负压隔离器内病毒空气传播影响因素的研究

吴松林 刘秋新, 高春雪 鄢小虎 龙一飞

(1.武汉科技大学城市建设学院 武汉 430070； 2. 武汉科技大学城市学院 武汉 430083)

0 引言

多种传染性疾病的病毒可依附在飞沫气溶胶中进行传播[1-3]，如SARS、结核分枝杆菌、汉坦病毒等。当进行病毒空气传播实验时，实验设备环境中的温度、湿度对病毒活性的影响以及气溶胶颗粒粒径均是实验过程中的重要影响因素。研究表明，不同粒径颗粒物进入呼吸道的部位不同，<3.0 μm的颗粒物可以深入到次级支气管，<2.0 μm的颗粒物可以到达终末支气管，<1.0 μm的颗粒物可以到达肺泡[4]。AL-SHAMI H M H等[5]研究了洁净手术室内的气流分布和颗粒运动，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。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，研究发现小于5 μm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。李佳明[8]指出粒径范围为0.3～5.0 μm的颗粒会进入呼吸道深处,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[9]。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，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。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究中所采用的负压隔离器实物图如图1所示，图2为合理简化后的三维模型结构示意图。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。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，并且模型上有一出口(inlet-particle)用于表示其鼻子和口腔。模型内送、回风板皆为孔板结构。各部分尺寸如表1所示。

图1 负压隔离器实物

图2 模型结构示意

表1 负压隔离器各部分尺寸

1.2 研究方法

1.2.1 实验测量

在距离负压隔离器底面0.25 m的高度处选取3个测点B1、B2、B3，其中B2测点位于中间位置，B2测点两侧0.35 m处分别为B1、B3测点，采用激光粒子计数器测量不同深度处(0.25/0.35/0.50/0.60 m)的粒径为0.5 μm、1 μm的颗粒浓度，得出该粒径尺寸颗粒的分布规律。

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。假定流动空气为不可压缩流体，假设流动是不稳定状态的湍流，采用标准湍流模型。此外，为简化CFD模拟，墙壁上设置为无滑移条件。LIU J J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。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，激活能量方程来启用传热分析。实验对象温度设定为310 K，隔离器内壁的传热边界条件均设定为绝热。颗粒入口(inlet- particle)空气速度为1.2 m/s，颗粒随气流注入隔离器内，假设颗粒与携带颗粒的空气之间没有相对速度，模拟过程中打开Stochastic Collision、Coalescence 、Breakup模型。颗粒性质如表2所示。

表2 颗粒物理性质

为了分析方便，模拟中提高了颗粒散发浓度，用于不同点浓度值的相对比较。参考文献[11]指出，单纯提高发生源的浓度数量级，不会对模拟结果产生影响。在本研究中，模型网格划分采用六面体网格，网格独立性验证如图3所示，选择标准k-ε湍流模型用于流体分析，湍流强度为5%，收敛标准为1×10-3。

图3 网格独立性验证

2 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，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(0.5 μm、1 μm)。粒径为0.5 μm、1 μm颗粒的测量浓度值如下表3所示。

表3 不同粒径颗粒浓度 个/L

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。从表中可以看出B2测点0.25/0.35/0.5 m深度处颗粒浓度较低，这是由于负压隔离器内中部区域空气流速较大，所以该处颗粒浓度较少，甚至为0。由于B2测点0.6 m深度处靠近隔离器回风板，所以颗粒浓度高于其他区域，证明了颗粒良好的气流跟随性。

2.2 浓度模拟

模拟不同换气次数时(20 ACH、35 ACH、50 ACH)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。

图4 X=0.4截面温度云图(20 ACH)

图5 X=0.4截面颗粒浓度云图(20 ACH)

图6 X=0.4截面温度云图(35 ACH)

图7 X=0.4截面浓度云图(35 ACH)

图8 X=0.4截面温度云图(50 ACH)

图9 X=0.4截面浓度云图(50 ACH)

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，对比3种换气次数时隔离器内的温度云图、速度云图可得：颗粒随呼出气流到达顶部后在涡流区域产生聚集，随着换气次数的增加，其他区域颗粒浓度降低。

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。

2.3.1 方案一

送风温度为298 K，改变换气次数(20 ACH、35 ACH、50 ACH)。粒径范围为0～0.5 mm的颗粒中0～0.1 mm的颗粒占比如图10所示。

2.3.2 方案二

换气次数为35 ACH，改变送风温度(295 K、298 K、300 K)。粒径范围0～0.5 mm的颗粒中0～0.1 mm的颗粒占比如图11所示。

不同工况下，0～0.1mm粒径范围中不同粒径尺寸的颗粒占比如图12所示。

图10 不同换气次数时0～0.1 mm的颗粒占比

图11 不同送风温度时0～0.1 mm的颗粒占比

综合图10、图11可以看出，随着换气次数的增加，粒径范围0～0.5 mm的颗粒中0～0.1 mm的颗粒占比逐渐减小；随着温度的升高，粒径范围0～0.5 mm的颗粒中0～0.1 mm的颗粒占比逐渐减小。随着换气次数的增加和送风温度的升高，粒径分布呈增大趋势。

图12 0～0.1 mm粒径范围中不同粒径尺寸的颗粒占比

从图12可以看出，送风温度对不同粒径尺寸的颗粒占比的影响较小。换气次数对0～0.1 mm中0～0.01 mm颗粒占比影响较大，当换气次数从35 ACH减小到20 ACH时，0～0.01 mm的颗粒占比从3%提高到了17%。该粒径范围的颗粒能够进入到呼吸道深处，因此进行病毒空气传播实验时，可减小设备换气次数。

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。结果表明，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，不同粒径颗粒分布规律趋于一致。空气流速是影响颗粒分布的重要因素，空气流速较大的区域，颗粒浓度较低，颗粒具有良好的气流跟随性。

(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，其他区域的颗粒浓度降低。

(3)随着换气次数的增加和送风温度的增大，粒径分布呈现增大趋势。减小换气次数，能显著提高0～0.1 mm粒径范围中0～0.01 mm的颗粒占比，对病毒空气传播实验具有积极效果。