Chinese Journal of Ship Research
隔离舱室污染气体扩散的大涡模拟研究
引用格式：刘琦,谢承利,李伟光, 等.隔离舱室污染气体扩散的大涡模拟研究[J].中国舰船研究, 2021, 16(3): 67–73. LIU Q, XIE C L, LI W G, et al. Large eddy simulation of contaminants dispersion in ship isolation room[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(3): 67–73.
刘琦1，谢承利1，李伟光1，刘文川*2,3，龙新平4
1中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064 2煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400044 3重庆大学资源与安全学院，重庆 400044 4武汉大学水射流理论与新技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430072
摘 要: ［目的］ 开展船舶隔离舱室门动态开启过程中污染物对流扩散的研究，定量对比和评估不同负压工况下污染物中扩散量随时间的变化，对隔离病房负压系统的设计具有重要意义。 ［方法］ 基于大涡模拟（LES）方法，结合示踪气体组分输运方程，对某型应急医疗救援船的隔离舱室门开启过程中污染物的对流扩散规律开展数值模拟研究，重点对不同压差工况下门动态开启过程中的流场特性及污染物扩散规律进行对比分析。 ［结果］ 研究表明：以污染物总扩散量为评估指标，对空间离散精度和时间步长进行敏感性分析，可确保 LES模拟结果的可靠性；在不同压差与门开启过程的诱导作用下，流体速度峰值和出现峰值的时间有明显差异；提高隔离病房负压值可以减小污染物扩散峰值，同时也可缩短已扩散污染物在压差作用下返回隔离病房的时间。 ［结论］ 对隔离舱室负压系统设计和污染物动态扩散评估具有一定指导意义。关键词：舱室通风；隔离舱；污染扩散；大涡模拟；计算流体动力学中图分类号: U664.86文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01900
Large eddy simulation of contaminants dispersion in ship isolation room
LIU Qi1, XIE Chengli1, LI Weiguang1, LIU Wenchuan*2,3, LONG Xinping4
1 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China 2 State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing 400044, China 3 School of Resources and Safety Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China 4 Hubei Key Laboratory of Waterjet Theory & New Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China Abstract: ［Objectives ］Conducting studies on contaminant dispersion during the door-opening process of isolation rooms and quantitatively comparing and evaluating the diffusion characteristics of contaminated air under different negative pressure conditions is of great significance for the design of negative pressure systems for the isolation rooms of ships. ［Methods］Based on the large eddy simulation (LES) method and a combination of tracer gas component transport equations, numerical simulations were conducted to investigate contaminated air dispersion during the door-opening process of isolation rooms. The flow field characteristics and pollutant dispersion process during the dynamic opening of the door under different differential pressure conditions were then compared and analyzed. ［Results ］ The results show that the sensitivity analysis of mesh resolution and time step with total pollutant diffusion as the evaluation index can ensure the reliability of the LES