民航客机舱内病毒传播分析方法

摘要

本发明公开了民航客机舱内病毒传播分析方法，包括采集民航客机参数，利用三维建模软件构建选定空间的客舱物理模型；对构建的客舱物理模型进行网格划分；对网格划分后的客舱物理模型进行仿真；根据仿真结果确定病毒扩散的模拟路径以及扩散的速度场及浓度场；基于民航客机舱内病毒传播数学模型，计算患病乘客上方个性化通风口在不同的状态下舱内乘客受感染风险概率。本发明对机组人员和乘客合理安排机舱活动和使用个人防护用品提供建议，降低其他乘客感染风险，尽量隔离感染者，阻挡病毒传播，对乘客和机组人员的身体健康具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及民航客机舱内病毒传播分析方法，特别涉及一种基 于CFD模型的民航客机舱内病毒传播的研究方法。

背景技术

伴随世界经济的高速发展，越来越多的乘客选择乘坐飞机出行。 民航客机在飞行过程中，机舱是一个封闭的环境，乘客及机组人员 暴露在人员密度较高的环境中，空气流动多靠空调通风系统实现。 当携带病毒的乘客乘坐飞机，病毒随着呼吸、口水、粘液沾染到物 体表面或直接进入到空气中。健康的人触摸到这些沾染的物体表面 或者吸入病毒，就可能被感染。

COVID-19病毒颗粒可以被认为是一种不同于SARS病毒的冠状 病毒，空气中粒径约为60-140nm，属于可吸入超细颗粒物，略小于 SARS病毒的80-220nm粒径。有研究表明在相对密闭的空间和特定 场所，COVID-19病毒可以以气溶胶的方式进行传播，而民航客舱舱内空间较小，人员密集，因此研究民航客机舱内病毒传播扩散方法 对保护乘客及机组人员的健康具有重要意义。

自COVID-19、SARS和几起流感事件通过民航客机传播发生以来， 病菌在相对密闭环境内交叉传播的研究显得越来越重要，病毒可以 通过感染者乘坐飞机从一个城市携带并传染给同飞机的乘客和另一 个城市的人。研究表明民航客舱是旅客或机组人员携带的病原体传 播的适宜环境，病毒在机舱内传播的方式和途径主要包括直接接触 传播、间接接触传播和空气传播，研究病毒在机舱内传播扩散的方 法主要有模拟实验测量方法、CFD数值模拟方法和概率分析方法。

而CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工 况等独特的优点，逐渐受到人们的青睐。Hao Lei等研究表明在短 途飞行中，过道旅客的暴露率较高。Wei Yan等采用模拟实验和CFD 数值模拟相结合的方法，研究了飞机座舱内空气污染物的传播特性， 污染源位置对飞机座舱内污染物的传播有重要影响。

国内学者对这方面的研究还很少，而且很少有学者关注机舱内 部病毒的传播扩散对乘客及机组人员的安全健康。实例证明舱内病 毒等污染物可在机舱内进行传播，这类病毒粒径微小，属于可吸入 颗粒物，传播特性极强，对人类群体健康影响极大。因此，发明一 种基于CFD模型的民航客机舱内病毒传播的研究方法显得非常必要。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于CFD 模型的民航客机舱内病毒传播的分析方法。

本发明采用以下技术方案。提供一种民航客机舱内病毒传播分 析方法，包括以下步骤：

采集民航客机参数，利用三维建模软件构建选定空间的客舱物 理模型；

对构建的客舱物理模型进行网格划分；对网格划分后的客舱物理模 型进行仿真；根据仿真结果确定病毒扩散的模拟路径以及扩散的速 度场以及浓度场；

基于民航客机舱内病毒传播数学模型，计算患病乘客上方个性 化通风口在不同的状态下舱内乘客受感染风险概率。

进一步地，所述民航客机参数包括客舱外形整体尺寸、内部座 椅、人体尺寸、出入口位置、出入口个数和出入口尺寸。

进一步地，对网格划分后的客舱物理模型进行仿真具体包括以 下步骤：

将划分后的网格导入FLUENT软件中，进行网格检查，如果网格 体积为负，则重新划分网格；设置湍流模型，选择RNG k-ε模型； 对出入口速度、流量、温度进行边界条件设置；选择迭代次数，当 结果不再收敛时获得仿真结果。

进一步地，所述民航客机舱内病毒传播数学模型公式如下：

其中，P为感染概率；D为受感染人群数量；S为易感染人数数量； I为患病人数；q为病毒单位释放率；p为肺通气率；Q为客舱通风 量；α

再进一步地，患病乘客座椅上方个性化通风口打开的大小程度 α

进一步地，所述方法还包括：通过设置动网格大小以及舱内乘 客及机组人员的移动速度，分析非稳态条件下舱内乘客活动和客舱 服务移动对舱内病毒传播的影响。

本发明所取得的有益技术效果：

本发明对民航客机舱内病毒传播扩散的分析方法进行研究，探 究病毒源在机舱不同位置时病毒的扩散情况，以及人员在舱内活动 时的病毒扩散情况，利用数值仿真模拟的方法将病毒在民航客机舱 内的传播途径可视化。

本发明可为机组人员及航空公司管理人员在机舱内有COVID-19， SARS等病毒传播事件发生时提供处理建议，采取适当的措施降低乘 客及机组人员暴露风险，为民航客机机舱内乘客及机组人员的科学 防护和阻断传染病流行做出贡献。

