亭式核酸采樣環(huán)境飛沫傳播風險影響因素研究

李景明，張震宇

西安石油大學新能源學院

呼吸道傳染病嚴重威脅著人類健康，其防控問題涉及流體力學、醫(yī)學和環(huán)境等領域的相關知識[1]。自19 世紀末發(fā)現(xiàn)人體呼吸產(chǎn)生的飛沫會攜帶大量病菌以來，業(yè)界采用多種方法預測和研究不同生理狀態(tài)下人體產(chǎn)生飛沫的數(shù)量、粒徑、速度以及濃度等特性[2-4]，特別是近年來國內(nèi)外學者尤其注重對環(huán)境領域病毒傳播的研究[5]。隨著計算機技術的發(fā)展，許多學者采用計算流體力學（CFD）方法研究了交通工具、病房以及一般建筑物等封閉空間內(nèi)的飛沫傳播過程。Yang等[6]研究了長途客車封閉環(huán)境內(nèi)病毒飛沫的傳播特性，發(fā)現(xiàn)通風效率、相對濕度和飛沫初始尺寸對客車內(nèi)部飛沫傳輸影響顯著。King 等[7]研究了病房內(nèi)氣溶膠顆粒的沉積特性，發(fā)現(xiàn)其沉積主要受通風口與氣溶膠起源相對位置的影響，將易感患者置于靠近出風口位置并加設床間隔板能有效降低氣溶膠傳播的風險。吳家霖等[8]研究發(fā)現(xiàn)室內(nèi)人員移動會增大飛沫的傳播距離和在移動者體表的沉積概率。

新型冠狀病毒感染（COVID-19）是一種以飛沫和密切接觸傳播為主的呼吸道傳染病，截至2022 年9 月18 日，全球累計確診病例超過6.12 億例，死亡人數(shù)超過650 萬，是近年來傳播速度最快、防控難度最大的疾病之一，嚴重阻礙了世界經(jīng)濟的發(fā)展，并在不同程度上影響了人們的生活環(huán)境和生命安全[9-13]。雷浩等[14]采用dose-response 模型評估了COVID-19通過接觸傳播、飛沫傳播以及氣溶膠傳播的傳播風險，發(fā)現(xiàn)氣溶膠傳播風險較小，但是長期暴露在高濃度氣溶膠狀況下，其風險仍不容忽視。王飛等[15]研究了室內(nèi)核酸采樣過程中氣溶膠運移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)機械通風和局部吸氣可一定程度上降低病毒存續(xù)幾率。相較而言，新冠病毒飛沫傳播相關的研究較少，業(yè)界對其內(nèi)在機理和影響因素的了解還不夠充分。

我國在疫情防控和治療工作方面積累了豐富的經(jīng)驗，隔窗采樣的亭式核酸檢測方法因其靈活、便捷、高效的特點在防控過程中除了完成核酸檢測外還承擔了抗原檢測、發(fā)熱診療等更多任務，是一種行之有效的疫情防控措施。但由于采樣者和受檢者近距離面對面接觸，不可避免會造成交叉感染幾率的顯著增加，如何對其進行有效控制，充分總結疫情防控過程中的成功經(jīng)驗，從而防患于未然，為其他類似呼吸道傳染病的防控、治療工作提供借鑒就成為亟需解決的問題，有必要對此開展專門的研究。本文采用仿真模擬的方法分析了飛沫噴射速度、氣流組織形式及新風速度等因素對飛沫傳播的影響并提出了相關建議，以期對核酸采樣亭通風設計和健康防護提供一定的借鑒。

1 物理模型及邊界條件

1.1 物理模型

建立如圖1 所示采樣亭內(nèi)部流場簡化模型，其規(guī)格為2.5 m×1.2 m×2.2 m，窗口尺寸為0.45 m×0.74 m，墻厚0.12 m。側(cè)墻開口作為新風進口時尺寸取0.15 m×0.6 m，作為出口時尺寸取0.26 m×0.6 m，頂部新風進口尺寸取0.4 m×0.4 m。采樣者于室內(nèi)取坐姿，身高1.45 m；受檢者直立或半蹲于室外，身高1.6 m，口部簡化為0.05 m×0.02 m 的長方形。為考慮環(huán)境影響，室外建有2.5 m×1 m×2.2 m 的外部空間。

