研究背景与目的
该研究由西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院的Xuan Zhang、Angui Li（通讯作者）、Yuanqing Ma、Haiguo Yin、Meiou Liu和Shusen Chen共同完成，并于2025年在线发表于国际期刊《Building and Environment》。研究聚焦于高原低氧环境对人体睡眠质量的严重影响这一现实问题。非本地人员在急进高原后，常因低压低氧导致恶心、头痛、失眠及周期性呼吸等睡眠障碍，严重影响其身心健康和日间工作效能。现有的供氧方法，如鼻管吸氧 (Nasal Inhalation) 虽然直接，但会限制活动并引起鼻粘膜不适；而传统的弥散供氧 (Diffuse Oxygen Supply) 方式，无论是全空间弥散供氧 (Full-space Diffuse Oxygen Supply, FDOS) 还是局部弥散供氧 (Local Diffuse Oxygen Supply, LDOS)，均存在效率低下、氧浓度分布不均或舒适性差等问题。针对这一困境，本研究旨在提出一种高效、舒适且能精准调控的高海拔睡眠供氧新方法。研究团队受自适应贴附通风 (Adaptive Attachment Ventilation) 技术的启发，利用康达效应 (Coanda Effect)，研发了一种高效壁面贴附供氧装置 (Wall Attachment Oxygen Supply Device, WAOS-D)。本研究的主要目的为：一是揭示该装置射流的流场特性和流动规律；二是通过与FDOS和LDOS方法的对比，系统评估其氧气富集效果，为高原睡眠环境的改善提供科学依据和设计指导。
研究工作流程
本研究的工作流程主要包含三个递进的阶段：通过实验与数值模拟揭示WAOS射流的流场特性、建立该射流中心线速度与浓度衰减的半经验公式、以及对不同供氧方式的氧气富集效果进行对比评价。
第一阶段：WAOS射流流场特性与实验验证。 研究首先建立了一个理论模型，将WAOS-D产生的射流流场划分为三个特征区域：垂直贴附区 (Vertical Attachment Region, Region I)、冲击转向区 (Impinging Region, Region II) 和自由射流区 (Free Jet Region, Region III)。为探究实际流动规律，团队在西安搭建了一个尺寸为2.0 m × 1.5 m × 2.3 m的试验舱，内部安装了包含制氧机、静压箱、风机和WAOS-D的实验台。WAOS-D的狭缝送风口长0.1 m，宽0.005 m，导流板宽0.05 m。实验在等温条件下进行，通过SWA 03型微风速仪、TSI 9535-A风速仪和HGA600型气体分析仪，对射流中心轴面（z = 1.0 m平面）上六个不同水平距离测量线上的风速和氧气浓度进行了高精度采集。 在实验基础上，团队使用ICEM软件建立了同尺寸的物理模型，并采用结构化网格进行离散，通过网格无关性验证确定了约113万的网格数量。在湍流模型的选择上，研究对比了RNG k-ε、Realizable k-ε、SST k-ω和Standard k-ω共四种模型，结果显示RNG k-ε模型对中心线速度和浓度的预测值与实验结果最为吻合，最大绝对百分比误差分别为9.26%和2.95%，因此被选为后续模拟工具。利用该模型，在等温条件下设计了氧气入口速度（0.8 m/s至2.0 m/s）和入口浓度（30 %vol至50 %vol）组合的35种工况，对射流流场进行了全面的数值模拟。
第二阶段：建立速度与浓度衰减的半经验公式。 基于实验和数值模拟获得的大量数据，研究团队对三个不同区域的射流特性进行了定量分析。在Region I和II，研究发现导流板末端的速度 (us) 和氧气浓度差 (Δcs) 分别与入口速度 (u0) 和入口浓度差 (Δc0) 呈显著的线性关系，并拟合出了一次函数公式，相关系数R²均大于等于0.99。在Region III，即自由射流区域，研究发现了高度的自相似性。通过对数据的归一化处理，将无量纲中心线速度 (um,x’/us) 和无量纲中心线浓度差 (Δcm,x’/Δcs) 与无量纲距离 (x’/l0) 关联起来。结果表明，两者均随距离增加而单调递减，特别是在x’/l0 = 0–5的范围内衰减迅速，随后进入平稳衰减阶段。研究据此成功拟合了该区域中心线速度和浓度衰减的半经验公式。同时，研究还揭示了射流轨迹因重力与浮力不平衡而向下弯曲的规律，并基于浓度差射流理论模型，引入了阿基米德数 (Ar)，拟合得到了射流运动轨迹的解析表达式，以预测不同工况下的射流弯曲程度。
