近期，生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所（生態(tài)環(huán)境部生態(tài)環(huán)境應急研究所）陳雄波研究團隊與中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院杭建團隊在建筑環(huán)境領(lǐng)域知名期刊Building and Environment（中科院一區期刊，影響因子：7.4）發(fā)表論文“Characteristics of droplet dispersion and interpersonal exposure in indoor and outdoor dining areas of urban street: Elementary numerical investigations”，論文DOI：10.1016/j.buildenv.2024.111605。
呼吸道疾病已被證實(shí)可通過(guò)空氣傳播，用餐區是呼吸道疾病傳播的高發(fā)區域。除了室內餐廳，室外用餐區也隨處可見(jiàn)。用餐區是一種特殊的空間，人們通常距離近、未采取任何自身防護措施且停留時(shí)間較長(cháng)（~小時(shí)）。半開(kāi)放式用餐區很受歡迎，原因之一是人們認為室外用餐區的感染風(fēng)險小，盡管這一觀(guān)點(diǎn)尚未得到充分證實(shí)。本研究通過(guò)耦合室內/室外氣流，對典型街谷（H/W=1）的室內和室外用餐區的飛沫（氣溶膠）擴散和患者面對面顧客的暴露風(fēng)險進(jìn)行了CFD模擬。考慮了不同的場(chǎng)景，包括患者位置、桌面隔離板（DIB，HDIB=0.6m或1.2m）和室外半開(kāi)放式街道遮陽(yáng)篷（SSR）的設置。結果表明，單側通風(fēng)的室內用餐空間的通風(fēng)性能較差（凈逃逸速度NEV~0.036m/s），飛沫（氣溶膠）沉積率（TF）是室外用餐空間的10-200倍（NEV~0.407m/s，TF~3-102ppm）。室內桌面隔離板可以將面對面的TF降低50%，但在室外，對于50μm的飛沫（氣溶膠），沒(méi)有桌面隔離板的TF為6.5ppm，設置桌面隔離板以及改變其高度對TF的改變較小（~7.7ppm-8.9ppm），這表明DIB對降低室外空氣傳播暴露風(fēng)險的效果有限。此外，室外半開(kāi)放式街道遮陽(yáng)篷（SSR）的設置惡化了室內、室外的通風(fēng)情況達50%及90%，導致室內和室外用餐人員的面對面暴露風(fēng)險（如TF）分別提高100倍和70倍。圖1 常見(jiàn)的用餐場(chǎng)景及飛沫（氣溶膠）擴散示意圖研究中考慮了6個(gè)日常用餐較為常見(jiàn)的場(chǎng)景，包括室內、室外用餐區，桌面隔離板的設置（包括0.6米和1.2米的隔離板）以及室外遮陽(yáng)篷的設置，對于飛沫（氣溶膠）擴散的影響。文中采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）模擬進(jìn)行研究，使用的工具為ANSYS Fluent，并在具體的模擬算例研究之前，進(jìn)行了充分的實(shí)驗驗證，包括①風(fēng)洞實(shí)驗數據，驗證CFD在模擬街谷風(fēng)環(huán)境的有效性及準確性；②室內環(huán)境顆粒物擴散數據，驗證了CFD對預測粒子的擴散具有較為可靠的能力。并進(jìn)行了網(wǎng)格獨立性檢驗，選擇合適的網(wǎng)格劃分設置及模型設置。
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風(fēng)環(huán)境及通風(fēng)性能
不同場(chǎng)景的街谷風(fēng)環(huán)境顯示，街谷中存在一個(gè)渦旋，其中部分區域由于物體的設置存在小渦旋。與室外環(huán)境相比，室內空氣流速小，表現為人體周?chē)捎谌梭w熱羽流的作用向上流動(dòng)，拐角處速度較低。當有桌子隔板時(shí)，除了用餐區周?chē)挠邢迏^域外，街谷中風(fēng)環(huán)境與沒(méi)有桌子隔板的流場(chǎng)類(lèi)似。但半開(kāi)放式街道遮陽(yáng)篷的設置顯著(zhù)改變了渦流的形狀，尤其是渦流中心向下游移動(dòng)，建筑物迎風(fēng)側的氣流范圍被壓縮，遮陽(yáng)篷上方形成一個(gè)小漩渦，其下方的用餐區對比其他場(chǎng)景小。文中還利用了空氣齡、凈逃逸速度（NEV）以及稀釋流率（PFR）定量評估用餐區的通風(fēng)性能。圖3 不同場(chǎng)景的街谷風(fēng)環(huán)境不同場(chǎng)景的風(fēng)環(huán)境差異導致飛沫（氣溶膠）擴散形態(tài)不同，顧客的暴露風(fēng)險也不同。研究結果顯示，對于室外風(fēng)速較大的情況，飛沫（氣溶膠）從人體呼出后主要跟隨街谷渦旋氣流，向人的前部及向上擴散；而對于環(huán)境風(fēng)速較小的環(huán)境，如室內環(huán)境、設置了遮陽(yáng)篷的室外環(huán)境，人體熱羽流占主導作用，飛沫（氣溶膠）主要在人的周?chē)蛏蠑U散。由于室內、室外的密閉性差異及飛沫（氣溶膠）擴散特征，室內的顧客將有更大的暴露風(fēng)險。桌面隔離板在室內的設置具有較好的效果，可以減少患者對面顧客約50%的暴露風(fēng)險，而對于室外環(huán)境來(lái)說(shuō)，桌面隔板的設置與否以及高度多高，對患者對面顧客的保護效果不佳。圖5 不同場(chǎng)景下的飛沫（氣溶膠）擴散特征
