办公环境中HVAC气流调控策略对降低气溶胶短程传播的CFD评估：基于离散相模型(DPM)的优化设计

本研究针对室内呼吸道病原体空气传播这一全球健康挑战，通过计算流体力学(CFD)结合欧拉-拉格朗日方法和离散相模型(DPM)，系统评估了不同通风配置对咳嗽产生气溶胶早期扩散的影响。研究发现传统平行排风布局虽能减少颗粒总质量，但无法有效控制传染性飞沫核的横向扩散；而将排风口置于咳嗽源上方可使颗粒横向扩散减少40%，同时证实WHO建议的2米距离能在早期扩散阶段降低82-89%的颗粒数浓度。该研究为办公环境HVAC系统优化设计提供了重要工程学依据。

　　

在COVID-19大流行的阴影下，室内空气传播成为全球公共卫生的焦点难题。当人们咳嗽时喷出的飞沫就像微型"生化武器"，其中小于5μm的飞沫核能在空气中悬浮数小时，而传统通风系统往往对这些"隐形威胁"束手无策。更令人担忧的是，办公环境中的机械通风系统可能成为"双刃剑"——虽然能稀释空气污染物，但不当的气流组织反而会助长飞沫的扩散。这种矛盾在开放式办公场所尤为突出，员工们朝夕相处，使得呼吸道病原体的"空中走廊"悄然形成。

针对这一紧迫问题，阿拉伯科学技术与海运学院的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新研究。他们采用计算流体力学(CFD)这一"数字风洞"技术，结合欧拉-拉格朗日框架和离散相模型(DPM)，对办公环境中咳嗽产生的气溶胶扩散进行了精细模拟。研究特别关注了HVAC系统中送风口和排风口的不同布局方案，通过追踪数以万计飞沫的实时运动轨迹，揭示了气流组织与飞沫传播的微妙关系。

研究团队主要运用了三大关键技术：首先建立精确的3D办公室几何模型，采用490万网格单元保证计算精度；其次应用标准k-ε湍流模型模拟室内气流，结合增强壁面处理捕捉边界层效应；最关键的是采用离散相模型(DPM)追踪飞沫运动，整合Rosin-Rammler分布描述飞沫尺寸谱，并耦合蒸发动力学模型。所有模拟均通过网格独立性验证和实验数据校验，确保结果可靠。

【最大传播距离】结果显示，传统中央平行排风布局(案例1)中，飞沫最大传播距离比排风口位于咳嗽源上方的方案(案例2)平均多10%。在3秒时的飞沫轨迹可视化中清晰可见，案例1的飞沫被气流裹挟向房间中部扩散，而案例2的飞沫则被"定向捕获"向上排出。

【飞沫残留质量】两种布局都展现出良好的颗粒清除能力，10秒内案例1残留21%飞沫质量，案例1仅剩10%。但深入分析发现，案例1的清除优势主要体现在5秒后的稳定阶段，而案例2在抑制早期扩散方面更胜一筹。

【飞沫粒径变化】通过Sauter平均直径(D₃₂)分析发现，两种布局在前5秒的粒径演变差异不足3%，但后期差异逐渐扩大，至10秒时案例1的D₃₂比案例2小8.9%，反映平行排风对细小飞沫核的清除优势。

【空间浓度分布】最具公共卫生意义的发现是：在2米距离处，案例2的飞沫数浓度比案例1降低40%，且2米距离本身就能减少82-89%的暴露风险。