人员呼出飞沫蒸发散布过程的仿真研究

摘要

随着经济的迅速发展和生活水平的不断提高，人类健康越来越受到关注。近几年爆发的两起全球性呼吸道疾病——SARS和甲型H1N1流感——促使学者对呼吸道疾病进行了大量研究，使得人们对呼吸道疾病通过飞沫、飞沫核经由空气传播有了新的认识。本文采用理论分析和数值方法研究了呼吸道疾病患者释放出的携带病菌的飞沫在通风房间中的蒸发及运动规律，为预防和控制呼吸道疾病传播提供了理论基础。
　　 本文分析了呼吸道疾病通过飞沫、飞沫核经由空气途径的传播过程；结合“drift-flux”模型和飞沫直径变化规律建立了飞沫在通风房间中蒸发和散布的新物理模型，模型考虑了飞沫的蒸发和重力沉降。利用文献中的实验数据验证了模型的可靠性。
　　 运用本文模型对飞沫在通风房间中的蒸发和沉降规律进行了计算和分析。运用计算流体力学分别对飞沫在不同室温、相对湿度和不同气流组织形式的房间中的散布特性进行了仿真计算。模拟了患者以不同速率释放的飞沫在通风房间中的运动规律和房间中易感染人员的暴露情况。
　　 结果表明，飞沫的沉降速率和蒸发速率随飞沫粒径的减小而降低。与无蒸发的颗粒物相比，蒸发飞沫在通风房间内具有明显不同的散布特性，大尺寸的飞沫进入空气后首先出现明显的沉降现象，随着水分的蒸发，飞沫的扩散特性逐渐增强；初始直径≤50μm的飞沫的运动特点与微小颗粒物的扩散特性类似：初始直径≥100μm的飞沫在室内的散布过程始终以沉降为主。高室温和低相对湿度会加速飞沫的蒸发，有利于飞沫的扩散。在通风量相同的房间中，室内气流组织仍然对飞沫的散布情况有很大影响。患者以高速气流释放的飞沫在室内的渗透能力强，能够快速扩散至易感染者呼吸区域，并且到达呼吸区域的飞沫数量多，增大了易感染者暴露于污染空气中的风险。