负压隔离器内病毒空气传播影响因素的研究.docx

1、工业安全与环保Induilrii.SiietyandEnvironmen!HProleciion负压隔离器内病毒空气传播影响因素的研究刘秋新1R2高春*1鄢小虎2龙一飞2（1.武汉科技大学城市建设学院武汉43007OIF2.武汉科技大学城市学院武汉430083）摘要病毒活性及病毒气溶胶粒径是病毒空气传播实验中的重要影响因素H病毒活性主要与环境温湿度有关K为了研究负压隔离器内颗粒粒径的影响因素。测量了实际运行工况下的两种粒径的颗粒浓度。并对不同换气次数、送风温度下颗粒浓度和粒径分布进行数值模拟N结果表明f不同粒径颗粒分布规律趋于一致！增加换气次数会导致气流旋涡区域颗粒浓度升高，随着换气次数的增加

2、和送风温度的增大K颗粒平均粒径增大P减小换气次数能显著提高颗粒中00.01mm粒径范围颗粒的占比N关键词负压隔离器数值模拟颗粒浓度粒径分布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引言多种传染性疾病的病毒可依附在飞沫气溶胶中进彳亍传播1-3，41SARS、姑核分枝HK.汉坦俏毒等H当进行朽德空气传播女焚时实验设莎场境中的温度，湿度对褚&活忤的影响以及气溶胶询的以捋均是实火过件中的垂要彬咆因研究表明f不同粒径幅粒物进入呼吸通的部位不同1.0的颗粒物可以深入登次级支气管2.0pm的颗绍物可以到诂终未支气铮Pm的颗段物可以到达腌泡4jAL_$HAMHMH等研究了洁净手术室内的气流分布和颗粒运动在发现了ACH（每小时换气次数）影响手术室内速度、温度和颗粒浓度分布N安朴燕6对空调房间内的气流组织和颗粒分布进行了研究诉研究

7、发现小于5um的颗粒气流跟随性强&主要受气流力和热浮生力作用#李磊7研究发现通风房间内的微生物气溶胶具有较强的气流跟随性业李佳明8指出粒径范围为0.3"5.0nm的颗粒会进入呼吸道深处中对人和动物造成严重危害负压隔离器是高等级生物实验室中开展高致病性病毒感染动物的饲养、实验等操作时必不可少的的实验设备9W本文基于武汉大学ABSL-3级实验室中的猴负压隔离器建立三维模型#运用ANSYS软件模拟负压隔离器不同运行工况对内部气溶胶颗粒的浓度及粒径分布的影响#得到负压隔离器内部气溶胶颗粒粒径的分布规律寸为进行病毒空气传播实验时的设备运行控制策略提供一定参考月1研究对象与方法1.1研究

8、对象本研究中所采用的负压隔离器实物图如图1所示巾图2为合理简化后的三维模型结构示意图N该负压隔离器模型分为内外两部分#外隔离器上有两个送风口、一个回风口以及与之对应的送、回风道月内隔离器上部无面板#内部设置有用长方体表示的实验对象i并且模型上有一出口(inleLpaiiin)用于表示其鼻子和口腔#,模型内送、回风板皆为孔板结构I各部分尺寸如表1所示$图1负压隔离器实物inlct-2图2模型结构示意表1负压隔离器各部分尺寸对象尺寸数量外隔离器0.8mX1mX1m1内隔离器0.77mX0.88mX0.97m1进口0.01m(L)X0.25m(W)2送风道0.1mX0.25mX1m2出口0.26m(

9、L)X0.01m(W)1回风道0.26mX0.0imXlm1实验对象0.26mX0.1mX0.4m1颗粒入口0.05m(L)X0.03m(H)11.2研究方法1.2.1实验测量在距离负压隔离器底面0.25m的高度处选取3个测点Bl、B2、B3彳其中B2测点位于中间位置RB2测点两侧0.35m处分别为B1、B3测点小采用激光粒子计数器测量不同深度处(025/0.35/0.50/0.60m)的粒径为0.5um、1nm的颗粒浓度#得出该粒径尺寸颗粒的分布规律再1.2.2数值模拟基于DPM模型&模拟不同换气次数、送风温度对负压隔离器内的颗粒浓度分布和粒径分布的影响N假定流动空气为不可压缩流体*