simulation results. Further analysis shows that under the combination of different differential pressures and door-opening induced flows, there is a significant difference between the magnitude of the fluid velocity peak and the time when the peak appears. Increasing the negative pressure value of the isolation room can reduce the peak of pollutant diffusion and shorten the time for the diffused pollutant to return to the isolation room under the differential pressure. ［Conclusions］The results obtained in this paper can provide guidance for the design of ship isolation rooms. Key words: ship cabin ventilation；isolation room；contaminants dispersion；large eddy simulation (LES)； computational fluid dynamics (CFD)
0 引 言
船舶舱室是一个相对密闭的室内环境，其空气品质受污染源、颗粒物、温度、湿度等诸多因素影响。日本“钻石公主”号（ Diamond Princess）邮轮新冠病毒感染事件使船舶系统设计人员更加清晰地意识到，必须设计可靠的船舶空气调节和通风系统、建立合理的气流组织，以有效保障舱室的空气品质，从而降低病毒通过空气传播导致交叉感染的风险。为确保船舶传染病隔离病房内含有病毒的污染空气不侵入周围的洁净空间，通常需要设计负压系统以维持病房内部较低的负压环境。美国疾病控制中心认为，控制气流进出房间的最小压差仅为 0.25 Pa，但考虑门开闭和热浮升力效应等影响，推荐隔离房间负压大于 2.5 Pa [1]。我国《传染病医院建筑设计规范》[2]规定，负压隔离病房与其相邻及相通的缓冲间、走廊压差应保持不小于5 Pa的负压差。此类准则和规范为相应的负压系统设计提供了重要参考，但是无法准确评估病房内压力波动等实际因素对其内部气流组织和污染物分布的影响，同时缺少针对船舶隔离舱室负压系统设计的相关研究。近年来，计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）技术已在室内污染物扩散分布研究领域得到广泛应用[3-7]。研究人员基于雷诺平均 Navier-Stokes 方程（RANS）方法并结合动网格技术，对人员走动和门开闭过程的流场特征进行动态模拟，结果表明，室内物体移动诱导的气流运动会对室内流场和污染物的扩散分布产生重要影响[8-10]。由于物体运动与流场特性高度耦合，固体表面诱导的流体运动具有极强的瞬态特性，大涡模拟（large eddy simulation，LES）方法较 RANS方法可以更好地捕捉此类流场特性和污染物运动规律[11-12]。压差是隔离舱室负压系统的重要设计输入，通常可参考借鉴相关标准规范，但目前相关评估指标都是基于静态参数，缺少对隔离舱室门开启的过程中污染物扩散规律的动态评估。试验研究方法具有费用高、周期长、灵活性差等局限性，CFD方法是解决此类问题的有效手段。因此，本文将以某型应急医疗救援船隔离舱室的负压系统设计为研究对象，对其典型隔离舱室开展三维实尺度污染物扩散大涡模拟研究，并对比分析空间离散精度以及时间步长对模拟结果带来的影响；重点对不同压差工况下，模拟分析隔离舱室门动态开启过程中的流场特性以及污染物扩散规律；以期
为传染病隔离舱室安全性评估及压差设计提供参考依据。
1模拟计算方案
1.1房间三维模型
本文计算采用的三维模型如图1 所示，其中隔离舱室的长（ L1 ）、宽（ W1 ）、高（ H1 ）分别为 4， 3.9 和 2.6 m，缓冲间长（L2）、宽（W2）、高（H2）分别设置为 2.9，3.9 和 2.6 m，中间舱室门的宽度（WD）为 0.9 m、高度（HD）为 2.0 m，高度方向即为z 轴方向。初始时刻，隔离舱室压力值设定为P1，缓冲室压力设定为P2，则隔离舱室压差为∆P = P1 P2。由于本文压差都为负值，下文统一取其绝对值进行表述。舱室门初始时刻处于关闭位置，即舱室门将隔离舱室和缓冲间隔开。计算开始后，舱室门以角速度ω = π/2 rad/s 转向缓冲间一侧，在t=1 s时刻停止运动并保持在90°全开位置。
1.2数学模型
将隔离舱室在压差作用下门开启过程中污染物的输运和扩散过程视为不可压缩流动，且不考虑温度效应以及重力的影响。因此，采用盒式滤波函数对瞬态控制方程进行滤波后，可以得到如下 LES控制方程
u i (1) =0 xi ( ) u˜i u˜ iu˜ 1 p˜ u˜i j ij (2) + = + t xj xi xj xj xj式中：xi 和 xj 为笛卡尔坐标系；u˜和u˜ 为流体速度； i j t 为时间；ρ ， p˜和 分别为流体的密度、压力和运动黏度； 为描述小尺度涡耗散效应的亚格子尺寸应ij力（subgrid-scale stress，SGS），本文采用 SmagorinskyLilly涡黏模型封闭SGS 项，其中，亚格子涡黏系数 νSGS 可采用式（3）进行计算[13-14]： √ 2 (3) vSGS = (Cs ∆) 2S ijS ij