近期，生态环境部华南环境科学研究所（生态环境部生态环境应急研究所）陈雄波研究团队与中山大学大气科学学院杭建团队在建筑环境领域知名期刊Building and Environment（中科院一区期刊，影响因子：7.4）发表论文“Characteristics of droplet dispersion and interpersonal exposure in indoor and outdoor dining areas of urban street: Elementary numerical investigations”，论文DOI：10.1016/j.buildenv.2024.111605。
呼吸道疾病已被证实可通过空气传播，用餐区是呼吸道疾病传播的高发区域。除了室内餐厅，室外用餐区也随处可见。用餐区是一种特殊的空间，人们通常距离近、未采取任何自身防护措施且停留时间较长（~小时）。半开放式用餐区很受欢迎，原因之一是人们认为室外用餐区的感染风险小，尽管这一观点尚未得到充分证实。本研究通过耦合室内/室外气流，对典型街谷（H/W=1）的室内和室外用餐区的飞沫（气溶胶）扩散和患者面对面顾客的暴露风险进行了CFD模拟。考虑了不同的场景，包括患者位置、桌面隔离板（DIB，HDIB=0.6m或1.2m）和室外半开放式街道遮阳篷（SSR）的设置。结果表明，单侧通风的室内用餐空间的通风性能较差（净逃逸速度NEV~0.036m/s），飞沫（气溶胶）沉积率（TF）是室外用餐空间的10-200倍（NEV~0.407m/s，TF~3-102ppm）。室内桌面隔离板可以将面对面的TF降低50%，但在室外，对于50µm的飞沫（气溶胶），没有桌面隔离板的TF为6.5ppm，设置桌面隔离板以及改变其高度对TF的改变较小（~7.7ppm-8.9ppm），这表明DIB对降低室外空气传播暴露风险的效果有限。此外，室外半开放式街道遮阳篷（SSR）的设置恶化了室内、室外的通风情况达50%及90%，导致室内和室外用餐人员的面对面暴露风险（如TF）分别提高100倍和70倍。研究中考虑了6个日常用餐较为常见的场景，包括室内、室外用餐区，桌面隔离板的设置（包括0.6米和1.2米的隔离板）以及室外遮阳篷的设置，对于飞沫（气溶胶）扩散的影响。文中采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamic，CFD）模拟进行研究，使用的工具为ANSYS Fluent，并在具体的模拟算例研究之前，进行了充分的实验验证，包括①风洞实验数据，验证CFD在模拟街谷风环境的有效性及准确性；②室内环境颗粒物扩散数据，验证了CFD对预测粒子的扩散具有较为可靠的能力。并进行了网格独立性检验，选择合适的网格划分设置及模型设置。
不同场景的街谷风环境显示，街谷中存在一个涡旋，其中部分区域由于物体的设置存在小涡旋。与室外环境相比，室内空气流速小，表现为人体周围由于人体热羽流的作用向上流动，拐角处速度较低。当有桌子隔板时，除了用餐区周围的有限区域外，街谷中风环境与没有桌子隔板的流场类似。但半开放式街道遮阳篷的设置显著改变了涡流的形状，尤其是涡流中心向下游移动，建筑物迎风侧的气流范围被压缩，遮阳篷上方形成一个小漩涡，其下方的用餐区对比其他场景小。文中还利用了空气龄、净逃逸速度（NEV）以及稀释流率（PFR）定量评估用餐区的通风性能。不同场景的风环境差异导致飞沫（气溶胶）扩散形态不同，顾客的暴露风险也不同。研究结果显示，对于室外风速较大的情况，飞沫（气溶胶）从人体呼出后主要跟随街谷涡旋气流，向人的前部及向上扩散；而对于环境风速较小的环境，如室内环境、设置了遮阳篷的室外环境，人体热羽流占主导作用，飞沫（气溶胶）主要在人的周围向上扩散。由于室内、室外的密闭性差异及飞沫（气溶胶）扩散特征，室内的顾客将有更大的暴露风险。桌面隔离板在室内的设置具有较好的效果，可以减少患者对面顾客约50%的暴露风险，而对于室外环境来说，桌面隔板的设置与否以及高度多高，对患者对面顾客的保护效果不佳。
