医疗建筑的特点是污染源强度高、占用时间长、人口密度大以及居民免疫力低，这些因素都增加了交叉感染的风险[[1], [2], [3]]。低温环境下病毒存活率的增加[4,5]以及住院患者免疫力的下降[6]加剧了冬季呼吸道疾病的传播风险。因此，应更加关注冬季医院病房内的交叉感染问题。气溶胶传播已被证实是几种呼吸道疾病的交叉感染途径[7]。因此，开发高效的空气分布方式以降低患者之间的气溶胶感染风险至关重要[8,9]。
对于医院病房而言，占用区域内的气流速率与患者的康复效率和交叉感染风险的缓解直接相关[10]。在冬季，由于供气温度与室内冷空气的温差，暖空气会产生向上的热浮力，导致暖空气在占用区域上方积聚，减少了与下方冷空气的热交换。因此，对于冬季病房应用的空气分布方式来说，能否有效克服向上的热浮力并将足够的清洁空气输送到占用区域是关键。混合通风（MV）和置换通风（DV）是两种常见的空气分布方法。MV通过通常位于天花板上的入口输送空气，旨在为整个房间创造均匀的环境[11]。然而，在实际应用中很难实现供气和室内空气的完美混合。当供气流量不足时，受正向热浮力的影响，房间内会出现明显的热分层，降低了居住者的热舒适度和吸入空气质量[12,13]。DV则通过低动量的供气来提供满足环境质量的需求[14]，它在较低高度提供清洁空气，并利用浮力在天花板出口处去除污染物。然而，DV的一个局限性是，在加热模式下，低动量的气流减少了到达占用区域的清洁空气量[17,18]。研究表明，正向热浮力和由冷空气引起的下沉气流是降低DV病房通风效果的重要因素[14]。
一些先进的空气分布方法被提出并用于进一步改善冬季医院病房的室内空气质量。一种提高空气输送效果的有效方法是减少入口与占用区域之间的距离，例如分层通风（SV）[19]和冲击射流通风（IJV）[20,21]。SV通过略高于头部水平的终端直接将清洁空气输送到呼吸区域，这种配置增强了射流对呼出颗粒的控制效果[22,23]。通过使用向下倾斜的供气格栅角度，SV的暖空气射流克服了向上的热浮力，有效到达了占用区域。在IJV中，调节后的空气从安装在墙上的喷嘴向下输送。与MV相比，向下射流克服了热浮力的干扰，并在加热模式下提高了占用区域内的空气流速，从而降低了感染概率[24]。案例研究表明，与DV相比，IJV由于供气动量的增加，实现了更高的通风效率和更广的清洁空气覆盖范围[25]。IJV的射流扩散距离受供气入口高度、供气速度、喷嘴面积以及供气与室内空气温差的影响[26]。定向气流模式是降低医院病房交叉感染风险的主要策略[27]，在这方面IJV表现出了良好的性能。通过改变供气参数，IJV中的空气射流的主要驱动力可以在热浮力和惯性力之间转换。仿真结果表明，在适当的参数下，IJV的供气流遵循患者热羽流的方向，提高了颗粒去除效率[28,29]。在先前的研究中，这种空气分布方式展示了其有效的通风性能，并已应用于不同的建筑[2,17,30,31]。然而，需要注意的是，IJV的单一入口服务于多个区域，这使得独立控制每个区域的热条件或空气质量变得具有挑战性。
为了达到所需的空气质量流量并提高流体输送效率，通常会采用双喷射或多喷射配置[32,33]。一个垂直于地面向下湍流的自由射流会在所有方向上产生轴对称的壁射流。当射流的动量足够时，它们会相互碰撞并向上重新定向，形成合成喷泉射流[34,35]。在具有两个或更多喷嘴的喷气-升力短距起降飞机上，可以检测到喷泉流动，有助于提升或降低飞机机身[32,36]。受此原理的启发，本研究提出了一种创新的空气分布方法——合成喷泉射流通风（SFV）。如图1所示，两个喷嘴产生的向下射流撞击地面并形成壁射流。两个喷嘴之间的区域内的射流相互作用产生了向上的合成喷泉射流，随后通过天花板出口排出。SFV使用与IJV相同的供气入口位置。入口与占用区域之间距离的减小使得暖空气射流能够在加热模式下克服向上的热浮力效应，从而增加目标区域的清洁气流速率。此外，由于两个方向相反的射流碰撞，在SFV下形成了类似空气帘的喷泉流动。这种向上移动的喷泉与热浮力和羽流的方向一致，有潜力在冬季将保护区域与污染源区域分开。
本研究提出了一种利用向上合成喷泉射流的创新空气分布方法，以降低位于污染源区域外的患者暴露风险。采用欧拉-拉格朗日方法，并通过实验数据进行了验证，研究了在SFV下四张床位模型病房内的气流模式和呼出颗粒的扩散情况。对SFV与两种MV配置下的呼出颗粒扩散情况进行了比较分析，并从统计学角度评估了供气参数对颗粒分区效应的显著性和相关性。本研究得出的结果有助于优化病房内的分区环境质量，并降低冬季患者之间的交叉感染风险。
