论文标题：A CFD study of the transport and fate of airborne droplets in a ventilated office: The role of droplet–droplet interactions. （飞沫传播VS通风换气——液滴在通风办公室空气中的传输和归趋)

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Allan Gomez-Flores, Gukhwa Hwang, Sadia Ilyas, Hyunjung Kim

发表时间：21 Jun 2021

DOI：10.1007/s11783-021-1465-8

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https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-021-1465-8

文章出版：Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(3): 31

原文信息

题目：

A CFD study of the transport and fate of airborne droplets in a ventilated office: The role of droplet–droplet interactions

作者：

Allan Gomez-Flores, Gukhwa Hwang, Sadia Ilyas, Hyunjung Kim ()

作者单位：

Jeonbuk National University, Republic of Korea

通讯作者邮箱：

kshjkim@jbnu.ac.kr

关键词：

Droplet interactions (液滴相互作用);

Aerosols (气溶胶);

Colloids (胶体);

CFD (计算流体力学);

Transport (传输);

Fate (归趋)

文章亮点

• 建模考虑了液滴相互作用的库仑力和伦纳德-琼斯力；

• 液滴相互作用的净作用力是排斥的；

• 排斥性液滴相互作用增加了液滴的传输；

• 排斥性液滴相互作用显著改变了液滴的归趋。

文章简介

2019年爆发的严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)以及之前流行过的SARS-CoV-1、MERS-CoV等冠状病毒和流感病毒推动了医学、市政工程等多个学科的研究。通风系统可以去除被感染者排出的飞沫，从而提供良好的空气质量和安全的环境。市政工程研究通风房间的室内空气质量，调查室内空气流速分布和颗粒(病原体)分布。颗粒分布揭示了病原体感染室内人员的可能性，并为如何改善室内空气流通提供指导。而颗粒分布取决于空气流速分布。因此，评估空气流速分布对开展空气质量研究非常重要。

由于存在不同的障碍物(如椅子、桌子和人)，通风房间内的空气流速分布非常复杂。示踪气体、粒子图像测速仪(PIV)、立体粒子图像测速仪(SPIV)等可测量速度分布，但不适用于较大的空间或较多的配置和操作参数。计算流体动力学(CFD)提供了一种更实用、更便宜的方法，可用于计算空气流速分布和颗粒分布。在一些实际案例中，CFD建模与上述实验技术相结合，以验证建模方法的有效性。CFD建模已被广泛用于研究空气中病原体或呼吸飞沫(气溶胶)在各种通风环境中的传输。

虽然液滴传输已经成为之前研究的一部分，但液滴的归趋还没有得到广泛的关注。由于SARS-CoV-2飞沫可以在物体表面保持活性，因此必须对它们的归趋进行调查，尤其是当通风系统无法改进或更换时，以采取必要措施防止其传播。世界卫生组织(WHO)建议，在SARS-CoV-2大流行期间，应打开窗户，以在房间或办公室内提供良好的通风。然而，在办公室液滴传输的CFD建模中，这些实用建议的效率尚未得到广泛的讨论。此外，之前的研究没有在建模中包括液滴-液滴的相互作用。

因此，针对已有研究的上述不足，本研究做出了如下创新与改进：

（1）利用CFD模拟，研究了门窗关闭和打开时，通风房间内SARS-CoV-2液滴的归趋(表面沉积)。

（2）假设SARS-CoV-2液滴的行为类似于具有吸引和排斥成分的刚性球体(胶体)，比较了有无液滴相互作用的建模结果。

（3）深入研究了用于描述通风房间内湍流特征的参数(ε和η)。

研究结果表明，液滴间的净排斥作用通过改变液滴早期和最终的空间位置来影响液滴的传输，并改变液滴的归趋。湍流增加了1 μm液滴的传输，而减少了50 μm液滴的传输。与只考虑阻力和湍流相比，考虑液滴相互作用往往会增强液滴的传输和归趋。液滴间的相互作用发生在释放的初始阶段，通过操纵液滴最终粘附在表面上的位置，对液滴的归趋产生了显著的影响。因此，当需要准确预测液滴的传输和归趋时，特别是在高液滴浓度时，液滴相互作用的影响不应被忽视。

文章摘要图

编委点评

SARS-CoV-2可通过感染者咳嗽、呼吸、说话或打喷嚏时释放到环境中的飞沫在人与人之间传播，飞沫的传输和归趋直接关系病原体感染房间内人的可能性。本研究使用计算流体力学(CFD)来模拟一个无症状的人排出的飞沫的传输和归趋，在以往研究主要关注液滴输送的其他物理现象(气流、阻力、蒸发)的基础上，同时考虑液滴的相互作用，可以更准确地预测液滴与人或其他表面的接触，为保障良好的空气质量和安全的环境提供指导。

摘要

Previous studies reported that specially designed ventilation systems provide good air quality and safe environment by removing airborne droplets that contain viruses expelled by infected people. These water droplets can be stable in the environment and remain suspended in air for prolonged periods. Encounters between droplets may occur and droplet interactions should be considered. However, the previous studies focused on other physical phenomena (air flow, drag force, evaporation) for droplet transport and neglected droplet interactions. In this work, we used computational fluid dynamics (CFD) to simulate the transport and fate of airborne droplets expelled by an asymptomatic person and considered droplet interactions. Droplet drag with turbulence for prediction of transport and fate of droplets indicated that the turbulence increased the transport of 1 μm droplets, whereas it decreased the transport of 50 μm droplets. In contrast to only considering drag and turbulence, consideration of droplet interactions tended to increase both the transport and fate. Although the length scale of the office is much larger than the droplet sizes, the droplet interactions, which occurred at the initial stages of release when droplet separation distances were shorter, had a significant effect in droplet fate by considerably manipulating the final locations on surfaces where droplets adhered. Therefore, it is proposed that when an exact prediction of transport and fate is required, especially for high droplet concentrations, the effects of droplet interactions should not be ignored.

编者 | 邓子祺

点评 | 程荣

致 谢

程荣，中国人民大学副教授，FESE青年编委。研究方向为环境公共卫生、水污染控制、环境功能材料，主持国家自然科学基金等项目，在Water Res., J. Hazard. Mater.等杂志发表SCI论文50余篇。个人主页：https://envi.ruc.edu.cn/index/index/teacher_detail/id/24/cid/29.html

邓子祺，男，23岁，中国人民大学环境学院2020级环境科学专业硕士生，导师为程荣副教授，研究方向为微生物气溶胶。

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