已有证据表明,新型冠状病毒肺炎(以下简称新冠肺炎)的主要传播途径为近距离飞沫传播和接触传播。切断传播途径主要依靠隔离、洗手、佩戴口罩和通风。2020年2月5日起,武汉地区开始将会展中心、体育馆等大空间场馆改建为隔离轻症患者的“方舱医院”,并从2月9日起逐步投入运行。每间医院内可容纳1 000多名病人,医护人员按照二级防护要求佩戴口罩、隔离衣、手套、护目镜等个体防护设备 ^[1]。这些措施能够有效防止新冠肺炎疫情的持续扩散。

　　 新冠肺炎轻症患者中相当一部分可以在隔离期内自愈 ^[2]。但是,方舱医院的上千名轻症病人与医护人员同处一室,彼此近距离暴露频繁,存在院内感染的风险,也可能影响患者的康复。飞沫由病人呼吸、说话、咳嗽等方式释放到室内空气中,如直接被近距离内的易感者吸入或沉降于易感者眼、唇等黏膜上造成感染,即构成飞沫传染途径感染。如飞沫在这个过程中蒸发失去水分形成飞沫核,他人可吸入至呼吸道更深处,如造成感染,即为近距离空气传染途径感染 ^[3]。病人呼出的飞沫的其他部分进入室内环境,大飞沫沉降于表面,小飞沫蒸发为飞沫核,如携带的病毒仍具有活性,可分别构成接触传染途径和长距离空气传染途径感染。

　　 需要特别指出的是,虽然建筑通风通常只被看作切断长距离空气传染途径的有效手段,但建筑通风通过营造室内热湿环境,仍然可以影响近距离内飞沫和飞沫核的人际传播,例如室内温湿度可以影响飞沫蒸发速度、飞沫核的形成与散布 ^[4,5]。同时,已有研究发现,热分层可以一定程度上偏转呼出气流轨迹 ^[6,7,8],抑制体表热羽流 ^[9]。Bj⌀rn等人 ^[10]和Zhou等人 ^[11]发现,当呼吸区域竖直温度梯度足够大时,人体呼出气态污染物在呼吸高度区域存在明显的“自锁现象”。Qian等人发现,在存在热分层的医院病房中,人体呼吸活动产生的飞沫沿着呼气方向可以穿过较长距离并在呼吸高度区域发生停滞,从而大大增加人际间疾病传播的风险 ^[12]。Gao等人以房间不同高度飞沫平均浓度表征飞沫的分布情况,模拟计算了不同温度梯度下人体呼出飞沫的扩散分布情况 ^[13]。

　　 方舱医院环境是典型的大场馆空间,通风标准与传染病医院标准要求差距较大,无法直接利用原有通风系统,需要快速有效的改造方法和技术,降低近距离内飞沫传染。同时,亦须考虑病毒变异后能够长距离空气传染,安装适当的消毒灭活设备处理排气。此外,大型场馆建筑中多带有落地窗甚至玻璃幕墙。武汉地处夏热冬冷地区,2月室外最低温度不到0 ℃,冷表面的下降气流流向地面后可形成平面流动(plane flow),配合门窗渗风可在活动空间内形成较大的低温区域,在高大空间中形成类似置换通风的竖直温度梯度。

　　 已有文献多集中在对不同热分层条件下呼出飞沫的扩散及分布进行研究,未聚焦于易感者的吸入暴露剂量,只能定性评估感染风险。在方舱医院中,当2人或多人距离较近时,他们的呼吸气流和热羽流交叠形成了相对独立于室内宏观环境的气流微环境。本研究旨在量化冬季工况下热分层对气流微环境内人际间飞沫的吸入暴露剂量,为改进方舱医院通风效果提供策略,降低近距离飞沫传染。

　　 研究运用ANSYS FLUENT 15.0软件模拟不同热分层条件的气-固两相流场。考虑节约计算时间成本,采用稳态气流流场和颗粒物相互耦合的方法,通过拉格朗日法进行颗粒物非稳态追踪,预测颗粒运动轨迹,得到易感者口部吸入飞沫核的数量。

　　 控制方程的通用形式可以表述为

　　 $\frac{\partial (\rho \Phi )}{\partial \tau }+\text{d}\text{i}\text{v}(\rho \mathit{u}\Phi )=\text{d}\text{i}\text{v}(\Gamma \mathbf{g}\mathbf{r}\mathbf{a}\mathbf{d}\Phi )+S(1)$