圖1 核酸采樣亭物理模型Fig.1 Physical model of nucleic acid sampling chamber

1.2 邊界條件

采用ANSYS Fluent 軟件對飛沫傳播過程進行仿真模擬，并做如下假設：1）飛沫形態(tài)穩(wěn)定，在傳播過程中無蒸發(fā)和破碎；2）受檢者口部噴出的飛沫為以水為主的球形液滴，其密度取1 000 kg/m3[16-17]；3）只考慮重力和Saffman 力而忽略其他因素對飛沫運動的影響[18]。

對于連續(xù)相，新風進口采用速度入口（velocityinlet）邊界，出口采用自由出流（outflow）邊界，受檢者口部邊界條件通過FLUENT 的用戶自定義函數(shù)（UDF）編譯實現(xiàn)。對于離散相，采樣室內(nèi)壁和人體表面采用捕捉（trap）邊界，受檢者口部采用逃逸（escape）邊界[19]，室內(nèi)恒溫27 ℃。采用RNG k-ε 增強壁面模型模擬室內(nèi)空氣的流動，采用分散相模型（discrete phase model,DPM）處理飛沫運動，湍流對飛沫的影響通過隨機游走模型（discrete random walk,DRW）模擬。對流項采用二階迎風格式（second order upwind scheme）進行離散，壓力插值格式為Second Order，采用基于壓力的SIMPLE 算法進行求解[20]。

采樣時受檢者張大嘴巴正常呼吸，有時為了便于操作也會按要求張嘴發(fā)聲（“啊”音）。研究表明，正常呼吸所產(chǎn)生的飛沫速度為1.08～1.64 m/s[3]，發(fā)聲時平均速度為4.07 m/s，主要粒徑范圍為10～50μm[21-22]。采樣平均時間為3 s，飛沫參數(shù)如表1 所示。

表1 飛沫參數(shù)Table 1 Droplet parameter

將飛沫等效為直徑10 μm 的液滴，選取噴射速度為1.2、1.5、3.0、4.0、5.0 m/s 以涵蓋張大嘴巴正常呼吸和發(fā)聲等不同情況，同時考慮不同氣流組織形式（表2）以及新風速度對飛沫傳播的影響。

表2 氣流組織Table 2 Air organization

飛沫在核酸采樣亭室內(nèi)的傳播受多種因素影響，全因素分析法過程復雜且重復性過高，在研究中采用田口實驗方法進行分析可避免上述缺點。重點關注飛沫噴射速度、新風速度及氣流組織形式3 個影響飛沫傳播的關鍵因素，每個因素取5 個水平，確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 網(wǎng)格無關性驗證

采用ICEM CFD 軟件劃分結構化網(wǎng)格，獲得5 種不同數(shù)量網(wǎng)格模型在頂進下出氣流組織形式下4 s 內(nèi)采樣者呼吸區(qū)域飛沫濃度，如圖2 所示。由圖2可以看出，網(wǎng)格數(shù)量為511 222 和1 002 420 時偏差較大；而網(wǎng)格數(shù)量為2 001 374、3 019 188 和4 021 736時，模擬結果相差不大，考慮到計算性能和效率，在誤差允許范圍內(nèi)采用網(wǎng)格數(shù)為2 001 374 的模型進行仿真模擬。

圖2 網(wǎng)格無關性檢驗結果Fig.2 Grid independence test results

2 結果與分析

人體污染物吸入暴露劑量是環(huán)境風險評價的重要指標[23]，其計算公式如下：

式中：Ce為人體污染吸入暴露劑量，μg/m3；Cp為人體呼吸區(qū)域污染物濃度，μg/m3；Cf為地面處污染物濃度，μg/m3；ηe為地面區(qū)域向人體呼吸區(qū)域提供新鮮空氣的能力，通常小于等于1，無量綱。

由式（1）可知，人體呼吸區(qū)域污染物濃度越大，則吸入污染物的劑量越大，被感染的風險也越大。因此，以60 s 內(nèi)采樣者呼吸區(qū)域飛沫平均濃度作為響應指標，其試驗設計方案及模擬結果如表4 所示。

