示的2.3.2方案二換氣次數(shù)為35ACHf改變送風(fēng)溫度(295K、298K、300K)I粒徑范圍00.5mm的顆粒中00.1mm的顆粒占比如圖11所示N不同工況下R00.1mm粒徑范圍中不同粒徑尺寸的顆粒占比如圖12所示段20253035404550換氣次數(shù)(ACH)圖10不同換氣次數(shù)時0'

16、0.1mm的顆粒占比42086888774208622211295296297298299300溫度/K圖11不同送風(fēng)溫度時00.1mm的顆粒占比綜合圖10、圖11可以看出斤隨著換氣次數(shù)的增加N粒徑范圍00.5mm的顆粒中0'0.1mm的顆粒占比逐漸減小隨著溫度的升高巾粒徑范圍0"0.5mm的顆粒中00.1mm的顆粒占比逐漸減小沖隨著換氣次數(shù)的增加和送風(fēng)溫度的升高W粒徑分布呈增大趨勢月,(M).O1。0.01-0.020.02.03,0.03-0.040.0Z.0520次/h35次/h50次/h35次/h35次/h35次/h298K298K298K295K298K300K工況

17、圖1200.mm粒徑范圍中不同粒徑尺寸的顆粒占比從圖12可以看出W送風(fēng)溫度對不同粒徑尺寸的顆粒占比的影響較小N換氣次數(shù)對0、0.1mm中00.01mm顆粒占比影響較大W當(dāng)換氣次數(shù)從35ACH減小到20ACH時it00.01mm的顆粒占比從3%提高到了17%用該粒徑范圍的顆粒能夠進(jìn)入到呼吸道深處汁因此進(jìn)行病毒空氣傳播實(shí)驗(yàn)時在可減小設(shè)備換氣次數(shù)月3結(jié)論本文研究了不同換氣次數(shù)、送風(fēng)溫度對負(fù)壓隔離器內(nèi)氣溶膠顆粒濃度和粒徑分布的影響月結(jié)果表明小換氣次數(shù)、送風(fēng)溫度對于粒徑分布均有影響#主要結(jié)論如下：(1) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該粒徑尺寸下由不同粒徑顆粒分布規(guī)律趨于一致甘空氣流速是影響顆粒分布的重要因素由空氣流速

18、較大的區(qū)域#顆粒濃度較低府顆粒具有良好的氣流跟隨性H(2) 隔離器內(nèi)部氣流旋渦主要存在于實(shí)驗(yàn)對象前方和后方下部區(qū)域增加換氣次數(shù)導(dǎo)致氣流旋渦區(qū)域顆粒濃度升高R其他區(qū)域的顆粒濃度降低S'(3) 隨著換氣次數(shù)的增加和送風(fēng)溫度的增大N粒徑分布呈現(xiàn)增大趨勢N減小換氣次數(shù)N能顯著提高0"0.1mm粒徑范圍中。0.01mm的顆粒占比巾對病毒空氣傳播實(shí)驗(yàn)具有積極效果JI參考文獻(xiàn)1UFiLIUHPEIJ(etal.ExperimentalstudyofgaseousandparticulatecontaminantsdislribulionininaircraftcabinJ.Atmoiphe

19、ricEnvironmenti20Hi85:223-233.2 THOMASRJ.Particlesizeandpathogenicityintherespir_atoryhadJ.Virulencei2013i4(8):H7-858,AZIM：PfSTEPHENSB.HVACfiltrationforconirollingin-fecliousairbornediseasetransmiiiioninindoorenvironmenu:predietingridreductionjmdoperalionilcoshJ.BuildingandEniifonmenlf2013i70：150l60

20、.3 石桂英.冬季室內(nèi)空氣細(xì)菌污染狀況研究及質(zhì)譜圖庫的建立D.北京：中國疾病預(yù)防控制中心n2006.4 AL-SHAM1HMHiMONEMAACKHAZALEA,NumeficalsimulationoiindooriirilowandptrlicledepositioninIheclemroom(surgicaloperitionroom)J.InlermtionalJournalo:EnernmdEnviionmen:t2018f9(3):269-282.5 安樸燕.室內(nèi)氣流組織及顆粒物分布的數(shù)值模擬研究D.長沙:湖南大學(xué)B2016.6 李磊.通風(fēng)房間內(nèi)微生物氣溶膠傳播的的CFD模擬D.西

21、安:長安大學(xué)K2014.7 李佳明.封閉式豬舍內(nèi)環(huán)境空氣顆粒物監(jiān)測及微生物氣溶膠分布規(guī)律研究D.長春:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)*2018.8 張宗興R祁建城府吳金輝K等.生物安全型禽負(fù)壓隔離器的研制J.中國比較醫(yī)學(xué)雜志(2018(28(9):90-95,LIUJJiWENWY.NumericalsimulationonahorizontaliifflowforairbornepirticlescontrolinhospitaloperatingroomJ.BuildingandEnvironmenti2009:2284_2289.9 CHENQiMOSERA.Simnlilionofamultiplenozzledif_ImerJ.Proceedingsof:he12thA1VCConfereneeon?irandVenliliiionControlWithinBuildings!Oitawa(Canada1991(2:1T3.作者簡介吳松林行男府碩士祐主要從事大氣污染防治技術(shù)研究(收稿日期:20200314)QrK廿幻小編號：CST-JIFR2020GYAF中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)2020版）-影響力指數(shù)（Cl）他5IJIFCltt贓唁力指5）學(xué)科捧序*刊改值學(xué)科彖大借學(xué)科長