暖通空调气流如何影响冠状病毒的传播?

作者:Lorenzo Mazzei, CFD顾问，Riccardo Da Soghe, CFD分支协调员ergon Research，佛罗伦萨，意大利

梵蒂冈国立儿童医院迫切希望在候诊室和治疗室中尽量减少新冠病毒传播的风险。随着炎热的夏天临近，设施管理人员需要知道是否打开空调。对病人来说，哪个更安全:在封闭的房间里更多的空气流通还是更少?计算流体动力学(CFD)顾问在佛罗伦萨的Ergon研究Ansys流利来回答这些问题。

意大利很早就受到了新型冠状病毒的严重打击。到2020年3月底，该国平均每天报告6000多例新病例，这在当时是一个可怕的数字。当月实施了全国范围的封锁，成功地减少了每日新增病例的数量，但直到5月，意大利的大部分生活才恢复了任何熟悉的感觉，当时餐馆、酒吧和其他聚会场所被允许重新开放(尽管有严格的社交距离协议)。

在意大利的春天生活在禁闭中是一回事。一个人既不开暖气，也不开空调，也能过得很舒服。但是在夏天呢?尤其是在意大利南部?在没有空调的封闭空间生活或工作可能会造成二次健康危机，这是意大利医院非常希望避免的。

“Ergon Research的模拟为梵蒂冈州立儿童医院提供了管理人员在罗马夏季炎热来临时所需的见解。”

对于罗马梵蒂冈国立儿童医院(Ospedale pediatric Bambino Gesù，或OPBG，梵蒂冈管理下的一家顶级儿科医院)的管理人员来说，这个问题提出了一个严重的操作问题:在封闭的医院候诊室或治疗室内打开供暖、通风和空调(HVAC)系统，会增加或减少病毒传播给其他未感染个体的风险吗?如果一个未戴口罩的COVID-19患者咳嗽或打喷嚏——即使与其他人保持适当的社交距离——如果空气是流动的还是静止的，那个房间里未感染的人会更安全吗?静止的空气可能会阻止病毒飞沫的传播和感染他人。然后，流动的空气可能会更快地扩散病毒浓度，并帮助飞沫更快地离开房间。

2020年4月，该医院的一名员工卢卡·博罗(Luca Borro)博士开始在Facebook的一个小组中询问有关使用CFD模拟咳嗽或打喷嚏事件并模拟暖通空调系统运行时会发生什么情况的问题。虽然Borro是2D和3D成像方面的专家，但他希望在CFD建模的具体问题上得到支持。他遇到了来自Ergon Research的小组成员Lorenzo Mazzei，这次偶然的联系促成了一项合作，Ergon Research的CFD专家自愿献出他们的时间和专业知识，帮助医院找到这些问题的初步答案。

模型治疗室有一个天花板扩散器，一个墙壁通风口和一个LEV流入系统

发展一种新的事件模型:一种未被掩饰的咳嗽

埃尔根研究公司是2008年从佛罗伦萨大学分拆出来的。它提供软件开发、实验设计和CFD方面的咨询服务，其专家经常使用Fluent和Ansys CFX来帮助客户克服复杂的设计挑战。由于Ergon Research熟悉Ansys软件，并且知道他们可以信任其准确性，因此他们选择使用Fluent来模拟气流。

Borro和来自Ergon Research的团队首先构建了两个CAD模型——一个是候诊室，另一个是治疗室。在候诊室的模型中，他们放置了凳子和一些坐着的人物。由于梵蒂冈州立儿童医院是一家儿科医院，该模型包含了成人和儿童数据的平衡。该模型还将成人和儿童分成两组，就像人们可能会在儿科候诊室看到父母和孩子成双成对一样，并将两组而不是个人放在建议的6英尺距离处。候诊室模型包括天花板上的四个空气扩散器，当暖通空调系统运行时，这将产生一个受控的正气流进入房间，以及四个墙壁通风口，将空气从房间排出。治疗室模型包括一个单一的天花板扩散器，一个单一的墙壁排气篦子和一个专门的局部排气通风(LEV)系统，该系统定位为将空气吸入直接放置在患者床上方的通风口。

在很多方面，这些CAD模型都故意设计得很简单。例如，天花板空气扩散器是通用的圆形扩散器，在模拟中包含了偏转板，以便求解内部流场，而不是在边界上规定。家具上没有特征，因为Ergon的CFD专家知道，包括椅子扶手、腿和靠背等特征不会对他们计划的模拟的信息结果产生很大影响。此外，它们还会大大增加运行模拟所需的计算资源和时间。出于同样的原因，房间里成人和儿童的身体特征也被简化了——尽管比家具更详细。

