空调办公室内气溶胶和液滴传输的CFD-DPM模拟：传输区域划分与通风-重力主导转变临界直径的确定

《Buildings》：Multi-Scale Computational Fluid Dynamics Investigation of Ventilation-Controlled and Gravity-Controlled Respiratory Aerosol Transport in an Office Environment: Implications for Heating, Ventilation, and Air Conditioning Design and Airborne Infection Mitigation

　　本研究采用瞬态计算流体力学-离散相模型（CFD-DPM），对一间容纳一名感染者和三名易感者的空调办公室内的气溶胶和液滴传输进行了综合研究。呼吸气溶胶在办公环境中从通风主导传输向重力主导传输的转变机制此前研究尚不充分。模拟了持续300秒的释放过程，颗粒直径分别为1、5、10和50微米。连续流场采用基于压力的求解器、能量方程和剪切应力输运k-ω湍流模型进行求解，并分别以平均绝对误差0.59°C和1.26%相对湿度与实验温度和相对湿度数据进行验证。气流模型仅与温度和相对湿度数据进行了验证；离散相预测未直接与实验气溶胶数据进行验证。一项关键发现是识别出三种不同的传输区域：区域I（1–5微米），以通风主导行为为特征，气流耦合强烈，约50%通过出口排出，300秒时空气中悬浮比例为38–39%；区域II（10微米），代表混合过渡区，重力效应开始与气动力竞争；区域III（50微米），以重力沉降为主导，300秒时93%发生沉积，仅1.6%通过出口排出。基于10微米和50微米案例的插值以及量纲分析，通风主导与重力主导传输之间的临界转变直径估计约为20–30微米；该估计值需要通过中间粒径的进一步验证。量纲分析表明，斯托克斯数低于0.1的颗粒与气流保持强耦合，而超过1.0的颗粒则表现出受惯性和重力主导的弹道轨迹。出口2在所有粒径下始终是主要的排出路径，证实了由供风射流轨迹和再循环模式造成的不对称通风传输路径。人体2在气溶胶尺寸颗粒上获得最高的体表沉积比例（1微米为0.287%，5和10微米在300秒时为0.123%），将该位置确定为关键暴露区域。对于50微米液滴，易感者体表沉积可忽略不计（<0.0005%），因为重力沉降在远场传输发生前已将大部分质量沉积在地板（64.1%）和感染者身上（25.5%）。这些发现为设计通风系统建立了一个定量框架，以优化气溶胶尺寸颗粒的去除，同时认识到空气抽排对液滴控制的固有局限性。所提出的传输区域分类为暖通空调工程师提供了框架，包括回风口布置、换气次数以及针对大液滴的补充性源区控制建议。这些建议来源于单一办公室几何结构和通风配置，在推广之前应针对不同的房间布局、通风策略和运行条件进行验证。该方法和发现丰富了关于居住空间空气传播感染风险缓解的知识体系，对疫情后的建筑设计和运行具有直接适用性。