10、假设流动是不稳定状态的湍流。采用标准湍流模型N此外R为简化CFD模拟墙壁上设置为无滑移条件JLIUJJ等10指出热量和湍流会产生一个浮力驱动的气流*它根据温差向上流动N因此为确保在计算过程中考虑实验对象散发的热量的影响K激活能量方程来启用传热分析N实验对象温度设定为310削隔离器内壁的传热边界条件均设定为绝热#颗粒入口(inIei-particle)空气速度为1.2m/si颗粒随气流注入隔离器内R假设颗粒与携带颗粒的空气之间没有相对速度i模拟过程中打开StochasticCollision.CoaleTcenceBreakup模型月颗粒性质如表2所示N表2颗粒物理性质名称数值速度1.2m/s粒

11、径分布Rosin-rammler最小直径1um最大直径100um平均直径10um质量流率0.04kg/s颗粒注射均匀注射密度1000kg/ms为了分析方便*模拟中提高了颗粒散发浓度府用于不同点浓度值的相对比较皿参考文献11指出旧单纯提高发生源的浓度数量级旧不会对模拟结果产生影响用在本研究中*模型网格划分采用六面体网格I网格独立性验证如图3所示F选择标准卜£湍流模型用于流体分析K湍流强度为5%«收敛标准为IX2结果与分析2.1实验测量由于负压隔离器送风系统采用高效过滤器寸随送风系统进入隔离器内的粒子直径较小，实验测量时主要测量了两种粒径(0.5um、1um)W粒径为0.5um

12、、1um颗粒的测量浓度值如下表3所示寡表3不同粒径颗粒浓度个/L测测点深度0.25m0.35m0.5m0.6m点0.5nm1mm0.5pm1um0.5pm1um0.5um1um1.0B11212252126263227B2008821164335B3131924211212320.60.81Z/m图6X=0.4截面温度云图(35ACH)3WWXS3033023013OO7彩箱落端2W由表3可以得出：不同粒径颗粒分布规律趋于一致$颗粒数量整体呈现出两边多、中间少的特点K从表中可以看出B2测点0.25/0.35/0.5m深度处颗粒浓度较低这是由于负压隔离器内

13、中部区域空气流速较大R所以该处颗粒浓度较少*甚至为OS由于B2测点0.6m深度处靠近隔离器回风板*所以颗粒浓度高于其他区域巾证明了颗粒良好的气流跟随性K2.2浓度模拟模拟不同换气次数时(20ACH、35ACH、50ACH)浓度分布情况*负压隔离器内部的温度云图和颗粒浓度云图结果见图4图9月1.01.00.60.81Z/m图7X=0.4截面浓度云图(35ACH)0.60.81Z/m图4X=0.4截面温度云图(20ACH)1.00.2310309SXS券3007繇300霁签签1.00.200

14、.Z/m图5X=0.4截面颗粒浓度云图(20ACII)1.00.60.8Z/m图9X=0.4截面浓度云图(50ACH)0.81Z/m图8X=0.4截面温度云图(50ACH)DPMOxk二8骂.57654321022222222关±2勺吴聚EE一宁0汶f出炬翼康着s.01.01O889876547777771816+0.05-0.060.06-0.07。0.07.08*0.08.09。0.09.1012隔离器内部气流旋涡主要存在于实验对象前方和后方下部区域f对比3种换气次数时隔离器内的温度云图、速度云图可得：颗

