亭式核酸采样环境飞沫传播风险影响因素研究

李景明，张震宇

西安石油大学新能源学院

呼吸道传染病严重威胁着人类健康，其防控问题涉及流体力学、医学和环境等领域的相关知识[1]。自19 世纪末发现人体呼吸产生的飞沫会携带大量病菌以来，业界采用多种方法预测和研究不同生理状态下人体产生飞沫的数量、粒径、速度以及浓度等特性[2-4]，特别是近年来国内外学者尤其注重对环境领域病毒传播的研究[5]。随着计算机技术的发展，许多学者采用计算流体力学（CFD）方法研究了交通工具、病房以及一般建筑物等封闭空间内的飞沫传播过程。Yang等[6]研究了长途客车封闭环境内病毒飞沫的传播特性，发现通风效率、相对湿度和飞沫初始尺寸对客车内部飞沫传输影响显著。King 等[7]研究了病房内气溶胶颗粒的沉积特性，发现其沉积主要受通风口与气溶胶起源相对位置的影响，将易感患者置于靠近出风口位置并加设床间隔板能有效降低气溶胶传播的风险。吴家霖等[8]研究发现室内人员移动会增大飞沫的传播距离和在移动者体表的沉积概率。

新型冠状病毒感染（COVID-19）是一种以飞沫和密切接触传播为主的呼吸道传染病，截至2022 年9 月18 日，全球累计确诊病例超过6.12 亿例，死亡人数超过650 万，是近年来传播速度最快、防控难度最大的疾病之一，严重阻碍了世界经济的发展，并在不同程度上影响了人们的生活环境和生命安全[9-13]。雷浩等[14]采用dose-response 模型评估了COVID-19通过接触传播、飞沫传播以及气溶胶传播的传播风险，发现气溶胶传播风险较小，但是长期暴露在高浓度气溶胶状况下，其风险仍不容忽视。王飞等[15]研究了室内核酸采样过程中气溶胶运移规律，发现机械通风和局部吸气可一定程度上降低病毒存续几率。相较而言，新冠病毒飞沫传播相关的研究较少，业界对其内在机理和影响因素的了解还不够充分。

我国在疫情防控和治疗工作方面积累了丰富的经验，隔窗采样的亭式核酸检测方法因其灵活、便捷、高效的特点在防控过程中除了完成核酸检测外还承担了抗原检测、发热诊疗等更多任务，是一种行之有效的疫情防控措施。但由于采样者和受检者近距离面对面接触，不可避免会造成交叉感染几率的显著增加，如何对其进行有效控制，充分总结疫情防控过程中的成功经验，从而防患于未然，为其他类似呼吸道传染病的防控、治疗工作提供借鉴就成为亟需解决的问题，有必要对此开展专门的研究。本文采用仿真模拟的方法分析了飞沫喷射速度、气流组织形式及新风速度等因素对飞沫传播的影响并提出了相关建议，以期对核酸采样亭通风设计和健康防护提供一定的借鉴。

1 物理模型及边界条件

1.1 物理模型

建立如图1 所示采样亭内部流场简化模型，其规格为2.5 m×1.2 m×2.2 m，窗口尺寸为0.45 m×0.74 m，墙厚0.12 m。侧墙开口作为新风进口时尺寸取0.15 m×0.6 m，作为出口时尺寸取0.26 m×0.6 m，顶部新风进口尺寸取0.4 m×0.4 m。采样者于室内取坐姿，身高1.45 m；受检者直立或半蹲于室外，身高1.6 m，口部简化为0.05 m×0.02 m 的长方形。为考虑环境影响，室外建有2.5 m×1 m×2.2 m 的外部空间。

图1 核酸采样亭物理模型Fig.1 Physical model of nucleic acid sampling chamber

1.2 边界条件

采用ANSYS Fluent 软件对飞沫传播过程进行仿真模拟，并做如下假设：1）飞沫形态稳定，在传播过程中无蒸发和破碎；2）受检者口部喷出的飞沫为以水为主的球形液滴，其密度取1 000 kg/m3[16-17]；3）只考虑重力和Saffman 力而忽略其他因素对飞沫运动的影响[18]。

对于连续相，新风进口采用速度入口（velocityinlet）边界，出口采用自由出流（outflow）边界，受检者口部边界条件通过FLUENT 的用户自定义函数（UDF）编译实现。对于离散相，采样室内壁和人体表面采用捕捉（trap）边界，受检者口部采用逃逸（escape）边界[19]，室内恒温27 ℃。采用RNG k-ε 增强壁面模型模拟室内空气的流动，采用分散相模型（discrete phase model,DPM）处理飞沫运动，湍流对飞沫的影响通过随机游走模型（discrete random walk,DRW）模拟。对流项采用二阶迎风格式（second order upwind scheme）进行离散，压力插值格式为Second Order，采用基于压力的SIMPLE 算法进行求解[20]。

