負壓隔離器內(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.武漢科技大學城市建設學院武漢43007OIF2.武漢科技大學城市學院武漢430083）摘要病毒活性及病毒氣溶膠粒徑是病毒空氣傳播實驗中的重要影響因素H病毒活性主要與環(huán)境溫濕度有關K為了研究負壓隔離器內(nèi)顆粒粒徑的影響因素。測量了實際運行工況下的兩種粒徑的顆粒濃度。并對不同換氣次數(shù)、送風溫度下顆粒濃度和粒徑分布進行數(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關鍵詞負壓隔離器數(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彳亍傳播1-3，41SARS、姑核分枝HK.漢坦俏毒等H當進行朽德空氣傳播女焚時實驗設莎場境中的溫度，濕度對褚&活忤的影響以及氣溶膠詢的以捋均是實火過件中的垂要彬咆因研究表明f不同粒徑幅粒物進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的顆段物可以到達腌泡4jAL_$HAMHMH等研究了潔凈手術室內(nèi)的氣流分布和顆粒運動在發(fā)現(xiàn)了ACH（每小時換氣次數(shù)）影響手術室內(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行了研究訴研究

7、發(fā)現(xiàn)小于5um的顆粒氣流跟隨性強&主要受氣流力和熱浮生力作用#李磊7研究發(fā)現(xiàn)通風房間內(nèi)的微生物氣溶膠具有較強的氣流跟隨性業(yè)李佳明8指出粒徑范圍為0.3"5.0nm的顆粒會進入呼吸道深處中對人和動物造成嚴重危害負壓隔離器是高等級生物實驗室中開展高致病性病毒感染動物的飼養(yǎng)、實驗等操作時必不可少的的實驗設備9W本文基于武漢大學ABSL-3級實驗室中的猴負壓隔離器建立三維模型#運用ANSYS軟件模擬負壓隔離器不同運行工況對內(nèi)部氣溶膠顆粒的濃度及粒徑分布的影響#得到負壓隔離器內(nèi)部氣溶膠顆粒粒徑的分布規(guī)律寸為進行病毒空氣傳播實驗時的設備運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壓隔離器實物圖如圖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該負壓隔離器模型分為內(nèi)外兩部分#外隔離器上有兩個送風口、一個回風口以及與之對應的送、回風道月內(nèi)隔離器上部無面板#內(nèi)部設置有用長方體表示的實驗對象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、回風板皆為孔板結(jié)構(gòu)I各部分尺寸如表1所示$圖1負壓隔離器實物inlct-2圖2模型結(jié)構(gòu)示意表1負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進口0.01m(L)X0.25m(W)2送風道0.1mX0.25mX1m2出口0.26m(

9、L)X0.01m(W)1回風道0.26mX0.0imXlm1實驗對象0.26mX0.1mX0.4m1顆粒入口0.05m(L)X0.03m(H)11.2研究方法1.2.1實驗測量在距離負壓隔離器底面0.25m的高度處選取3個測點Bl、B2、B3彳其中B2測點位于中間位置RB2測點兩側(cè)0.35m處分別為B1、B3測點小采用激光粒子計數(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)、送風溫度對負壓隔離器內(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、假設流動是不穩(wěn)定狀態(tài)的湍流。采用標準湍流模型N此外R為簡化CFD模擬墻壁上設置為無滑移條件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因此為確保在計算過程中考慮實驗對象散發(fā)的熱量的影響K激活能量方程來啟用傳熱分析N實驗對象溫度設定為310削隔離器內(nèi)壁的傳熱邊界條件均設定為絕熱#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)濃度府用于不同點濃度值的相對比較皿參考文獻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)格獨立性驗證如圖3所示F選擇標準卜£湍流模型用于流體分析K湍流強度為5%«收斂標準為IX2結(jié)果與分析2.1實驗測量由于負壓隔離器送風系統(tǒng)采用高效過濾器寸隨送風系統(tǒng)進入隔離器內(nèi)的粒子直徑較小，實驗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測測點深度0.25m0.35m0.5m0.6m點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K從表中可以看出B2測點0.25/0.35/0.5m深度處顆粒濃度較低這是由于負壓隔離器內(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0.6m深度處靠近隔離器回風板*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±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驗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壓隔離器內(nèi)顆粒粒徑分布情況村2.3.1方案一送風溫度為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入到呼吸道深處汁因此進行病毒空氣傳播實驗時在可減小設備換氣次數(shù)月3結(jié)論本文研究了不同換氣次數(shù)、送風溫度對負壓隔離器內(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)、送風溫度對于粒徑分布均有影響#主要結(jié)論如下：(1) 實驗結(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驗對象前方和后方下部區(qū)域增加換氣次數(shù)導致氣流旋渦區(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驗具有積極效果JI參考文獻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)空氣細菌污染狀況研究及質(zhì)譜圖庫的建立D.北京：中國疾病預防控制中心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B2016.6 李磊.通風房間內(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*2018.8 張宗興R祁建城府吳金輝K等.生物安全型禽負壓隔離器的研制J.中國比較醫(yī)學雜志(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研究(收稿日期:20200314)QrK廿幻小編號：CST-JIFR2020GYAF中國學術期刊影響因子年報（自然科學與工程技術2020版）-影響力指數(shù)（Cl）他5IJIFCltt贓唁力指5）學科捧序*刊改值學科彖大借學科長