　　 式中 ρ为流体密度,kg/m³;Φ为通用变量,可以代表速度分量u,v,w和热力学温度T等求解变量;τ为时间,s;div表示散度;u为速度矢量;Г为广义扩散系数;grad表示梯度;S为广义源相。

　　 室内空气主要由于温度变化引起密度变化,使用Boussinesq假设来处理由于竖直温度梯度引起的浮升力。采用Realizable K-ε湍流模型对室内流场进行数值模拟 ^[14]。除压力项采用标准离散格式外,其他项均采用了二阶迎风格式进行离散,并采用SIMPLE算法对离散方程组进行求解。

　　 病人呼吸活动产生飞沫的主要粒径范围为0.5～15 μm,飞沫核主要粒径范围为0.1～5 μm ^[4,15]。本研究重点关注近距离传播,同时考虑方舱医院内人员主要佩戴手术口罩,选择呼吸过程产生的5 μm飞沫和飞沫核为典型研究对象,忽略飞沫的蒸发过程。未来研究可以进一步考虑飞沫初始粒径分布、包含飞沫蒸发和飞沫核形成机制等。

　　 基于拉格朗日法的离散相模型(discrete phase model,DPM)来追踪颗粒物运动轨迹。采用随机轨道模型(discrete random walk,DRW)来处理湍流脉动对颗粒运动的作用,每组模拟工况重复3次,以提高数值计算结果的准确性。对传染源口部颗粒物稀疏相进行判定,证实离散相体积分数小于10%,符合DPM基本要求。由牛顿第二定律可得到单个颗粒的运动方程为

　　 $\frac{\text{d}\mathit{u}{}_{\text{p}}}{\text{d}\tau }=F{}_{\text{D}}(\mathit{u}-\mathit{u}{}_{\text{p}})+\frac{\mathit{g}{}_i(\rho {}_{\text{p}}-\rho )}{\rho {}_{\text{p}}}+\mathit{F}{}_i(2)$

　　 式中 u_p为颗粒速度;F_D为曳力系数;g_i为自由落体加速度;ρ_p为颗粒密度;F_i为其他作用力,包括视质量力、热泳力、布朗力及Saffman力等各个作用力。

　　 在室内颗粒物运动受力中,压力梯度力、虚拟质量力、Basset力比曳力小2个量级,在研究中可忽略不计 ^[16,17]。因此考虑布朗力(F_b)、热泳力(F_th)、Saffman力(F_s)的作用,从而简化颗粒运动方程:

　　 $\frac{\text{d}\mathit{u}{}_{\text{p}}}{\text{d}\tau }=F{}_{\text{D}}(\mathit{u}-\mathit{u}{}_{\text{p}})+\frac{\mathit{g}{}_i(\rho {}_{\text{p}}-\rho )}{\rho {}_{\text{p}}}+\mathit{F}{}_{\text{b}}+\mathit{F}{}_{\text{t}\text{h}}+\mathit{F}{}_{\text{s}}(3)$

　　 方舱医院室内空间布置方式有开敞式和半封闭式,本研究以半封闭式布置为例,选取一个尺寸为5.0 m×3.5 m×2.5 m(长L×宽W×高H)的典型空间,再现方舱医院内典型人员活动区域内可能的热分层现象,就可能的竖直温度梯度范围进行研究讨论。

　　 房间采用典型的置换通风系统,送风口尺寸为0.48 m×0.48 m,排风口尺寸为0.48 m×0.48 m,观测窗尺寸为1 m×1 m,加热板尺寸为0.40 m×0.30 m×0.02 m,通过改变加热板功率来改变竖直温度梯度。选取房间中心截面作为物理观测面,模型如图1所示。2个激光扫描的三维真实人体模型用于建模,每个人体模型高1.7 m,人体表面积为1.51 m²。需要明确的是,研究中所采用的空间几何尺寸、置换通风系统和加热板并非完全模拟方舱医院的实际情况,而是在较小的模拟空间中再现人体附近的竖直温度分层,结果只针对竖直温度梯度的差异带来的影响,不能泛化到方舱医院内部气流组织方式的选择。