采样时受检者张大嘴巴正常呼吸，有时为了便于操作也会按要求张嘴发声（“啊”音）。研究表明，正常呼吸所产生的飞沫速度为1.08～1.64 m/s[3]，发声时平均速度为4.07 m/s，主要粒径范围为10～50µm[21-22]。采样平均时间为3 s，飞沫参数如表1 所示。

表1 飞沫参数Table 1 Droplet parameter

将飞沫等效为直径10 µm 的液滴，选取喷射速度为1.2、1.5、3.0、4.0、5.0 m/s 以涵盖张大嘴巴正常呼吸和发声等不同情况，同时考虑不同气流组织形式（表2）以及新风速度对飞沫传播的影响。

表2 气流组织Table 2 Air organization

飞沫在核酸采样亭室内的传播受多种因素影响，全因素分析法过程复杂且重复性过高，在研究中采用田口实验方法进行分析可避免上述缺点。重点关注飞沫喷射速度、新风速度及气流组织形式3 个影响飞沫传播的关键因素，每个因素取5 个水平，确定因素水平安排如表3 所示。

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

1.3 网格无关性验证

采用ICEM CFD 软件划分结构化网格，获得5 种不同数量网格模型在顶进下出气流组织形式下4 s 内采样者呼吸区域飞沫浓度，如图2 所示。由图2可以看出，网格数量为511 222 和1 002 420 时偏差较大；而网格数量为2 001 374、3 019 188 和4 021 736时，模拟结果相差不大，考虑到计算性能和效率，在误差允许范围内采用网格数为2 001 374 的模型进行仿真模拟。

图2 网格无关性检验结果Fig.2 Grid independence test results

2 结果与分析

人体污染物吸入暴露剂量是环境风险评价的重要指标[23]，其计算公式如下：

式中：Ce为人体污染吸入暴露剂量，µg/m3；Cp为人体呼吸区域污染物浓度，µg/m3；Cf为地面处污染物浓度，µg/m3；ηe为地面区域向人体呼吸区域提供新鲜空气的能力，通常小于等于1，无量纲。

由式（1）可知，人体呼吸区域污染物浓度越大，则吸入污染物的剂量越大，被感染的风险也越大。因此，以60 s 内采样者呼吸区域飞沫平均浓度作为响应指标，其试验设计方案及模拟结果如表4 所示。

表4 田口实验方案及仿真模拟结果Table 4 Taguchi Orthogonal experiment scheme and numerical simulation results

通过使用信噪比（SNR）分析可获得各因素对飞沫平均浓度的影响[24]。根据表4 的模拟结果，利用式（2）计算出不同因素下各水平对应的平均信噪比（SNR），如表5 所示。

表5 平均信噪比Table 5 Average signal-to-noise ratio

式中：Xi为第i次模拟结果；N为模拟重复次数。

各因素在不同水平下的平均信噪比的极差可反映该因素对飞沫平均浓度的影响。极差越大，表明该因素对飞沫平均浓度的影响越大。由表5 可以看出，平均信噪比极差值依次为气流组织形式>新风速度>飞沫喷射速度，因此气流组织形式对飞沫平均浓度的影响最大。由各因素下不同水平对应的平均信噪比可知，当飞沫喷射速度为1.5 m/s、新风速度为1.0 m/s 以及顶进下出送风时，飞沫平均浓度最低，采样者的感染风险最小。

2.1 喷射速度对呼吸区域飞沫平均浓度的影响

飞沫喷射速度是影响飞沫运移的重要因素，决定着飞沫的射程和浓度等分布特性。采样者呼吸区飞沫平均浓度随喷射速度的变化如图3 所示。

图3 飞沫喷射速度对飞沫平均浓度的影响Fig.3 Effect of droplet jet velocity on the mean concentration of droplets

由图3 可以看出，随着喷射速度的增加采样者呼吸区飞沫平均浓度呈先增大后减小的趋势，其最大差值为9×10-4µg/m3。究其原因，主要在于当受检者正常呼吸时飞沫喷射速度较小，所波及的空间有限，发声时飞沫速度较高且持续喷出，扩散范围较广，短时间内造成局部飞沫平均浓度较高，当高浓度区位于采样者头部附近时其感染风险明显增大，因此在采样时受检者应尽量保持正常呼吸。

2.2 新风速度对呼吸区域飞沫平均浓度的影响

新风条件对室内空气质量有着重要影响，新风速度不同形成的羽流波及的范围也不同。选取工况4、8、12、16、25 进行研究，得出各工况不同时刻室内飞沫分布如图4 所示。不同新风速度条件下采样者呼吸区飞沫平均浓度变化见图5。

图4 不同新风速度下飞沫随时间变化分布Fig.4 Distribution of droplets with time at different fresh vent velocities

图5 新风速度对飞沫平均浓度的影响Fig.5 Influence of fresh vent velocity on the mean concentration of droplets

