论文总字数：29937字

摘 要

建筑内环境是与人类关系最为密切的场所，近年来室内空气质量不容乐观，室内污染物严重影响了人的身体健康。飞沫和空气传播是呼吸道传染病的重要传播途径，但普通的室内通风系统难以对病源局部进行有针对性的控制，如果能采用工程方法切断病源呼出的带有病原体的气流和飞沫的传播途径，则可显著降低呼吸道传染病的感染风险。因此有必要设计一种简单易行的方法去阻隔病源呼出污染物的外泄，防止污染物被人体吸入。本文基于风屏设想，利用实验测量和CFD模拟的方法去设计和验证风屏的隔断效果。

首先，在环境舱中进行风屏实验，在风柱包围的空间中央放置一个污染源，选点测量风速和颗粒物粒径分布，比较风屏内外的污染物浓度差别。利用CFD方法进行与之对应的数值模拟，并与实验数据进行对比，验证模拟计算的准确性。其次，在房间中加入人体模型，使用CO₂作为示踪气体，使用离散相（DPM）方法，模拟风屏对人呼出气流和飞沫的阻隔效果。分别用三、四、五根风柱组成三角形、四边形和五边形风屏系统，比较不同形状风屏系统中房间风速、CO₂浓度分布和呼出飞沫分布的差异性。最后，模拟房间中两人面对面、中间隔一道风屏时，一人呼出气流和飞沫对另一人的影响。结果显示风屏可以有效地阻隔病源呼出气流和飞沫的传播，为后续风屏的设计提供了参考。

关键词：呼吸道传染病，风屏，数值模拟，离散相(DPM)，室内污染物

Abstract

The building environment is the most important place for human beings. In recent years, the indoor air quality is not optimistic. Indoor pollutants have seriously affected people's physical health. Droplets and air are important transmission vehicles and routes for respiratory infectious diseases. However, general ventilation strategies cannot offer individualized air supply and control the local concentration near the pollutant source. If a method which directly cuts off pollutions transmission routes can be achieved, infection risks of respiratory infectious diseases can be significantly reduced. Therefore, it is necessary to design a simple and easy way to block the leakage of local pollutants and prevent them from being inhaled by other susceptible people. Based on the concept of wind barrier, this paper uses experimental measurement andCFD simulation method to verify the effectiveness of the wind barrier.

First, wind barrier experiments were conducted in a room, where the source of pollution is placed in the space surrounded by wind pillars, and the wind speed and particle size distribution were measured at selected points. The difference between the inside and outside of wind barriers are compared. The corresponding numerical simulation is performed and compared with the experimental data to verify the accuracy of the simulation calculation. Next, the human model is added to the room and CO₂ is used as tracer gas. Discrete phase method (DPM) is used to simulate the effect of wind barriers on human exhalation airflow and droplets. Three, four, and five wind pillars are used to form triangle, quadrilateral, and pentagonal wind barrier systems, respectively. The differences of wind speed, CO₂ distribution and droplets are compared in different wind barrier systems. Finally, the effect of exhalation airstream and droplets on another person are simulated in a room where two people face each other and a wind barrier is located in the middle. The results show that the wind barrier can effectively prevent the spread of human exhalation air and droplets, which can provide a reference for the subsequent design and improvement of wind barriers.

KEYWORDS: respiratory infection, wind barrier, numerical simulation, discrete phase model (DPM), indoor pollutants

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 污染源特性 2

1.2.2 呼吸道疾病传播途径 2

1.2.3 使用物理分区阻碍污染物扩散方式的研究 3

1.3 研究内容 3

第二章 风屏对室内污染物扩散的阻隔作用 4

2.1 风屏实验简述 4

2.1.1 风屏实验台 4

2.1.2 实验结果分析 5

2.2 数值模拟 6

2.2.1 模型概述与边界条件设定 6

2.2.2 模拟结果分析 8

2.2.3 模拟数据与实验数据对比 8

2.3 本章小结 9

第三章 人员呼出气流及飞沫在风屏内的散布特性 10

3.1 模拟条件设置 10

3.1.1 几何模型建立 10

3.1.2 网格划分及边界条件设定 11

3.1.3 网格无关性验证 13

3.2 三角形风屏内人员呼出气流和飞沫分布情况 14

3.3 四边形风屏内人员呼出气流和飞沫分布情况 16

3.4 五边形风屏内人员呼出气流和飞沫分布情况 19

3.5 计算结果分析 21

3.5.1 CO₂质量分数在空间上的变化 21

3.5.2 风速在空间上的变化 22

3.6 本章小结 24

第四章 风屏对易感者周围气流分布的影响 25

4.1 模拟条件设置 25

4.1.1 几何模型建立 25

4.1.2 网格划分及边界条件设定 26

4.2 数值模拟及结果分析 27

4.3 离散相(DPM)飞沫模拟及结果分析 28

4.4 本章小结 29

第五章 结论与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

致谢 33

参考文献 34

绪论

研究背景

随着经济的发展和科技的进步，人类足不出户便可完成许多工作，有关研究表明人一生有超过87%的时间在室内度过^[1]，因此室内空气质量的重要性不言而喻。由于人类对于室内环境舒适和美观的要求，大量化工材料被应用于室内装修，建材和生活用品的不达标使用都导致了VOC和SVOC等污染气体在室内的广泛扩散，给人类健康造成了严重威胁^[2]。另外，室内空气中存在的生物气溶胶（如活的或死的真菌、细菌、病毒等）也是影响人体健康的重要因素^[3]。有关室内空气污染与人体健康的研究源于人类各种过敏反应和呼吸系统传染病，随着人类对建筑内环境认识的不断提高，室内环境问题也越来越受到社会各界的关注。据统计，每年美国有九万例因为医院交叉感染而死亡的病例，几乎是高速公路事故死亡人数的3倍^[4]。有关统计显示，每年死于呼吸道疾病的人数达四百万，占到了全世界每年死亡人数的7%^[5]。

一般认为，流行性感冒的流感病毒存在于病人的呼吸道中，会在病人呼气、咳嗽或者打喷嚏时以飞沫和飞沫核的形式在空气中传播，并从易感者的鼻腔、咽喉等处侵入而引发呼吸道疾病^[6]。Riley等人^[7]首先发现了飞沫具有传播疾病的能力。如今公认的呼吸道疾病的传播途径有三种：接触传播(感染性分泌物通过直接或间接接触传播)、飞沫传播(大于5 μm的含呼吸流体的颗粒通过空气传播，并通过重力沉积在人体呼吸系统的粘膜上)和空气传播(小于5 μm的干燥颗粒（即飞沫核）保持悬浮在空气中并且扩散很长距离，最终被人体吸入并沉积在呼吸道中)^[8]。其中飞沫传播和空气传播是室内污染物的主要传播途径，同样也是不容易控制的途径。流感和麻疹主要就是通过飞沫来传播病毒的，患者会通过咳嗽传染整个屋里的人^[9]。人呼出气体后周围的流场情况决定了污染物可以到达的区域，因此通过对室内环境中气流分布和人体呼出飞沫的模拟，可以预估污染产生后室内人员的暴露情况。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：29937字