第一章 绪论
1.1研究背景和意义
当前社会经济迅猛发展，人民生活不断提高，通风空调系统在建筑物中越来越普遍。据统计，我们一生约有 80%的时间都是在室内环境中渡过的，建筑室内空气品质问题已逐步得到全世界范围内的广泛关注，构建一个健康、安全、舒适绿色建筑环境，不断改善室内空气品质是我们永不止步的追求。不良的室内空气质量会给人类的健康带来惊人的负面影响，能够诱发呼吸道感染、过敏、癌症等各种急性和慢性疾病。这类由建筑室内空气污染所导致的疾病，已经成为国内外学者们研究的重点内容。当室内空气污染物浓度比较高时，就会直接影响到人体健康，即便在短时间处在低浓度室内空气污染物中，也会造成诸如头疼等亚临床病态建筑综合症。于此同时，室内人员的工作效率与其所处环境的空气污染级别有着惊人的相关性。然而，提高室内空气品质是一个涉及多学科多领域的交叉性问题，需要拥有多学科知识去探索和实践。其中，作为室内空气污染的一个重要课题，室内的微生物污染影响着室内人员的健康与安全。2003 年，在多个国家爆发的非典型性肺炎（Severe Acute Respiratory Syndrome，SARS），一度导致了全球的极度恐慌。2004 年冬季，在东亚地区发生的 H5N1 亚型禽流感。2005 年，面对禽流感（Bird Flu）高发病率与低死亡率的实情，世界卫生组织不得不又发出其在人与人之间传播的卫生预警。2005 年 10 月，在东亚、东南亚、欧洲等区域又相继传出 H5N1 的禽流感感染报告。2006 年 1 月，美国再次出现 H3N2 的禽流感感染报告。2008 年 6 月，在香港深水保安道街市的三个鸡档鸡笼抽样 20 个样本中，有多达五个样本含有 H5N1 禽流感病毒。
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1.2 国内外研究现状
从 20 世纪 50 年代起，对于室内生物污染的研究，已有 60 多年的历史了。到目前为止，关于室内空气微生物污染的研讨，主要集中在呼吸道系统的生物影响因子上，进一步探讨这些生物影响因子和过敏、哮喘、呼吸道传染病等疾病之间的联系。与此同时，CFD 作为对室内污染物分布及运动进行模拟的工具，也是室内微生物污染方面的重要研究内容。然而，由于早年受限于计算机容量以及数值计算技术及湍流模型， CFD 方法很难解决实际工程领域中遇到的复杂性和现实性问题，因此当时的 CFD技术仅仅局限于研究阶段。1970 年，由于当时的计算机技术、数值计算技术和湍流模型的研究成果等已基本能满足要求，工程中的流动问题开始利用 CFD 方法解决。目前国内外学者的研究，一部分集中在通风方式对于生物气溶胶传播的影响上：2004 年 Yang[1]对于三种送风形式（分别是散流器上送风、格栅风口侧送风和侧墙置换送风）的气流控制室内化学污染物进行了模拟。结果表明，不同的通风形式对室内污染物的分布有着全然不同的影响。同时，其计算模型可用于优化通风形式的选择。2005 年许钟麟、张益昭、曹国庆等人对生物洁净室的生物污染防治进行了多方面的研究[2-4]，并且通过发菌实验，得出了在生物安全实验室里，上送下排的气流形式是最佳的选择。2006 年 Zhang[5]对于三种气流组织形式（包括上送风、侧送风及下送风）的通风房间颗粒物扩散问题进行了相关模拟，并通过地板送风的实验和 Murakami[6]的侧送下回和上送下回的实验数据，对模拟结果进行了验证，得到二者吻合性很好。结果表明，相比其它两种气流组织形式而言，下送风的送风形式有着更好的去除颗粒物的能力，但却存在二次扬尘的问题。
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第二章 通风室内颗粒物的受力分析
2.1 悬浮气溶胶颗粒受力分析
研究单颗粒动力学模型是研究气固两相流的最简单的方法。该模型可以忽略颗粒存在对流体流动的影响。主要由气流分布作用决定的暖通空调房间，室内空气中的颗粒物状况不仅由复杂的气流分布决定，而且颗粒物在空气中也受到重力、惯性力、分子布朗力等作用，并且这三种力对空调房间颗粒物的影响较大，剩下的以下几种力对于空调房间室内颗粒的运动作用甚微，甚至可以忽略不计[16]。通常状况下，当颗粒粒径大于 50μm 时，其重力作用对沉降的影响较大，颗粒能够较快的沉降到地面上，在大气中的滞留时间较短，一般为几分钟到几小时。当颗粒粒径为 0.1μm 时，会在大气中滞留较长时间，有的会多达几年，因此对于粒径小于 0.1μm 的细微颗粒物，重力对其传播影响不大。对于 PM2.5 的粒径范围为 0.1~2.5μm，因此能够长时间悬浮在大气环境中而远距离传输，其危害会很大。
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2.2 微生物气溶胶室内运动的物理特性
