《Powder Technology》：Exploring subway cabin ventilation: A computational approach for optimizing infection control, air quality, and thermal comfort
编辑推荐：
通风系统优化|计算流体力学|多目标神经网络优化|空气质量控制|热舒适度分析
伊曼·穆萨维·霍尔希迪（Iman Mousavi Khorshidi）| 萨拉·莫拉迪·玛丽亚姆内加里（Sara Moradi Maryamnegari）| 穆罕默德·侯赛因·佐尔法加尔纳萨布（Mohammad Hossein Zolfagharnasab）| M. 索尔塔尼（M. Soltani）
伊朗德黑兰东部伊斯兰阿扎德大学（Islamic Azad University, East Tehran Branch）机械工程系
摘要
在地铁车厢等密闭空间中，有效的通风对于维持空气质量、热舒适度以及控制空气传播的感染至关重要。本研究采用计算流体动力学（CFD）和基于神经网络的多目标优化方法来改善地铁车厢的通风效果。通过对气流速度、温度、空气龄（Age of Air, AOA）、预测平均投票值（Predicted Mean Vote, PMV）以及不满意人群比例（Percentage of People Dissatisfied, PPD）等关键参数的分析，确定了最佳的通风配置。本研究的核心创新之处在于构建了一个端到端的框架，该框架将基于CFD的气流和热传递模拟与显式的空气颗粒追踪以及由设计实验（Design of Experiments, DOE）驱动的多目标优化相结合，从而同时提升新鲜空气循环、热舒适度（PMV/PPD），并减少颗粒物的扩散。实验结果表明，将进气速度提高到0.6米/秒相比0.4米/秒可使空气龄减少26%（从56.8秒降至42秒），显著提升了空气的新鲜度。采用双进气口的配置（尤其是在车厢地板中央和两侧）时，空气龄最低（29秒），表明通风效果良好。敏感性分析显示，进气速度的影响最大，占空气龄变化的80%和压力差异的60%。优化后的方案还使热舒适度与PMV值保持在约-0.37左右，并将PPD降低至15.6%。通过运用先进的优化技术，本研究为提高城市交通系统的通风效率、热舒适度和健康安全提供了可行的建议。这些发现证明了基于仿真的策略在公共交通改进中的有效性。
引言
考虑到人们对空气质量、热舒适度尤其是感染控制的日益关注，在密闭的公共场所（如地铁车厢）确保有效通风变得尤为重要[1]。每天服务数百万乘客的地铁系统尤其容易受到通风不良的影响，导致空气交换不足、乘客不适以及空气污染物传播[2]。随着城市人口的增加，设计出既能提升乘客舒适度又能最小化空气传播感染风险的优化通风系统的重要性也随之增加[3]。有效的通风策略在控制空气质量和提供热舒适度方面发挥着关键作用，因此成为研究的重点。
本研究的动机在于需要进一步改进现有的地铁通风系统，因为COVID-19的爆发凸显了空气传播感染的快速传播性[4]。数值模拟（如CFD）为探索和评估地铁车厢的通风策略提供了强大而高效的方法[5]。与传统的手动实验相比，模拟成本更低、速度更快，并能提供更详细的数据[6]。这些技术允许对关键参数（如气流速度、温度）以及更精细的指标（如空气龄、PMV和PPD）进行全面评估。
我们的目标是利用CFD模拟和设计实验（DOE）方法，从多个目标出发优化地铁车厢的通风效果：增加新鲜空气循环、提高热舒适度以及减少空气颗粒物的扩散。为此，我们进行了全面的参数研究，涵盖了直接参数（如速度和温度）以及补充指标（如空气龄、PPD和PMV），以更好地理解其背后的物理机制。
本研究的其余部分分为四个章节。第2节回顾了关于空气颗粒追踪、自然通风和机械通风系统的最新研究。第3节介绍了流体流动、热传递和颗粒追踪的数学基础以及进行模拟所需的设置。第4节描述了用于离散化问题的计算域和网格技术。第5节讨论了验证方案、网格独立性研究、参数评估、DOE优化以及相关研究结果。最后，第6节总结了研究结果。
相关研究
人们有超过85%的时间处于封闭环境中，例如教室、工作场所和公共交通工具中，这些地方的空气流通通常受到限制，容易导致空气污染物和病原体的积聚[8]。在这样的环境中，包括COVID-19在内的呼吸道疾病的传播尤为令人担忧。当人们咳嗽、打喷嚏或说话时，会向空气中释放含有病毒颗粒的飞沫和气溶胶[9]。
数学模型
我们的数学模型采用了欧拉-拉格朗日方法来模拟含颗粒的流动。在此框架中，连续相（气流）采用欧拉视角进行建模，而分散相（颗粒）则采用拉格朗日方法进行追踪。欧拉模型通过求解流体动力学控制方程来描述流体相，能够详细展示固定控制体积内的流场情况。另一方面，拉格朗日模型则……
计算域
本研究的计算域是在ANSYS Design Modeler中设计的，准确模拟了标准地铁车厢的内部结构。车厢的尺寸为长22.8米、宽3.2米、高2.5米，如图1a和b所示，分别展示了车厢的侧面和顶部视图。这些尺寸符合地铁车厢的行业标准，为研究空气分布和乘客空间提供了具有代表性的尺度。模型包括……
结果与讨论
在建立了实验框架的基础上，本节的内容包括：网格独立性研究、验证、实验策略、热流和DPM（Discrete Particulate Matter）分析，以及基于DOE的优化。
结论
通过结合CFD模拟、优化算法以及对数值结果的深入分析，本研究为提升地铁车厢的通风性能提供了全面的框架。通过改变进气口/出气口的位置和乘客密度，研究了不同的通风方案。结果表明，进气口的位置和速度显著影响了气流结构以及颗粒在车厢内的停留时间。
作者贡献声明
伊曼·穆萨维·霍尔希迪（Iman Mousavi Khorshidi）：方法论、调查、形式化分析。萨拉·莫拉迪·玛丽亚姆内加里（Sara Moradi Maryamnegari）：撰写初稿、可视化、验证、形式化分析。穆罕默德·侯赛因·佐尔法加尔纳萨布（Mohammad Hossein Zolfagharnasab）：撰写、审稿与编辑、形式化分析、概念构思。M. 索尔塔尼（M. Soltani）：验证、监督。
资金支持
本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
