基于大涡模拟与拉格朗日追踪的紫外线空气净化器灭活病毒机理研究及其在COVID-19防控中的应用

为解决封闭环境中病毒气溶胶传播问题，VALEO团队通过大涡模拟(LES)结合拉格朗日粒子追踪技术，开发了紫外线空气净化器(UVP)的高保真计算模型。研究对比了双向耦合与冻结流耦合方法，证实UV-C辐射(254nm)对含SARS-CoV-2气溶胶的灭活率可达99%，为室内空气净化提供了量化设计依据。

　　

在COVID-19大流行背景下，室内空气传播成为病毒扩散的主要途径。传统防控措施如社交距离、口罩佩戴虽有效但存在局限性，特别是密闭空间中的气溶胶传播风险亟待解决。紫外线(UV)空气净化技术因其高效灭活病原体的特性备受关注，但缺乏对复杂湍流场中病毒颗粒运动轨迹与UV辐射剂量关系的精准预测方法。

法国国家科学研究中心(CERFACS)的研究团队创新性地将大涡模拟(LES)与拉格朗日粒子追踪相结合，对VALEO公司设计的紫外线空气净化器(UVP)进行多物理场耦合仿真。研究发表在《Journal of Aerosol Science》上，首次实现了对湍流场中病毒气溶胶UV灭活过程的动态量化评估。

研究采用三大核心技术：1)基于Wall-Adapting Local Eddy-viscosity(WALE)模型的LES湍流解析；2)改进的Langevin随机模型模拟粒子扩散；3)热辐射视角因子算法计算UV-C(254nm)辐射场。通过对比双向耦合与冻结流耦合方法，发现病毒颗粒对气流影响可忽略(偏差<10%)，从而建立了计算效率提升7500倍的简化模型。

【流动特性分析】
通过13M-49M网格的收敛性验证，揭示UVP内部存在3类特征区域：风扇入口形成的螺旋流(轴向速度3m/s)、光阱附近的回流区(温度梯度15K)，以及电极盘侧的高速通道。粒子图像测速(PIV)显示78%湍流动能集中在灯管周围，为UV辐射创造了理想混合条件。

【颗粒动力学】
模拟50μm飞沫的蒸发过程发现，75%颗粒在0.4s内蒸发为含病毒核(直径缩减至16.7μm)。双向耦合验证显示，冻结流模型对颗粒驻留时间预测误差仅7.8%，且斯托克斯数(St<0.3)证实颗粒可完美跟随气流。

【病毒灭活效率】
采用Chick-Watson灭活模型，输入3组敏感性常数(k=0.258/0.377/0.496 m²/J)。当UV功率达13J/m²时，对SARS-CoV-2的灭活率达99%。特别发现4.67J/m²的阈值功率可实现96%灭活率，为能效优化提供关键参数。

这项研究的意义在于：1)建立了首个耦合湍流-辐射-生物灭活的多尺度UVP仿真框架；2)证实商用UVP对气溶胶病毒具有临床级灭活能力(>99%)；3)提出的冻结流模型将计算成本从18万CPU小时降至650小时，为产品迭代提供高效工具。研究团队特别指出，该方法可扩展至地铁车厢、教室等复杂空间的三维模拟，为后疫情时代的建筑环境设计提供新范式。