附图说明

图1是本发明实施例的基本流程结构图；

图2是本发明实施例7排A320客舱物理模型主视图；

图3是本发明实施例7排A320客舱物理模型侧视图；

图4是本发明实施例7排A320客舱物理模型俯视图；

图5是本发明实施例7排A320客舱模型的网格划分主视图；

图6是本发明实施例7排A320客舱模型的网格划分侧视图；

图7是本发明实施例7排A320客舱模型的网格划分俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术及优点更加清楚明白，以下结合实 施例对本发明进行进一步的详细说明。应当清楚，此处所描述的具 体实施例是仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：本实施例提供的民航客机舱内病毒传播分析方法，实 施步骤见附图1，包括按顺序进行的下列步骤：

步骤S1，民航客机机舱物理模型的构建。

将客舱内部进行一定程度的简化，只保留客舱行李架内部空间。 由于全尺寸客舱模型单元较多，后续所需网格数量较大，且中国民 航局规定民航客机舱内有病毒传播等公共卫生安全事件发生时，应 当隔离前后三排的乘客，因此为了计算方便，本实施例将客舱内部 进行一定程度的简化，使用周期性边界条件，对7排客舱物理模型 进行构建。

本实施例按照A320客舱的尺寸设计7排物理模型的外形整体尺 寸(长6.3m，宽3.7m，高2.26m)以及行李架送风口、天花板送风 口及出风口的位置与尺寸并输出*.IGS文件，如图2、3、4所示。 本实施例采用Solidworks建模软件对客舱进行物理模型的构建，在其他实施例中，也可采用CAD、UG等其他建模软件进行建模。

步骤S2，本实施例中使用ICEM CFD前处理器进行物理模型的 网格划分。

步骤S201，首先对CFD模型特点、原理以及实现过程等进行详 细的了解。选择合适的模型进行改良，并考虑各种客舱活动对病毒 传播扩散路径的影响，如飞机经历颠簸和客舱内人员活动等。

步骤S202，将步骤S1所得*.IGS文件导入ICEM CFD前处理器， 首先修复实体模型，定义各个part尺寸，采用非结构化网格划分方 法对实体模型(也就是构建的客舱物理模型)进行网格划分，7排客 舱网格总数大约为480万，网格划分结果的三视图如图5、6、7所示，并输出*.msh文件，也可采用GAMBIT等前处理器进行网格划分。

步骤S3，利用FLUENT进行数值仿真计算，FLUENT是CFD的一 个计算软件，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等 方面都有着广泛的应用。本实施例将步骤S2中得到的物理模型的划 分后的网格导入FLUENT软件中，使用FLUENT软件对民航客机舱内 病毒传播进行数值仿真模拟，得到民航客机舱内病毒传播的数值仿 真结果。

步骤S301，打开FLUENT软件，将步骤S2的*.msh文件输入到 FLUENT中并检查网格，如果网格体积为负，则重新划分网格；

步骤S302，湍流模型选择RNG k-ε模型；

步骤S303，参数条件和边界条件的设置，本实施例中根据民航 客机舱的模拟场景以及病毒的释放状态，在FLUENT软件中进行参数 条件设定以及入口、出口速度、温度、患病乘客病原体释放速度边 界条件的设置；

步骤S304，设置收敛条件，定义初始条件；

步骤S305，经过相关参数设置后，开始迭代次数设置并进行迭 代计算，当在残差图中看到残差不再下降时，认为运算已经收敛，

停止运算，得到运算结果；

步骤S306，保存结果。

步骤S4，民航客机舱内病毒传播数值仿真结果的分析与评估。 利用FLUENT自带的后处理软件对数值仿真的结果进行分析研究。通 过FLUENT仿真计算得到病毒传播扩散的模拟路径以及扩散的速度场、 浓度场等，分析舱内病毒传播的扩散规律，降低乘客及机组人员的 暴露风险。

步骤S5，民航客机舱内病毒传播数学模型构建。当患病乘客座 椅上方个性化通风口打开与关闭时，对民航客机舱内空气流动会造 成不同的影响。本发明通过对Wells-Riley模型进行修正，计算患 病乘客上方个性化通风口在不同的状态下舱内乘客受感染风险概率。 Wells-Riley模型如下：

其中：P为感染概率；D为受感染人群数量；S为易感染人数数 量；I为患病人数；q为病毒单位释放率(quanta/h)；p为肺通气 率；Q为客舱通风量；r为引发感染能力，t为暴露时间。

修正的Wells-Riley模型公式如下：

式中α

步骤S6，非稳态条件下舱内病毒传播分析。由于舱内乘客及机 组人员的移动，可能会使病毒的传播途径有所改变。本发明通过构 建乘客及机组人员动网格模型，设置动网格大小及运动速度，分析 舱内乘客活动和客舱服务对舱内病毒传播的影响。

当客舱内有COVID-19(Corona Virus Disease 2019,新型冠状 病毒肺炎)，SARS(Severe Acute Respiratory Syndromes，严重急 性呼吸综合症)等病毒传播事件发生时，对机组人员和乘客合理安 排机舱活动和使用个人防护用品提供建议，降低其他乘客感染风险， 尽量隔离感染者，阻挡病毒传播。

本发明研究民航客机舱内的病毒传播扩散方式，利用CFD计算 方法建立数学模型，使用FLUENT软件进行数值仿真，得到民航客机 舱内病毒传播的模拟路径，最后对模拟结果进行分析，分析民航客 机舱内病毒传播扩散规律，从职业健康的角度减少机组人员的职业 暴露风险。并且对机组人员和乘客合理安排机舱活动和使用个人防 护用品提供建议，降低其他乘客感染风险，尽量隔离感染者，阻挡 病毒传播，对舱内乘客和机组人员人体健康具有重要意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优 点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本 发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由 所附的权利要求书及其等效物界定。