Фронтальный воздухозаборник может улучшить естественную вентиляцию в городских автобусах

Mar 18, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21256 (2022) Цитировать эту статью

786 Доступов

1 Цитаты

16 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом отчете мы анализируем поток воздуха через открытые окна (естественная вентиляция) модели городского автобуса и последующее рассеивание аэрозолей, выбрасываемых в зону для пассажиров. Эти методы включают в себя вычислительное моделирование гидродинамики и три способа характеристики рассеяния пассивных индикаторов: непрерывную модель, основанную на концентрации, дискретную случайную модель и параметрический скаляр, основанный на так называемом среднем возрасте воздуха. Мы также провели эксперименты с использованием модели автобуса в масштабе 1:10 и \(\text{CO}_{2}\) в качестве пассивного индикатора для оценки характеристик вентиляции. Мы обнаружили, что в стандартной конструкции автобуса, оснащенного боковыми окнами, рассеивание и выброс аэрозолей происходит за счет отрицательного давления. Кроме того, средний возраст воздуха составляет 6 минут, а воздушный поток способствует скоплению аэрозолей спереди (зона водителя). Для ускорения выброса аэрозолей и уменьшения их накопления в салоне предложен прототип кузова автобуса с фронтальным воздухозаборником. Все численные модели и эксперименты, проведенные в этой работе, пришли к выводу, что выброс аэрозолей в этой новой конфигурации значительно увеличивается, а средний возраст воздуха снижается до 50 секунд. Средний расход воздуха также меняется при наличии фронтальных воздухозаборников и, как следствие, выброс аэрозолей теперь осуществляется за счет фронтального поля скоростей.

Пандемия Covid-19 побудила различные исследовательские группы по всему миру активизировать исследование загрязнителей воздуха. Хотя для того, чтобы сделать определенные выводы, еще предстоит дождаться более строгих и контролируемых экспериментов1,2, возросшее количество доказательств и клинических случаев подчеркнуло важность, которую имеет поток воздуха в передаче и времени пребывания капель, содержащих вирион, во время распространения вируса. пандемия3,4,5,6, особенно в местах с низким уровнем безопасности, таких как закрытые, многолюдные или плохо вентилируемые помещения1,7 (случаи передачи в общественном транспорте см. Ссылки 3,8, также см. Ссылку 9 для эксперимента по передаче аэрозоля). с использованием моделей животных). Поэтому был дан общий призыв по возможности передвигаться или предпочитать занятия на свежем воздухе10,11, а также регулярно применять другие меры безопасности, такие как частое проветривание12, ношение масок или практика физического дистанцирования. Цель этого отчета — предложить общие рекомендации и новые конструкции для улучшения вентиляции и скорости выброса аэрозолей, выделяемых внутри городских автобусов; в частности, эти рекомендации могут помочь в чрезвычайных ситуациях, подобных той, с которой мы недавно столкнулись.

Исследования турбулентных потоков внутри городских автобусов, а также распространения видов по воздуху, вызванных такими потоками, уже были проведены несколькими исследовательскими группами с использованием компьютерного гидродинамического моделирования (CFD). В первой группе статей мы можем найти те, которые рассматривают турбулентные потоки внутри автобуса, создаваемые системой кондиционирования воздуха8,13,14,15. В этой ситуации положение входов и выходов воздуха, а также количество рециркулируемого воздуха или количество свежего воздуха, добавляемого в смесь, можно рассматривать как расчетные переменные для тестирования различных режимов вентиляции и улучшения удаления внутренних аэрозолей. С другой стороны, вторая серия исследований моделировала внутрисалонные турбулентные потоки, образующиеся за счет наружного воздуха, проходящего через открытые окна автобуса или при отсутствии системы кондиционирования, как это происходит во многих странах Латинской Америки, Азии и Азии. африканские страны; эти статьи8,16,17,18,19 соответствуют основной теме настоящего отчета. Прежде всего, большинство этих исследований выявили характерный поток внутри городских автобусов, который может быть неочевиден на первый взгляд: вопреки тому, что мы могли ожидать, когда автобус движется с определенной скоростью и имеет фиксированное количество открытых окон, Наружный воздух поступает через задние окна, а затем движется вперед, в среднем выталкивая или выметая аэрозоли сзади вперед. Этот противоречивый поток происходит потому, что давление в передних окнах ниже по сравнению со значениями сзади, что вызывает поток, обусловленный давлением. Еще одним важным наблюдением, сделанным в ходе этих исследований, является тот факт, что неудивительно, что удаление частиц из помещений ускоряется, когда окна автобуса открыты8. В частности, Ли и его коллеги16 изучили характеристики потока и сопротивление загрязняющих веществ, образующихся при различном расположении открытых окон; Важно отметить, что они отметили, что открытие окна водителя вместе с окнами, расположенными в середине автобуса, может привести к наблюдаемому «эффекту накачки», который, как уже упоминалось, переносит воздух назад вперед. Статьи Ли, а также другие работы16,20,21 были сосредоточены главным образом на переносе загрязняющих веществ, образующихся снаружи автобуса, таких как выхлопные газы двигателя, которые затем могут проникнуть внутрь автобуса, или на распределении температуры внутри автобуса, образующейся полем потока и его влиянием на уровень теплового комфорта17,19. Только Чжан и др.8 подробно рассмотрели проблему аэрозолей, испускаемых и переносимых внутри автобуса, но без последующего выброса наружу (также обратитесь к работе Месгарпура22 о распространении капель внутри закрытого автобуса). Следовательно, необходимо провести новое исследование транспорта и выброса аэрозолей, происходящих через открытые окна городского автобуса, путем одновременного решения внешних и внутренних потоков.