这些都是容易的部分。最具挑战性的部分是在这些样板房中模拟咳嗽的行为。虽然Fluent中的对象库非常丰富，但它们不包括人类咳嗽的预构建模型。因此，Ergon Research和OPBG从零开始创建了一个。通过对咳嗽动力学的文献检索，发现了2018年一篇关于人类咳嗽射流数值特征的博士论文，以及1946年一篇详细描述咳嗽中雾化液滴分布的论文。1946年的论文根据直径(从3 μm到750 μm)、每种尺寸的液滴数量和每种液滴的质量流率对液滴进行了分类。

x-y图表示指数η的时间演变，该指数描述了房间中不同个体随时间累积吸入的污染空气量。单位为微克(μg)。

根据他们在CFD模拟方面的经验，Ergon Research团队将这些事件特征——连同液滴特征、雾化液滴与空气分子的相互作用以及重力对液体颗粒和空气的浮力影响——整合到Fluent中。此外，他们结合了代表房间里每个人呼吸/吸入速率的模型，以及代表吸入空气中咳嗽空气的质量分数的模型(即咳嗽事件本身后任何吸入中含有的污染颗粒的部分)。他们的目的是进行欧拉-拉格朗日耦合模拟，以模拟每个房间模型中雾化咳嗽液滴的扩散和吸入潜力。许多关键的建模组件已经存在于Fluent中，例如粒子注入和跟踪，因此不需要实现缺失的模型。此外，Fluent已经在数百篇分析欧拉-拉格朗日模拟的论文中得到了验证和验证。由于Ergon Research希望使用0.001秒的事件时间步长，并跟踪雾化颗粒的运动整整60秒，因此该团队将房间CAD模型的复杂性降低到只有5M个元素的网格，这将节省计算资源和时间，而不会影响他们所寻求的结果的清晰性。然后，他们使用候诊室模型运行了一系列模拟场景:

• 模拟A在没有任何暖通空调介导气流的情况下运行
• 模拟B包括通过扩散器的流量为2020 m3/hr(标准流量)的气流。
• 模拟C包括流量为4040 m3/hr(标准流量的两倍)的气流

Ergon Research在治疗室中使用LEV系统对模型进行了类似的模拟(LEV进风口位于患者口腔上方43厘米处，并校准为以1080立方米/小时的速度从房间排出空气)。采用基于压力的求解器和压力链接方程的半隐式方法(SIMPLE)算法，对所有变量(湍流量除外)的压力和二阶迎风采用二阶格式，而对时间采用有界二阶隐式格式。

增加暖通空调系统的流量会使浓度较低的雾化液滴更容易扩散(图2)

医院的治疗计划

Ergon Research在Fluent中进行的模拟得出的初步见解是一致的、可重复的，有些令人惊讶。在所有的候诊室模拟中，大于100 μm的雾化液滴倾向于向地面倾斜(与暖通空调流速无关)，而较小、较轻的液滴则以不同的方式在房间内分散。

• 在模拟A中，不涉及hvac介导的气流，较轻的液滴直接移动到坐在咳嗽者对面的人(传播者)。只有直接坐在传播者对面的人似乎吸入了大量(11%)的污染空气。
• 在模拟B中，在暖通空调正常流速为2020 m3/hr的情况下，咳嗽产生的较轻液滴与扩散器的气流相互作用，然后与坐在扩散器前的儿童集中接触，并迅速扩散到房间内。这减少了在房间里没有气流的情况下，坐在传播者正对面的人可能吸入的被污染的液滴的数量(从11%降至2.5%)，但它也使被污染的液滴在房间里分散得更广，并为个人吸入这些液滴创造了一个轻微的机会。受污染的飞沫占离传播者最远的人可能吸入的空气的0.5%。
• 在模拟C中，暖通空调的流量增加了一倍，达到4040 m3/hr，增强的气流完全破坏了气溶胶云，并将其迅速分散到整个房间。虽然这确实使整个房间的人暴露在被污染的液滴中，但增加的湍流既稀释了被污染的液滴的浓度，又增加了墙壁通风口将液滴从房间拉出的速度(此时它们不再对房间里的人构成威胁)。咳嗽事件发生30秒后，离传播者最近的人吸入的空气中污染飞沫浓度仅为0.3%，而离传播者最远的人吸入的空气中污染飞沫浓度仅为0.08%。
• 治疗室的模拟产生了更戏剧性的结果:当位于患者头部上方的LEV以1080立方米/小时的速度从患者身上吸走空气时，在传播者咳嗽的半秒内，所有受感染的飞沫都被拉出了房间，最大限度地降低了房间里任何人被咳嗽中的飞沫感染的可能性。

随着时间的推移，气流的增加会减少室内液滴的质量。

Ergon Research的模拟为梵蒂冈州立儿童医院提供了管理人员在罗马夏季炎热来临时所需的见解。通过Fluent模拟得出的结果表明，他们不仅应该在医院候诊室打开暖通空调系统，而且应该增加气流速率。在两倍的流量下，房间内的空气湍流可以在几秒钟内将污染颗粒的浓度降低99.6%，从而最大限度地减少其他患者因咳嗽而感染的可能性。同样，在治疗室使用LEV系统几乎可以立即将暴露风险降至最低。医院的管理人员和医护人员仍然需要与COVID-19进行艰苦的斗争，但至少他们不必担心在过热的房间里患中暑的病人会使事情复杂化。