本文对目前研究较为有限的用餐区域开展了飞沫（气溶胶）扩散和人际暴露风险研究，从呼吸道疾病空气传播的角度，对桌面隔板的应用场景提出了建议，同时指出了室外半开放式遮阳篷对呼吸道疾病的传播具有不利影响。本研究可为呼吸道疾病的预防、控制和建筑室内环境污染防治提供参考和建议。此外，研究中使用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）数值模拟，具有广泛应用的可行性。CFD的基本思想是运用离散化的数值方法，对流动基本控制方程组：质量守恒方程、动量守恒方程以及有必要情形下对能量守恒方程、species守恒方程进行求解，用一系列有限离散点上的变量数值解集合代替描述计算域中物理量的连续场。流动控制方程组具有非线性、自变量多、初始条件和边界条件复杂难得等特点，现有的数学方法难以获得方程组的解析解，数值方法主要采用有限差分法对流体偏微分方程进行求解。因此，CFD数值模拟凭借其实用性、灵活性、便捷性等优点广泛应用于航空航天、能源和动力工程、力学、物理和化学、建筑、水利、海洋、大气、环境、灾害预防、冶金等所有涉及流体运动和热交换问题的领域，强调实际应用。CFD模拟的物理场景可以看作是利用计算机进行的物理实验，与传统的物理实验相比，计算机模拟不会受到模型尺寸、场地、流场扰动、环境、经费等因素限制，操作较为灵活。目前，市场上最流行的CFD软件之一是ANSYS Fluent软件，可用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象，采用C语言开发，支持UNIX和Windows多种平台，应用较为广泛，有较强的实用性。它基于有限体积法，博采众长地提供了多种先进的数学和物理模型，可以解决各种不可压缩和压缩流体、层流和湍流等复杂流动问题。
（a）CFD在大气环境模拟的应用（空气质量站点周边）
（b）CFD在建筑群恶臭扩散传输模拟中的应用
（d）CFD在污染物扩散评估中的应用
图7 CFD的应用
共同第一作者 杨霞，研究实习员。主要从事城市通风与污染物扩散研究、大气污染控制研究，自2019年以来在Journal of Hazardous Materials、Building and Environment、Science of the Total Environment、Urban Climate和Building Simulation等业界权威国际期刊发表SCI论文14篇，其中以第一作者发表中科院一区论文6篇。2022年入职华南所以来，将CFD方法应用于四个领域：1）城市空气质量站点周边小尺度风环境和污染物扩散规律研究，揭示建筑布局、地形地势、污染源等客观条件对于国控点数据的影响，支撑环境空气质量站点精细化管控；2）恶臭气体在小区建筑群中的扩散和传输研究，通过数值模拟可视化建筑群内部的污染高值区，剖析投诉区域的内部流场及致臭物质的分布规律，支撑科学应对恶臭投诉事件；3）建筑建成后的风环境影响评价，针对计划施工建筑进行建成后的风环境模拟，评估建筑建成后的影响；4）气溶胶、恶臭气体等污染物在室内环境的分布，为室内空间的通风及气体的精准收集提供依据。
共同第一作者 陈雄波，研究员，中国环境科学学会青年科学家奖金奖、广东特支计划科技创新青年拔尖人才、广东省环境科学学会生态环境青年科技奖金奖、广州市珠江科技新星、华南所优秀青年科技人才获得者。主持国家重点研发专项课题及子课题、国家基金、省基金、省重点研发专项任务等科研任务10余项，发表论文50余篇（SCI收录40余篇），授权发明专利30余项，参与编制国家级、省部级/行业技术标准4项，撰写对策建议3项（其中1项被中办、国办采纳），获省部级科技奖一等奖2项、二等奖2项。
通讯作者 杭建，教授，博士生导师，中山大学大气科学学院副院长，国家自然科学基金优秀青年基金项目获得者、广东特支计划百千万人才工程青年拔尖人才、广东特支计划科技创新领军人才。近10年先后主持国家重点研发专项课题及子课题、国家基金、省基金、省重点研发专项任务等科研任务10余项。在国际知名期刊共发表SCI论文120篇（含ESI高被引论文6篇），第1作者或通讯作者的SCI论文70余篇，SCI引用4100余次，单篇最高引用280余次，H指数39，软件著作权2项，曾获国家教育部自然科学奖二等奖。
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