　　 为了描述热分层下房间流场特性,引入房间阿基米德数Ar_r。同时考虑描述人体呼出射流浮力与流体惯性的相对作用,引入射流阿基米德数Ar_e。阿基米德数越大,说明流场受浮力主导越明显,反之则受流体惯性影响越大。阿基米德数为0时,房间流场即为惯性主导的混合状态。

　　 $\begin{array}{l}Ar{}_{\text{r}}=\frac{\beta gl({\rm T}{}_{\text{n}}-{\rm T}{}_0)}{u{}_{\text{r}}^2}(4)\\ Ar{}_{\text{e}}=\frac{\beta gd({\rm T}{}_{\text{e}}-{\rm T}{}_{\text{a}})}{u{}_{\text{e}}^2}(5)\end{array}$

　　 式(4),(5)中 β为空气体积膨胀系数,K^-1;g为自由落体加速度,m/s²;l为房间水力直径,l=2LW/(L+W),m;T_n,T₀,T_e,T_a分别为排风温度、送风温度、呼气气流温度、环境空气温度,K;u_r为房间当量流速,m/s,u_r=q/(LW),其中q为房间通风量,m³/s;d为人体口部特征尺寸,m;u_e为人体呼气出口峰值速度,m/s。

　　 具体模拟工况及基本参数见表1,表中所有工况置换通风热分层高度均大于1.8 m。

　　 由于验证实验中假人只能持续呼气或持续吸气,因此设置人体模型A持续呼气,人体模型B持续吸气,以呼吸过程的平均速度作为呼吸气流的边界条件。选取人体正常呼吸通气量为8.36 L/min ^[18],不考虑佩戴口罩的情况下,对应模型人体呼吸过程平均速度为2.14 m/s。人体模型A口部作为飞沫释放口,飞沫粒径为5 μm,密度设为氯化钠NaCl颗粒空气动力学粒径对应的密度1 000 kg/m³。数值模拟中共计追踪4 000个飞沫。对于离散相边界条件,送风口、排风口、人体模型A口部、人体模型B口部采用escape边界,其他壁面采用trap边界。边界条件参数见表2。

　　 本研究采用增强壁面函数对近壁区域进行求解。在人体表面设置10层边界层网格以保证较好的边界层流动模拟精度,并对2人之间的呼吸流动覆盖区域进行局部加密,见图2,3。

　　 分别选取数量为159.5万、201.8万、252.0万、295.4万的网格进行无关性验证。选取参考线x=2.5 m,y=0.8 m上的50个点作为观测点,将不同网格数下观测点的温度及速度分布进行对比,如图4,5所示。从图中可以看出:网格数量为159.5万、201.8万时,数值模拟结果偏差较大;而网格数量为252.0万、295.4万时,数值模拟结果相差不大,温度误差为0.02%,速度误差为14.08%。因此,选择数量为252.0万的网格进行数值模拟,人体表面及各壁面边界层第一层网格高度为0.001 5 m,第一层网格节点到壁面的量纲一距离y⁺<5。

　　 为排除环境背景颗粒物影响,验证实验选择在西部绿色建筑国家重点实验室的百级洁净室内进行。实验流程如图6所示。由振动孔单分散气溶胶颗粒物发生器(TSI VOAG 3450)产生氯化钠(NaCl)单分散颗粒物,通过暖体假人A口部持续释放,由空气动力学粒径谱仪(TSI APS 3321)对暖体假人A呼出颗粒物的数量浓度及暖体假人B吸入颗粒物的数量浓度进行测量。奥尔堡大学自制的人造肺用于为人体提供持续稳定的呼吸气流,暖体假人A持续呼气,暖体假人B持续吸气。实验参数设置见表3。

　　 通过人体吸入暴露比将实验与数值模拟结果进行比较,吸入暴露比定义为暖体假人B口部吸入飞沫核总数量与暖体假人A口部释放飞沫核总数量之比。

　　 实验与数值模拟结果对比如图7所示,人体吸入暴露比随时间逐渐增大,然后趋向稳定。数值模拟与实验结果基本吻合且变化趋势相同,因此认为数值模拟方法准确可靠,适用于人际间飞沫传播的研究分析。