表4 田口實驗方案及仿真模擬結果Table 4 Taguchi Orthogonal experiment scheme and numerical simulation results

通過使用信噪比（SNR）分析可獲得各因素對飛沫平均濃度的影響[24]。根據(jù)表4 的模擬結果，利用式（2）計算出不同因素下各水平對應的平均信噪比（SNR），如表5 所示。

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

式中：Xi為第i次模擬結果；N為模擬重復次數(shù)。

各因素在不同水平下的平均信噪比的極差可反映該因素對飛沫平均濃度的影響。極差越大，表明該因素對飛沫平均濃度的影響越大。由表5 可以看出，平均信噪比極差值依次為氣流組織形式>新風速度>飛沫噴射速度，因此氣流組織形式對飛沫平均濃度的影響最大。由各因素下不同水平對應的平均信噪比可知，當飛沫噴射速度為1.5 m/s、新風速度為1.0 m/s 以及頂進下出送風時，飛沫平均濃度最低，采樣者的感染風險最小。

2.1 噴射速度對呼吸區(qū)域飛沫平均濃度的影響

飛沫噴射速度是影響飛沫運移的重要因素，決定著飛沫的射程和濃度等分布特性。采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度隨噴射速度的變化如圖3 所示。

圖3 飛沫噴射速度對飛沫平均濃度的影響Fig.3 Effect of droplet jet velocity on the mean concentration of droplets

由圖3 可以看出，隨著噴射速度的增加采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度呈先增大后減小的趨勢，其最大差值為9×10-4μg/m3。究其原因，主要在于當受檢者正常呼吸時飛沫噴射速度較小，所波及的空間有限，發(fā)聲時飛沫速度較高且持續(xù)噴出，擴散范圍較廣，短時間內(nèi)造成局部飛沫平均濃度較高，當高濃度區(qū)位于采樣者頭部附近時其感染風險明顯增大，因此在采樣時受檢者應盡量保持正常呼吸。

2.2 新風速度對呼吸區(qū)域飛沫平均濃度的影響

新風條件對室內(nèi)空氣質(zhì)量有著重要影響，新風速度不同形成的羽流波及的范圍也不同。選取工況4、8、12、16、25 進行研究，得出各工況不同時刻室內(nèi)飛沫分布如圖4 所示。不同新風速度條件下采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度變化見圖5。

圖4 不同新風速度下飛沫隨時間變化分布Fig.4 Distribution of droplets with time at different fresh vent velocities

圖5 新風速度對飛沫平均濃度的影響Fig.5 Influence of fresh vent velocity on the mean concentration of droplets

由圖4 可以看出，前3 s 新風速度對飛沫擴散的影響不明顯，在3 s 時飛沫到達并聚集在采樣者頭部區(qū)域，隨后逐漸彌散至整個室內(nèi)空間，其平均濃度也逐漸降低，故3 s 左右時采樣者感染幾率最大。隨著新風速度的增大，高濃度飛沫在采樣者呼吸區(qū)停留時間縮短，說明較大的新風速度對采樣者呼吸區(qū)空氣的置換效果加強，有利于改善該區(qū)域空氣質(zhì)量，保障人員安全。同時，較大的新風速度可對室內(nèi)空氣產(chǎn)生擾動，并攜帶飛沫向出風口方向散逸排出，未逸出的飛沫與室內(nèi)壁面的黏附概率也顯著增加，從而有效降低飛沫濃度，減少整個室內(nèi)區(qū)域內(nèi)的感染風險。

由圖5 可以看出，新風速度增加會顯著降低采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度，其原因在于較高的新風速度可有效縮短室內(nèi)空氣齡，減少飛沫停留時間，從而改善采樣者呼吸區(qū)空氣質(zhì)量。因此，在保證人體熱舒適前提下應盡可能采用較大的新風速度，本研究范圍內(nèi)最大新風速度應控制在1.0 m/s 左右為宜。

2.3 氣流組織形式對呼吸區(qū)域飛沫平均濃度的影響

氣流組織形式?jīng)Q定著通風的效果，進而影響著飛沫的分布特性。選取工況3、8、13、18、23 的氣流組織形式進行研究，獲得不同時刻室內(nèi)飛沫分布如圖6 所示。采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度與氣流組織形式的對應關系見圖7。

