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《天津大学》 2010年
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自然风速场下微生物气溶胶的室内外扩散与风险研究

刘伟  
【摘要】:随着城市环境问题的日益严重,各种传染性疾病尤其是流感病毒的频繁爆发,高人口密度的建筑群内的环境安全问题也日渐突出。本文在广泛调研国内外相关领域成果的基础上,建立了基于k-εRNG、LES和DPM模型的室外和室内外微生物污染扩散模型,模拟了无风速、平均风速和自然风速等典型条件下的污染物扩散,成果为小区的建筑优化、突发性事故发生时人员的安全撤离途径提供了科学依据。主要成果如下: 1、通过与文献的实验数据对比,发现应用DPM模型(RNG LES和k-εRNG)可以预测气体流动和污染物(粒子)浓度的变化趋势,验证了这两种模型在室内流场、污染物浓度场计算的可靠性,并得到了粒子与墙碰撞情况的最佳假定; 2、利用4阶精度龙格库达法求解普通病毒动力学方程与马流感微分方程组,得到了两种病毒粒子的浓度曲线。依托病毒粒子的生长曲线,分别用k-εRNG、LES和DPM模型在室外模型中进行模拟,得出了致病微生物污染物的扩散规律。发现污染生长曲线与微生物污染区域的浓度有关,风速场与污染区域的范围有关;病毒高浓度的区域集中在源强附近,风的流动可以控制病毒的传播,是控制病毒传播最有效的方式;病毒可以随着流场中的漩涡扩散到远处,漩涡中心的病毒浓度较高,由此可能导致引发危险性较高的二次感染;距离污染源位置越近,污染强度越大;根据风的方向及大小,合理排布建筑物的位置,能够有效的减小病毒的传播; 3、针对DPM模拟的室内外模型,室内粒子通过窗户向外界扩散,改变粒子在室内的初始分布情况,发现病毒源的初始位置对病毒颗粒在室外的传播和扩散几乎没有影响,建筑物受污染的情况和污染区域基本不变; 4、利用FFT改进的谐波合成法拟合出了自然风功率谱和风速场的时程曲线。根据Davenport谱,得到了风速场随时间变化的风速方程,简化了自然风速场随时间变化的模拟过程; 5、通过改变外界风场的情况,分别进行了无风速场、常风速场和自然风速场下的微生物污染物的扩散模拟。无风速场作用下,污染物初始以近圆形区域扩散,对建筑群污染源周围的影响范围小,污染物浓度高;自然风可以携带病毒颗粒远离小区,使下风向地区在更大的范围内受到污染的威胁,但是其污染物浓度较低; 6、建立了利用污染物浓度模拟结果评价污染风险的模型。通过两个浓度判据得到了建筑群中最大危险位置及人所能停留的最大时间和建筑群的滞留能力等重要成果。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X513

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