CFD软件模拟某机场暖通系统过滤装置对气溶胶扩散的影响
一、认识code_saturne
二、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。
为分析暖通系统中气溶胶过滤装置的有无对室内气溶胶分布的影响，浙江远算科技有限公司采用SALOME软件对国内某机场候机厅内部空间进行建模，采用法国电力集团开发的开源CFD软件code_saturne模拟了暖通系统中有无气溶胶过滤装置两种条件下，候机厅内人员在不同位置、单点位与多点位释放的气溶胶随空气传播扩散的过程，获得了候机厅内气溶胶分布随时间的变化，分析得到回风口处气溶胶相对浓度变化与气溶胶释放位置及数量的相关规律。
三、研究方法
1、几何建模
如图1所示，本文所模拟的空间为某机场候机厅的一部分，尺寸为44×60×5m，东西侧为墙壁，南北侧人员通道，空气可以自由流动。主要结构包括位于候机厅天花板上的56个暖通出风口（图1-a中的白**域）、一个回风口（图1-a中的红**域）、以及12根大厅支撑柱位于东西两侧的房间。4×8排座椅、座椅扶手及支撑腿对气流流动较小，因此可以简化。
(a) 俯视图
图1 机场候机厅结构示意图
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。
图2 气溶胶释放位置及监测点位置示意图
本文采用SALOME开源软件中的GEOM模块生成候机厅内部空间结构，采用SMESH模块生成结构化网格，体网格总量为207万。
2、数学模型
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。
本研究采用湍流模型，采用code_saturne自带的被动标量计算功能计算气溶胶浓度分布，求解方程包括：
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
四、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。
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图3 不同条件下不同位置释放气溶胶扩散过程
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。
五、结论
气溶胶扩散面积主要受释放位置到回风口的距离影响，距离越远，影响面积越大。 与暖通系统中有气溶胶过滤装置工况相比，气溶胶在无过滤装置情况下会循环进入候机厅，并被众多出风口均匀分布到候机厅的整个空间，在候机厅内的留存时间也显著延长，表明在暖通系统中设置气溶胶过滤装置能够避免气溶胶通过暖通系统在更大范围传播扩散，有效降低二次污染。