圖6 不同氣流組織形式下飛沫隨時間變化分布Fig.6 Droplet organization with time under different airflow patterns

圖7 氣流組織形式對飛沫平均濃度的影響Fig.7 Effect of air flow pattern on mean concentration of droplets

由圖6 可以看出，不同氣流組織形式條件下飛沫擴散呈現(xiàn)不同的趨勢。新風頂進下出情況下10 s內(nèi)絕大部分飛沫會隨氣流從窗口逸出，采樣者呼吸區(qū)飛沫濃度很低，被感染的風險最小；同側(cè)進出時，新風羽流波及范圍有限，對飛沫擴散影響較小，造成飛沫分布范圍較廣、排出效果差，采樣者感染風險較高；異側(cè)進出風情況下新風橫向掃掠整個室內(nèi)空間，在近壁處產(chǎn)生回流后沿著墻壁運動，飛沫在合力作用下隨空氣流動，部分飛沫隨空氣經(jīng)出風口逸出室外，另一部分則隨回流風逐漸彌散于室內(nèi)，且近壁處飛沫易沉積和附著在壁面上，相比于同側(cè)進出風情況，飛沫的運動距離短且散逸速度快，平均濃度較低。

由圖7 可以看出，新風進出口異側(cè)布置時室內(nèi)飛沫平均濃度比同側(cè)布置情況低8.4%，而頂進下出時飛沫平均濃度則比同側(cè)上進下出情況低52.9%，因此應采用頂進下出的氣流組織形式，同時可在窗口處設置氣簾等以進一步降低采樣者的感染風險。

2.4 室內(nèi)飛沫濃度隨時間的變化

隨著采樣的進行，室內(nèi)飛沫濃度亦不斷發(fā)生著變化，通過仿真模擬獲得了不同工況下采樣者呼吸區(qū)飛沫濃度與時間的變化關系如圖8 所示。

圖8 飛沫濃度隨時間變化Fig.8 Variation of droplet concentration with time

由圖8 可以看出，隨時間的推移采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度均先急劇增大，在3 s 左右最高峰值可達0.059 8 μg/m3，隨后迅速下降，在8 和20 s 分別降至峰值的41.5%（0.034 8 μg/m3）和7.7%（0.009 4μg/m3），此后變化漸趨平緩。其原因主要在于自飛沫以一定速度進入采樣室內(nèi)空間，在3 s 內(nèi)快速聚集，飛沫濃度迅速增加，在擴散過程中因一部分飛沫會黏附防護服、桌椅、器皿、墻壁等室內(nèi)設施表面而使其濃度迅速降低，室內(nèi)空氣回流和通風死區(qū)的存在使部分飛沫無法經(jīng)出風口隨空氣一起排出而滯留室內(nèi)，但總體上濃度呈下降趨勢。核酸采樣過程中包括采樣者消毒和準備咽拭子在內(nèi)所需時間約8 s，而近距離實際采樣時間僅有3 s，采樣頻次較快時后續(xù)受檢者亦會暴露于前一次采樣形成的較高濃度飛沫環(huán)境中。因此，采樣時受檢者應與采樣者應密切配合，待消毒和拭子準備完成后再張口并迅速完成采樣，且采樣時間間隔應控制在20 s 以上。

3 結論

(1) 不同氣流組織形式下室內(nèi)飛沫濃度分布差異較大，新風頂進下出條件下采樣者呼吸區(qū)飛沫平均濃度可比同側(cè)下進上出形式時低52.9%，室內(nèi)空氣質(zhì)量最好。

(2) 新風速度越大，空氣在室內(nèi)的停留時間越短，飛沫排出越快越徹底，采樣者被感染的風險越小。在滿足人體熱舒適性的前提下，室溫27 ℃時新風速度應控制在1.0 m/s 左右以縮短室內(nèi)空氣齡，減少飛沫停留時間，降低感染風險。

(3) 采樣周期內(nèi)，3 s 左右采樣者呼吸區(qū)飛沫濃度達到峰值，在8、20 s 時分別降至峰值的41.5%和7.7%。檢測過程中受檢者和采樣者應密切配合、盡快采樣，并將采樣時間間隔控制在20 s 以上，以降低后續(xù)受檢者感染風險。