暖通气流如何影响冠状病毒传播?

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

梵蒂冈国立儿童医院热衷于将COVID-19在候诊室和治疗室传播的风险降至最低。随着炎热的夏天的临近，设施管理人员需要知道是否要打开空调。哪个对病人更安全:在密闭的房间里增加空气流通还是减少空气流通?计算流体动力学(CFD)的顾问在佛罗伦萨的Ergon研究使用Ansys流利为了回答这些问题。

意大利受到新型冠状病毒的早期和严重打击。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，意大利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，餐馆、酒吧和其他聚会场所才被允许重新开放(尽管有严格的社交距离协议)，意大利的大部分生活才恢复了熟悉的状态。

在意大利的春天里，住在封锁区是一回事。没有暖气，也没有空调，人们可以舒适地生活。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中生活或工作可能会引发二次健康危机，这是意大利医院非常希望避免的。

“随着罗马炎热的夏天临近，Ergon Research的模拟为梵蒂冈州立儿童医院的管理人员提供了所需的见解。”

对于罗马梵蒂冈州立儿童医院(Ospedale pediatric Bambino Gesù，或OPBG，梵蒂冈管理下的一家主要儿科医院)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打开暖气、通风和空调(HVAC)系统，会增加或减少病毒传播给未受感染的人的风险吗?如果一个未戴口罩的COVID-19患者咳嗽或打喷嚏——即使他坐在与其他人保持适当的社交距离的地方——如果空气是流动的还是静止的，房间里的未感染者会更安全吗?不流动的空气可能会阻止病毒飞沫传播并感染他人。再一次，流动的空气可能会更快地扩散病毒浓度，并帮助液滴更快地离开房间。

2020年4月，该医院的员工卢卡·博罗(Luca Borro)医生开始在一个Facebook群中询问有关使用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的问题。虽然Borro是2D和3D成像的专家，但他正在寻求支持来处理CFD建模的具体问题。他遇到了来自Ergon Research的团队成员Lorenzo Mazzei，这次偶然的联系促成了一场合作，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

开发一种新的事件模型:一次未蒙面的咳嗽

Ergon Research公司于2008年从佛罗伦萨大学(University of Florence)剥离出来。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帮助客户克服复杂的设计挑战。因为Ergon Research熟悉Ansys软件，并且知道他们可以相信它的准确性，所以他们选择使用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，一个是治疗室。在候诊室模型中，他们放置了长凳作为座位，以及一些坐着的人物。因为梵蒂冈国立儿童医院是一家儿科医院，所以该模型包括了成人和儿童的平衡。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里看到父母和孩子成双成对一样——并将这两组而不是个人，彼此放置在建议的6英尺的距离上。候车室模型包括天花板上的四个空气扩散器，当HVAC系统运行时，这将创造一个可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独的天花板扩散器，一个单独的墙壁排气格栅和一个专门的局部排气通风(LEV)系统，该系统将空气吸入病人床正上方的通风口。

在很多方面，这些CAD模型都是故意简单的。例如，天花板空气扩散器是通用的圆形扩散器，在模拟中包括偏流板，以便解决内部流场，而不是在边界上规定它。家具上没有任何特征，因为Ergon的CFD专家知道，包括椅臂、椅腿和椅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，房间里成年人和孩子的身体特征也被简化了——尽管比家具更详细。

这些都是比较容易的部分。最具挑战性的部分是在这些模型房间里模拟咳嗽的行为。尽管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。对咳嗽动力学文献的搜索发现了2018年一篇关于人类咳嗽射流数值表征的博士论文，以及1946年一篇详细描述咳嗽中雾化液滴分布的论文。1946年的论文通过直径(从3 μm到750 μm)、每一类尺寸的液滴的数量和每一类液滴的质量流量来确定液滴的类别。

