民机客舱内呼吸道病原体液滴扩散的数值仿真分析

来源 :中国民用航空飞行学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:juejiang12
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飞机客舱密闭狭小、人员密集,如果乘客中存在患病人员,其呼出的含有病原体的呼吸液滴,会对其他乘客的健康造成较大威胁。因此研究病原体液滴在客舱内的传播规律,研究客舱内病菌浓度分布,对改善客舱环境和保证民航运输安全具有较大意义。本文以B737NG客舱为研究对象,首先建立客舱内流场的仿真模型,利用正四面体网格对其进行了划分,对送风口等部位的网格进行了加密。设置进排气、壁面、温度等边界条件,运用RNG k-ε模型求解客舱内的稳态湍流运动,得到了客舱内的气流速度分布、压力分布和温度分布等。在类似形状的实验舱和相同的边界条件下,利用PIV法测出了空气流场实际速度分布。通过对比分析内流场的仿真数据和实验数据,两者具有相同的流场组织,中间下洗气流将整个座舱横截面分为左右较对称的两个湍流涡;在同一个位置,两者的速度最大百分比偏差为6.25%,且速度变化具有相同的趋势,从而验证了客舱仿真模型的合理性。在内流场的基础上,利用UDF优化了病人咳嗽时的液滴呼出速度,然后采用DPM模型数值模拟了乘客咳嗽、喷嚏时产生的病原体液滴在客舱内的扩散传播。在侧壁和顶棚供气采用大风速(5m/s)的条件下,分析了咳嗽产生的液滴在客舱中的传播扩散过程,发现由于内流场存在的两个湍流涡影响,液滴主要在患病乘客侧扩散;液滴在排出客舱前,大部分其纵向传播范围不超出3排座位;液滴向上扩散的数量大于向下沉积的数量,总体上呈现向上扩散的趋势。通过改变供气模式及供气速度、个性送风口供气量、患病乘客位置等,分析这些因素对咳嗽、喷嚏液滴传播的影响。研究结果表明,顶棚供气加侧壁供气与顶棚供气相比,液滴扩散浓度下降更慢,但两者的下降趋势一致;加大个性送风口通风量不会明显影响液滴的扩散浓度和扩散范围,但是可以减少液滴在客舱内的存留时间;打喷嚏时各个时刻各排液滴浓度比咳嗽时更大,客舱内浓度下降得更快,扩散时间更长。通过分析客舱纵向截面内最大射流速度出现的位置,射流汇聚后的运动方向以及客舱气流流速的分布,得出液滴在客舱内有向前传播的趋势。基于各位置病菌液滴颗粒的数量,使用Wells-Riley模型预测了健康乘客的感染概率。改变患病乘客的位置和变化客舱的通风量,找到了健康乘客感染风险最小的乘坐位置。
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