15、粒随呼出气流到达顶部后在涡流区域产生聚集N随着换气次数的增加彳其他区域颗粒浓度降低崔2.3粒径模拟本文模拟了两种方案下负压隔离器内颗粒粒径分布情况村2.3.1方案一送风温度为298Kit改变换气次数(20ACH、35ACH、50ACH)用粒径范围为00.5mm的颗粒中00.1mm的颗粒占比如图10所示的2.3.2方案二换气次数为35ACHf改变送风温度(295K、298K、300K)I粒径范围00.5mm的颗粒中00.1mm的颗粒占比如图11所示N不同工况下R00.1mm粒径范围中不同粒径尺寸的颗粒占比如图12所示段20253035404550换气次数(ACH)图10不同换气次数时0'

16、0.1mm的颗粒占比42086888774208622211295296297298299300温度/K图11不同送风温度时00.1mm的颗粒占比综合图10、图11可以看出斤随着换气次数的增加N粒径范围00.5mm的颗粒中0'0.1mm的颗粒占比逐渐减小随着温度的升高巾粒径范围0"0.5mm的颗粒中00.1mm的颗粒占比逐渐减小冲随着换气次数的增加和送风温度的升高W粒径分布呈增大趋势月,(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工况

17、图1200.mm粒径范围中不同粒径尺寸的颗粒占比从图12可以看出W送风温度对不同粒径尺寸的颗粒占比的影响较小N换气次数对0、0.1mm中00.01mm颗粒占比影响较大W当换气次数从35ACH减小到20ACH时it00.01mm的颗粒占比从3%提高到了17%用该粒径范围的颗粒能够进入到呼吸道深处汁因此进行病毒空气传播实验时在可减小设备换气次数月3结论本文研究了不同换气次数、送风温度对负压隔离器内气溶胶颗粒浓度和粒径分布的影响月结果表明小换气次数、送风温度对于粒径分布均有影响#主要结论如下：(1) 实验结果证明：该粒径尺寸下由不同粒径颗粒分布规律趋于一致甘空气流速是影响颗粒分布的重要因素由空气流速

18、较大的区域#颗粒浓度较低府颗粒具有良好的气流跟随性H(2) 隔离器内部气流旋涡主要存在于实验对象前方和后方下部区域增加换气次数导致气流旋涡区域颗粒浓度升高R其他区域的颗粒浓度降低S'(3) 随着换气次数的增加和送风温度的增大N粒径分布呈现增大趋势N减小换气次数N能显著提高0"0.1mm粒径范围中。0.01mm的颗粒占比巾对病毒空气传播实验具有积极效果JI参考文献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.冬季室内空气细菌污染状况研究及质谱图库的建立D.北京：中国疾病预防控制中心n2006.4 AL-SHAM1HMHiMONEMAACKHAZALEA,NumeficalsimulationoiindooriirilowandptrlicledepositioninIheclemroom(surgicaloperitionroom)J.InlermtionalJournalo:EnernmdEnviionmen:t2018f9(3):269-282.5 安朴燕.室内气流组织及颗粒物分布的数值模拟研究D.长沙:湖南大学B2016.6 李磊.通风房间内微生物气溶胶传播的的CFD模拟D.西

21、安:长安大学K2014.7 李佳明.封闭式猪舍内环境空气颗粒物监测及微生物气溶胶分布规律研究D.长春:吉林农业大学*2018.8 张宗兴R祁建城府吴金辉K等.生物安全型禽负压隔离器的研制J.中国比较医学杂志(2018(28(9):90-95,LIUJJiWENWY.NumericalsimulationonahorizontaliifflowforairbornepirticlescontrolinhospitaloperatingroomJ.BuildingandEnvironmenti2009:2284_2289.9 CHENQiMOSERA.Simnlilionofamultiplenozzledif_ImerJ.Proceedingsof:he12thA1VCConfereneeon?irandVenliliiionControlWithinBuildings!Oitawa(Canada1991(2:1T3.作者简介吴松林行男府硕士祐主要从事大气污染防治技术研究(收稿日期:20200314)QrK廿幻小编号：CST-JIFR2020GYAF中国学术期刊影响因子年报（自然科学与工程技术2020版）-影响力指数（Cl）他5IJIFCltt赃唁力指5）学科捧序*刊改值学科彖大借学科长