x-y曲线代表了η指数的时间演变，它描述了房间里不同人随时间吸入的受污染空气的累积量。单位为微克(μg)。

根据他们在CFD模拟方面的经验，Ergon Research的团队将这些事件特征——以及液滴特征、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效应——纳入Fluent中。此外，他们还加入了代表房间中每个人呼吸/吸入速率的模型，以及代表咳嗽空气在吸入空气中的质量分数的模型(即，咳嗽事件本身后任何吸入中所含的污染颗粒的部分)。他们的目的是运行欧拉-拉格朗日耦合模拟，以模拟在他们建立的每个房间模型中吸入雾化咳嗽液滴的分散和潜力。许多关键的建模组件已经在Fluent中出现了，比如粒子注入和跟踪，所以没有必要实现缺失的模型。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，并在整整60秒内跟踪雾化颗粒的运动，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，同时不影响他们所寻求的结果的清晰度。然后，他们使用候诊室模型进行了一系列模拟场景:

• 模拟A在没有hvac介导的气流的情况下运行
• 模拟B中通过扩压器的气流流量为2020 m3/hr(标准流量)
• 模拟C包括流速为4040 m3/hr(标准流速的两倍)的气流

Ergon Research在治疗室中使用LEV系统对该模型进行了类似的模拟(LEV进气口位于患者口上方43厘米处，并经过校准，以1080立方米/小时的速度从治疗室排出空气)。通过基于压力的求解器和压力关联方程的半隐式方法(SIMPLE)算法获得解，其中压力为二阶格式，所有变量(湍流量除外)为二阶逆风格式，而时间为有界二阶隐式格式。

暖通空调系统流量的增加会使浓度较低的雾化液滴扩散得更大(视图2)

医院的治疗计划

从Ergon Research在Fluent中的模拟中得到的初步见解是一致的、可重复的，而且有些令人惊讶。在所有候车室模拟中，大于100 μm的雾化液滴倾向于向地面倾斜(与暖通空调流量无关)，而较小、较轻的液滴则以不同的方式在候车室中分散。

• 在模拟A中，没有hvac介导的气流，较轻的液滴直接向坐在咳嗽者对面的人(传播者)移动。只有正对着撒布器的人似乎吸入了大量(11%)被污染的空气。
• 在模拟B中，正常HVAC流量为2020立方米/小时，咳嗽产生的较轻的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，并在房间内迅速分散。这减少了在房间没有气流的情况下，直接坐在铺布器对面的人可能吸入的受污染的液滴量(从11%下降到2.5%)，但它也使受污染的液滴在房间中更广泛地分散，并为个人吸入这些液滴创造了轻微的机会。这些被污染的飞沫构成了距离喷洒器最远的人可能吸入的空气的0.5%。
• 在模拟C中，HVAC流量翻倍至4040 m3/hr，增强的气流完全破坏了气溶胶云，并迅速将其分散到整个房间。虽然这确实会使整个房间的人暴露在受污染的液滴中，但增加的湍流既稀释了受污染液滴的浓度，又增加了墙壁通风口将液滴从房间里拉出来的速度(此时它们不再对房间里的人构成危险)。咳嗽事件发生30秒后，距离口罩最近的人吸入的空气中污染液滴浓度仅为0.3%，而距离口罩最远的人吸入的空气中污染液滴浓度仅为0.08%。
• 治疗室模拟产生了更引人注目的结果: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抽走空气时，所有受感染的飞沫在传播者咳嗽后半秒内从房间里被抽走，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，增加气流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的管理人员提供了在罗马炎热的夏天到来时所需的见解。通过Fluent模拟得出的结果表明，他们不仅应该打开医院候诊室的暖通空调系统，而且应该增加气流速率。在流量翻倍的情况下，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%，从而最大限度地降低其他患者因咳嗽而感染的可能性。同样，在治疗室使用LEV系统可以几乎立即将暴露风险降至最低。虽然医院的管理人员和医护人员仍然需要与新冠肺炎进行艰苦的斗争，但至少不用担心在过热的房间里中暑的患者会增加，使情况复杂化。