【EDF开源CAE】使用Code_Saturne分析暖通系统过滤装置对气溶胶扩散的影响
code_saturne是法国电力集团（EDF）研发的一款通用计算流体力学开源软件。基于有限体积方法，支持多种类型网格，通过求解纳维-斯托克斯方程，用于处理二维、二维对称、三维、稳态或非稳态、层流或湍流、不可压或微可压流体、等温或非等温等多种计算问题。软件涵盖大气模拟、煤粉、重质燃料及生物质的燃烧、电弧与焦耳效应、颗粒追踪、流体机械转子-定子互动等多种工业应用物理模块，并在工业领域得到广泛的应用与认可。
1.研究背景
在室内环境下，人体释放的气溶胶是传染性疾病病原体传播的重要途径之一，而未设置气溶胶过滤或微生物消杀装置的暖通系统（HVAC）则会助长气溶胶在更大范围内扩散。这一问题在人员密集、人流量大的公共室内场所显得更加突出。因此需要在暖通系统中布置有效过滤气溶胶或微生物消杀装置。
各个场所迥异的空间结构以及不同的暖通系统布置方式使得计算流体力学（CFD）方法成为预测及验证过滤装置必要性及有效性的唯一可行手段。
几何建模
采用Code_Saturne软件的用户定义子程序插入无厚度面以模拟座椅椅背及底座对气流的阻碍作用。三个人体气溶胶释放源分别位于候机厅中心、东南角落和西南角落，如图2中的A，B，C所示。
本研究仅对人体咳嗽释放的气流跟随性好的直径小于30μm的气溶胶粒子进行CFD模拟计算，Stokes数描述颗粒松弛时间与流体特征时间之比。
在本案例中，粒子主要受到气流运动影响，自身惯性力可以忽略，所以本文所模拟气溶胶粒子的Stokes数可以忽略重力影响。在有暖通系统工作的大空间中，粒子的布朗扩散与湍流扩散相比也可以忽略。在本研究中忽略气溶胶颗粒间的碰撞聚合以及气溶胶在墙壁及地面上的附着以及再悬浮作用，因此可以采用被动标量组分输运模型对气溶胶的扩散进行模拟。
质量守恒方程:
动量守恒方程:
两个湍动量方程
代表气溶胶浓度的被动标量方程
3.边界条件和模型设置
第一步：计算候机厅内的稳定流场：即初始时刻候机厅内流场为静止场时无气溶胶分布。在暖通送风的驱动下，候机厅内逐渐建立起稳定流场。计算流动时间为两小时。
第二步：在稳定流场建立的基础上释放气溶胶，气溶胶释放时刻记为T0时刻，观察此后气溶胶扩散发展过程。
第一类：在暖通系统中布置气溶胶过滤装置。假设其过滤效率为100%，即通过回风口离开的气溶胶不再回到候机厅；
第二类：暖通系统内没有布置气溶胶过滤装置，通过编写用户子程序统计回风口处的气溶胶浓度随时间的变化。
进入回风口的带有气溶胶的循环风按照70%循环风 30%新风的比例延时15s后通过出风口回到候机厅，从而对比研究暖通系统中气溶胶过滤装置的有无对候机厅内气溶胶扩展过程及留存时间的影响。
按照气溶胶释放位置不同区分，每一类工况包括三个计算案例，分别为A点释放，B点释放，A、B、C点同时释放，三个释放位置如图2所示。
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为分析气溶胶的空间扩散过程，选取成人站立时口鼻所在高度（1.7m）处水平面作气溶胶浓度云图，如图3(a),(c)和(e)所示。
在暖通系统中布置过滤装置的情况下，气溶胶影响区域主要受释放点数量及释放点回风口距离影响，释放位置数量越多，释放点距离回风口越大，气溶胶扩散面积越大；气溶胶在候机厅内的留存时间主要受释放点到回风口的距离影响，距离越大，气溶胶留存时间越长；候机厅内存在未受气溶胶污染的区域，其面积及位置与气溶胶释放位置有关。
暖通系统中未布置气溶胶过滤装置三种模拟工况计算得到的1.7m高度处不同时刻气溶胶浓度分布如图3(b),(d)和(f)所示。
对比三个工况可以发现，暖通系统中无过滤装置情况下，无论气溶胶释放位置在哪里，循环风中收集到的气溶胶都会通过众多的暖通出风口弥散到整个候机厅。
统计回风口处气溶胶浓度高于10-5及10-6的持续时间如表1所示。
对比暖通系统中有过滤装置的相应计算工况，暖通系统中无过滤装置情况下回风口处气溶胶浓度高于某一水平的时间显著延长，最小延长倍数为2.83，说明气溶胶的循环流通大幅增加了其在候机厅内留存时间。
4.结论