圖6 不同場(chǎng)景下的暴露風(fēng)險本文對目前研究較為有限的用餐區域開(kāi)展了飛沫（氣溶膠）擴散和人際暴露風(fēng)險研究，從呼吸道疾病空氣傳播的角度，對桌面隔板的應用場(chǎng)景提出了建議，同時(shí)指出了室外半開(kāi)放式遮陽(yáng)篷對呼吸道疾病的傳播具有不利影響。本研究可為呼吸道疾病的預防、控制和建筑室內環(huán)境污染防治提供參考和建議。此外，研究中使用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）數值模擬，具有廣泛應用的可行性。CFD的基本思想是運用離散化的數值方法，對流動(dòng)基本控制方程組：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及有必要情形下對能量守恒方程、species守恒方程進(jìn)行求解，用一系列有限離散點(diǎn)上的變量數值解集合代替描述計算域中物理量的連續場(chǎng)。流動(dòng)控制方程組具有非線(xiàn)性、自變量多、初始條件和邊界條件復雜難得等特點(diǎn)，現有的數學(xué)方法難以獲得方程組的解析解，數值方法主要采用有限差分法對流體偏微分方程進(jìn)行求解。因此，CFD數值模擬憑借其實(shí)用性、靈活性、便捷性等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于航空航天、能源和動(dòng)力工程、力學(xué)、物理和化學(xué)、建筑、水利、海洋、大氣、環(huán)境、災害預防、冶金等所有涉及流體運動(dòng)和熱交換問(wèn)題的領(lǐng)域，強調實(shí)際應用。CFD模擬的物理場(chǎng)景可以看作是利用計算機進(jìn)行的物理實(shí)驗，與傳統的物理實(shí)驗相比，計算機模擬不會(huì )受到模型尺寸、場(chǎng)地、流場(chǎng)擾動(dòng)、環(huán)境、經(jīng)費等因素限制，操作較為靈活。目前，市場(chǎng)上最流行的CFD軟件之一是ANSYS Fluent軟件，可用于模擬和分析復雜幾何區域內的流體流動(dòng)與傳熱現象，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，支持UNIX和Windows多種平臺，應用較為廣泛，有較強的實(shí)用性。它基于有限體積法，博采眾長(cháng)地提供了多種先進(jìn)的數學(xué)和物理模型，可以解決各種不可壓縮和壓縮流體、層流和湍流等復雜流動(dòng)問(wèn)題。
（a）CFD在大氣環(huán)境模擬的應用（空氣質(zhì)量站點(diǎn)周邊）
（b）CFD在建筑群惡臭擴散傳輸模擬中的應用
（c）CFD在建筑風(fēng)環(huán)境評估中的應用
（d）CFD在污染物擴散評估中的應用
圖7 CFD的應用
共同第一作者 楊霞，研究實(shí)習員。主要從事城市通風(fēng)與污染物擴散研究、大氣污染控制研究，自2019年以來(lái)在Journal of Hazardous Materials、Building and Environment、Science of the Total Environment、Urban Climate和Building Simulation等業(yè)界權威國際期刊發(fā)表SCI論文14篇，其中以第一作者發(fā)表中科院一區論文6篇。2022年入職華南所以來(lái)，將CFD方法應用于四個(gè)領(lǐng)域：1）城市空氣質(zhì)量站點(diǎn)周邊小尺度風(fēng)環(huán)境和污染物擴散規律研究，揭示建筑布局、地形地勢、污染源等客觀(guān)條件對于國控點(diǎn)數據的影響，支撐環(huán)境空氣質(zhì)量站點(diǎn)精細化管控；2）惡臭氣體在小區建筑群中的擴散和傳輸研究，通過(guò)數值模擬可視化建筑群內部的污染高值區，剖析投訴區域的內部流場(chǎng)及致臭物質(zhì)的分布規律，支撐科學(xué)應對惡臭投訴事件；3）建筑建成后的風(fēng)環(huán)境影響評價(jià)，針對計劃施工建筑進(jìn)行建成后的風(fēng)環(huán)境模擬，評估建筑建成后的影響；4）氣溶膠、惡臭氣體等污染物在室內環(huán)境的分布，為室內空間的通風(fēng)及氣體的精準收集提供依據。
共同第一作者 陳雄波，研究員，中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì )青年科學(xué)家獎金獎、廣東特支計劃科技創(chuàng )新青年拔尖人才、廣東省環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì )生態(tài)環(huán)境青年科技獎金獎、廣州市珠江科技新星、華南所優(yōu)秀青年科技人才獲得者。主持國家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項課題及子課題、國家基金、省基金、省重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項任務(wù)等科研任務(wù)10余項，發(fā)表論文50余篇（SCI收錄40余篇），授權發(fā)明專(zhuān)利30余項，參與編制國家級、省部級/行業(yè)技術(shù)標準4項，撰寫(xiě)對策建議3項（其中1項被中辦、國辦采納），獲省部級科技獎一等獎2項、二等獎2項。
通訊作者 杭建，教授，博士生導師，中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院副院長(cháng)，國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項目獲得者、廣東特支計劃百千萬(wàn)人才工程青年拔尖人才、廣東特支計劃科技創(chuàng )新領(lǐng)軍人才。近10年先后主持國家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項課題及子課題、國家基金、省基金、省重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項任務(wù)等科研任務(wù)10余項。在國際知名期刊共發(fā)表SCI論文120篇（含ESI高被引論文6篇），第1作者或通訊作者的SCI論文70余篇，SCI引用4100余次，單篇最高引用280余次，H指數39，軟件著(zhù)作權2項，曾獲國家教育部自然科學(xué)獎二等獎。
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