由图4 可以看出，前3 s 新风速度对飞沫扩散的影响不明显，在3 s 时飞沫到达并聚集在采样者头部区域，随后逐渐弥散至整个室内空间，其平均浓度也逐渐降低，故3 s 左右时采样者感染几率最大。随着新风速度的增大，高浓度飞沫在采样者呼吸区停留时间缩短，说明较大的新风速度对采样者呼吸区空气的置换效果加强，有利于改善该区域空气质量，保障人员安全。同时，较大的新风速度可对室内空气产生扰动，并携带飞沫向出风口方向散逸排出，未逸出的飞沫与室内壁面的黏附概率也显著增加，从而有效降低飞沫浓度，减少整个室内区域内的感染风险。

由图5 可以看出，新风速度增加会显著降低采样者呼吸区飞沫平均浓度，其原因在于较高的新风速度可有效缩短室内空气龄，减少飞沫停留时间，从而改善采样者呼吸区空气质量。因此，在保证人体热舒适前提下应尽可能采用较大的新风速度，本研究范围内最大新风速度应控制在1.0 m/s 左右为宜。

2.3 气流组织形式对呼吸区域飞沫平均浓度的影响

气流组织形式决定着通风的效果，进而影响着飞沫的分布特性。选取工况3、8、13、18、23 的气流组织形式进行研究，获得不同时刻室内飞沫分布如图6 所示。采样者呼吸区飞沫平均浓度与气流组织形式的对应关系见图7。

图6 不同气流组织形式下飞沫随时间变化分布Fig.6 Droplet organization with time under different airflow patterns

图7 气流组织形式对飞沫平均浓度的影响Fig.7 Effect of air flow pattern on mean concentration of droplets

由图6 可以看出，不同气流组织形式条件下飞沫扩散呈现不同的趋势。新风顶进下出情况下10 s内绝大部分飞沫会随气流从窗口逸出，采样者呼吸区飞沫浓度很低，被感染的风险最小；同侧进出时，新风羽流波及范围有限，对飞沫扩散影响较小，造成飞沫分布范围较广、排出效果差，采样者感染风险较高；异侧进出风情况下新风横向扫掠整个室内空间，在近壁处产生回流后沿着墙壁运动，飞沫在合力作用下随空气流动，部分飞沫随空气经出风口逸出室外，另一部分则随回流风逐渐弥散于室内，且近壁处飞沫易沉积和附着在壁面上，相比于同侧进出风情况，飞沫的运动距离短且散逸速度快，平均浓度较低。

由图7 可以看出，新风进出口异侧布置时室内飞沫平均浓度比同侧布置情况低8.4%，而顶进下出时飞沫平均浓度则比同侧上进下出情况低52.9%，因此应采用顶进下出的气流组织形式，同时可在窗口处设置气帘等以进一步降低采样者的感染风险。

2.4 室内飞沫浓度随时间的变化

随着采样的进行，室内飞沫浓度亦不断发生着变化，通过仿真模拟获得了不同工况下采样者呼吸区飞沫浓度与时间的变化关系如图8 所示。

图8 飞沫浓度随时间变化Fig.8 Variation of droplet concentration with time

由图8 可以看出，随时间的推移采样者呼吸区飞沫平均浓度均先急剧增大，在3 s 左右最高峰值可达0.059 8 µg/m3，随后迅速下降，在8 和20 s 分别降至峰值的41.5%（0.034 8 µg/m3）和7.7%（0.009 4µg/m3），此后变化渐趋平缓。其原因主要在于自飞沫以一定速度进入采样室内空间，在3 s 内快速聚集，飞沫浓度迅速增加，在扩散过程中因一部分飞沫会黏附防护服、桌椅、器皿、墙壁等室内设施表面而使其浓度迅速降低，室内空气回流和通风死区的存在使部分飞沫无法经出风口随空气一起排出而滞留室内，但总体上浓度呈下降趋势。核酸采样过程中包括采样者消毒和准备咽拭子在内所需时间约8 s，而近距离实际采样时间仅有3 s，采样频次较快时后续受检者亦会暴露于前一次采样形成的较高浓度飞沫环境中。因此，采样时受检者应与采样者应密切配合，待消毒和拭子准备完成后再张口并迅速完成采样，且采样时间间隔应控制在20 s 以上。

3 结论

(1) 不同气流组织形式下室内飞沫浓度分布差异较大，新风顶进下出条件下采样者呼吸区飞沫平均浓度可比同侧下进上出形式时低52.9%，室内空气质量最好。

(2) 新风速度越大，空气在室内的停留时间越短，飞沫排出越快越彻底，采样者被感染的风险越小。在满足人体热舒适性的前提下，室温27 ℃时新风速度应控制在1.0 m/s 左右以缩短室内空气龄，减少飞沫停留时间，降低感染风险。

(3) 采样周期内，3 s 左右采样者呼吸区飞沫浓度达到峰值，在8、20 s 时分别降至峰值的41.5%和7.7%。检测过程中受检者和采样者应密切配合、尽快采样，并将采样时间间隔控制在20 s 以上，以降低后续受检者感染风险。