在以上的部分表述中，对于运动的普通微生物颗粒进行了受力分析，可得出它们的运动轨迹复杂。同时由于微生物颗粒运动还伴随着扩散、蒸发、沉积、凝并、等自身特有的物理现象，并且颗粒在室内的运动轨迹受到这些自身特有的物理现象的影响，因此对微生物在气溶胶室内传播的这些物理现象进行说明显得尤为必要。人体通过说话、咳嗽、打喷嚏等方式会产生大量含有微生物的飞沫，这些飞沫会在空气中迅速蒸发，并形成飞沫核（微生物颗粒），此过程叫微生物气溶胶的蒸发现象。文献[14]表明，在相对湿度 50%的常温情况下，粒径小于 10μm 的粒子蒸发所需时间总是小于 0.05 秒。因为时间太短，故在本文，微生物气溶胶的蒸发问题予以忽略。微生物颗粒由于受到布朗力的作用会进行的布朗运动。文献[14]表明仅靠布朗扩散作用而使得粒子产生的净位移实际上极其小，数量级为 10-8m。与许多普通气溶胶粒子一样，微生物气溶胶粒子也会从浓度高的地方向浓度低的地方迁移，这种向各种壁面或表面迁移的趋势叫做沉积现象。文献[14]表明微生物颗粒的沉积问题是在距离壁面非常近的范围内发生的，数量级为 10-2m。从微生物发生器产生的气溶胶不会单独在空气中生存，而是结合成为菌落的形式存在于空气之中，此现象称为凝并现象。微生物气溶胶的凝并包括两种情况，分别是微生物自身发生凝并以及微生物与室内灰尘之间的凝并过程。结果[14]显示，微生物颗粒在室内空气中很难自身发生凝并现象，很可能与室内大颗粒灰尘发生凝并，并且灰尘粒径越大，发生凝并现象的可能性就越大，前 10 秒钟凝并的可能性不大，但随着时间的增加，凝并的几率增大。综上所述，为了简化模型，本文不考虑蒸发及凝并现象，但考虑布朗扩散和沉积现象。
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第三章 数值模拟的数学模型....11
3.1 流体流动的控制方程 ...... 11
3.2 湍流流动的基本模型 ......14
3.3 离散相（DPM）模型 .....14
3.4 气流及颗粒计算边界条件说明 ........16
3.5 计算流体力学的求解过程 .......17
第四章 几何模型的建立及模拟条件的设定.......18
4.1 几何模型的建立 .....18
4.2.模拟条件的设定 ......21
4.3 FLUENT 软件数值计算的步骤......22
4.4 本章小结 .........23
第五章 各种场的数值模拟结果分析..........24
5.1 不同换气次数情况下模型边界条件的设置 .......24
5.2 模拟结果分析 ..........25
5.3 本章小结 .........38
第六章 对空气和气溶胶运动轨迹的数值模拟
6.1 通风效果的评价指标
在实际的通风气流组织研究当中，人们通常用空气龄来描述气流组织的合理与否。空气龄是一个时间概念，其含义是空气质点从进入房间开始计时，一直到运动到室内某点所经过的时间[29]。通风研究中经常还会用到“局部平均空气龄”的概念，在某一个微小的区域中，对各个空气质点的空气龄进行求其算数平均值，此均值即为局部平均空气龄。因为空气龄的概念较为抽象，故而实际中想对其测量十分困难，目前常用的方法是通过测量示踪气体的浓度变化情况，来确定局部平均空气龄的大小。当空气从送风口进入室内后，在流动过程中会与室内的污染物不断混合，这会导致空气的新鲜程度以及清洁度不断下降。如果空气龄愈短，即表明到达室内某点处的空气中可能掺杂的污染物愈少，那么排除污染物的能力就愈强，故而我们经常采用空气龄来评价通风效果的合理性。我们研究的主要内容：在通风房间内，微生物污染源随着气流组织的扩散过程，对微生物气溶胶的运动轨迹进行模拟，这是一个典型的气固两相流动问题。对于一个通风房间，它会受到太阳辐射的作用；若室内有冷热源，会发生传热现象；这些传热现象可能发生在颗粒相与颗粒相之间、气相与颗粒相之间、颗粒相与壁面之间以及气相与壁面之间；另外固体颗粒之间还会发生碰撞、凝聚等现象，因此，我们的研究对象是一个复杂的、考虑传热的、三维的湍流流动问题，所以我们必须对这个问题进行一系列的合理简化。
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结论
本文采用 CFD 模拟的方式对微生物气溶胶在室内的传播进行研究，针对不同微生物源的形式和不同的通风量情况，进行分析模拟，通过分析结果给出微生物气溶胶在室内传播的规律。通过模拟和计算三种不同通风量情况下的室内气流场，并对这三种形式下室内速度场、温度场、压力场、浓度场的分布进行了分析和比较。得到如下结论：
(1)随通风量的增加，室内同一位置上压力逐渐增大；风速逐渐增大；微生物气溶胶浓度值逐渐减小。改变风量，不会影响回风口、进风口、点源（线源）处温度。
(2)只有污染源附近压力变化比较明显。点源（线源）温度恒定，温度从点源（线源）向四周逐渐降低，离点源（线源）1m 以外其他位置，温度已经变化趋于稳定。污染物从源出来之后，速度会迅速减至气流速度。
同时，本文通过模拟、分析和比较了三种不同通风量情况下，室内微生物气溶胶的运动轨迹，并对室内气流场的迹线进行了比较。得到如下结论：
(1)增加风量，可以缩短气溶胶排出房间所用时间，气溶胶运动越来越快。在气流影响下，气溶胶运动区域也越来越小，由“胖”变“瘦”。
(2)增加风量，可以缩短气溶胶排出房间所用时间；在房间内同一位置的，气溶胶所受压力逐渐增大，温度几乎不变，速度逐渐增大，浓度逐渐降低。
(3)增加通风量，空气龄减小，排除污染物的能力逐渐增强；通风房间的微生物气溶胶对气流有很强的跟随流性，跟随气流运动，气流在进风口边缘附近处会形成涡流，在房间中心区域的气溶胶随气流运动，并从回风口送出；污染源离进风口越远越好，离回风口越近越好。
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参考文献（略）