　　 2人相距0.5 m时,经处理后的新鲜冷空气由房间下部送入室内,随室内热源产生的对流气流向房间上部区域流动形成房间主导气流,并产生竖直方向的温度梯度。当加热板功率为200 W时,房间平均温度梯度为1.08 K/m;而当加热板功率为400 W时,房间平均温度梯度可达到1.50 K/m,此时房间热环境仍符合舒适要求。观察2个温度梯度下人体呼出射流轨迹(见图8),发现温度梯度的增大抑制了人体呼出射流向上偏转,使人体呼出射流的偏转角变小。同时温度梯度的增大抑制了人体羽流的向上发展,明显改变了人体羽流形状。2人距离为0.5 m时,人体模型A呼出的射流可以更加直接地穿透人体模型B的热羽流,到达人体模型B的呼吸区域。

　　 人体模型口部高度为1.52 m,截取房间高度1.4～1.6 m区域作为人体呼吸高度区域,统计不同温度梯度下该区域飞沫核分布情况,结果如图9,10所示。飞沫核在人体羽流驱动下被带到房间上部区域,人体呼吸高度区域飞沫核浓度逐渐减小。同一时刻人体呼吸高度区域飞沫核数量浓度随着Ar_r的增大而增大。这主要是由于人体呼吸区域温度梯度的增大抑制了携带飞沫核射流的向上运动。同时飞沫核在运动过程中所受浮升力减小,导致更多的飞沫核停留在这一高度区域。这可以由飞沫的分布云图直观看出,如图10所示。

　　 由于研究使用单分散颗粒物表征呼出飞沫,易感者吸入暴露剂量即为其吸入颗粒数量。传染源口部呼出相同数量的飞沫,2人距离为0.5 m时,在3种温度梯度下200 s内易感者口部吸入飞沫核的总数量分别为(36±1),(114±2),(193±5)个;温度梯度由1.50 K/m减小到1.08 K/m,易感者吸入飞沫核的数量降低81.3%,见图11;除此之外,产生初始暴露的时间由2 s推迟到5 s。2人距离为1.0 m时,在3种温度梯度下200 s内易感者口部吸入飞沫的总数量分别为(7±2),(14±1),(19±2)个;温度梯度由1.50 K/m减小到1.08 K/m,易感者吸入飞沫核的数量降低63.2%,但不影响产生暴露的初始时间,均为传染源呼出后20 s,见图12。说明即使当2人在1.0 m以内的近距离、飞沫能够快速完成人际传播时,调节热分层仍然能够明显降低易感者吸入暴露剂量。其原因在于较低的竖直温度梯度下,呼吸气流向上偏转较多,利于将典型粒径的小飞沫核携带脱离2人间的气流微环境;同时较小的竖直温度梯度下体表热羽流更强烈,在近距离时使传染源呼出气流更难穿透,热羽流体现为对直接传播途径的风幕保护作用。

　　 因此,向方舱医院内增加人员活动区域内的新风量,在玻璃幕墙等冷壁面下方放置加热器减小贴壁流动,减弱热分层现象,利于降低近距离内的飞沫传染。

　　 当2人距离较远时,如图13,14所示,易感者的吸入暴露剂量远小于近距离情况,热分层的影响效果不再明显。原因为易感者吸入飞沫不再来源于传染者直接呼出的部分,而是从环境中将混合的飞沫通过吸入时引起的压差流动输送到呼吸区,或者通过热羽流卷吸至体表边界层后向上输送到呼吸区,形成了长距离的空气传染途径。然而目前并没有证据表明新型冠状病毒能够在长时间的飞沫运动中保持活性,亦无证据能将其完全排除。但仍然可以通过提高新风量来稀释空气中的飞沫和飞沫核浓度,降低交叉感染风险。

　　 1) 方舱医院内上千名轻症病人与医护人员同处一室,彼此接触频繁,可能存在院内感染的风险,亦可能影响患者的康复。

　　 2) 在当前季节和方舱医院实际环境下,室内空间可能出现贴壁流动造成的热分层。

　　 3) 经过CFD模拟研究及百级洁净室内进行的单分散气溶胶颗粒物发生器实验验证,发现室内人员活动区域内的热分层能够显著影响近距离内的飞沫传染。如能有效控制热分层,例如将温度梯度由1.50 K/m减小到1.08 K/m,则可将相距1.0 m内的2人中易感者吸入5 μm飞沫的数量降低60%以上。

　　 4) 建议方舱医院应注重热分层控制,可优先通过提高新风量和在玻璃幕墙等冷壁面下方布置加热器等措施,抑制人员活动区域内的热分层现象,降低交叉感染风险。