第三阶段：三种供氧方式氧气富集效果的对比评价。 为验证WAOS-D的优越性，研究建立了包含热模型人、床位及呼吸模拟的三维单人睡眠空间物理模型。模拟地点设定为拉萨（海拔3650米），环境气压65.8千帕。通过用户自定义函数 (UDF) 编程，实现了以6 L/min肺通气量、10次/分钟频率的正弦呼吸模式。研究将WAOS-D与FDOS和LDOS进行了同等氧流量（10 L/min）下的对比。根据前序公式反推，WAOS-D的入口参数设定为速度1.15 m/s，浓度42 %vol。作为评价基础，研究首先定义了睡眠状态下的呼吸区 (Breathing Zone, BZ)，为一个450 × 150 × 280 mm的扇形区域，并确定了仰卧位时鼻尖点为最佳呼吸点 (Optimal Breathing Point)。评价体系涵盖了平均氧浓度、速度、不均匀系数 (Inhomogeneity Coefficient) 和氧气上升率 (Oxygen Rise Rate) 四个关键指标。
主要研究结果与讨论
(1) WAOS射流的基本流动规律。 研究结果清晰地揭示了WAOS射流三个区域的流动规律。在垂直贴附和冲击转向区（Region I & II），射流速度与浓度衰减主要由壁面摩擦和冲击导流板造成。数据表明，入口速度u0与导流板末端速度us之间，以及入口浓度差Δc0与导流板末端浓度差Δcs之间，均存在稳定的线性关系。这一发现为工程应用中根据末端需求反推入口参数提供了简便计算方法。在自由射流区（Region III），模拟与实验数据高度吻合，共同证实了该区域内速度场和浓度场的自相似性。无量纲速度um,x’/us的衰减曲线显示，其在x’/l0大于5后趋于平缓，这与圆形等温自由射流在主段的衰减趋势相似，但由于WAOS射流在离板时已充分发展，缺乏初始段，其速度衰减更快，作用范围更短。拟合得到的速度衰减半经验公式（公式3）相关系数R²≥0.98，浓度衰减公式（公式6）R²≥0.99。这些公式是WAOS-D设计的关键依据，可直接用于预测不同海拔、不同卧姿下射流到达呼吸区的速度和浓度。对于射流轨迹，研究发现入口速度越低或入口浓度越高（即密度差越大），射流因阿基米德数增大而向下弯曲越明显。这一轨迹公式能有效指导装置的安装高度和角度，以确保氧流精准覆盖呼吸区。
(2) WAOS-D在氧气富集效果上的显著优势。 对比实验的结果直观展示了WAOS-D的高效性。在供氧1小时后，三种方式在最佳呼吸点的氧浓度分别为：WAOS-D 25.6 %vol，FDOS 22.7 %vol，LDOS 22.0 %vol。WAOS-D的氧气上升率分别是FDOS和LDOS的2.7倍和4.6倍。具体分析如下： * FDOS：其氧浓度场虽然均匀（不均匀系数接近零），但上升缓慢，1小时内未能达到23.4 %vol的设计要求。这是因为其原理是稀释整个空间，效率最低。 * LDOS：该方法在枕区附近形成了过高浓度区域（测量点高达34.7 %vol），超出了26.3 %vol的安全上限，有火灾和健康隐患。然而，在最佳呼吸点的氧浓度却提升有限，导致其不均匀系数最高，存在明显的局部浓度过高而实际吸入浓度不足的矛盾。 * WAOS-D：该方法能在1分钟内迅速将呼吸区三点氧浓度提升至约25 %vol，并稳定维持在23.4%至26.3%的理想范围内，既满足了供氧需求，又保证了安全性。其不均匀系数几乎为零，表明其营造的氧环境非常均匀。尽管其气流速度高于其他两种方法，但在呼吸区内25个测点均未超过0.2 m/s，避免了睡眠状态下的吹风感 (Draft Sensation)，证明了其舒适性。
结论与价值
本研究成功研发并验证了一种基于康达效应的高效壁面贴附供氧装置（WAOS-D），为改善高海拔人群的睡眠质量提供了创新解决方案。其科学价值在于，系统揭示了狭缝贴附氧气射流在复杂边界条件下的三区流动机制，并首次建立了中心线无量纲速度、浓度衰减及射流轨迹的半经验公式。这些理论公式阐明了WAOS-D射流流动的物理本质和自相似规律，为不同工况（如不同海拔高度、不同房间尺寸、不同人体睡姿）下的精准设计提供了清晰、量化的指导准则，填补了弥散供氧射流流场特性研究的空白。其应用价值在于，通过与传统供氧方式的直接对比，证实了WAOS-D在供氧效率、富集均匀性和安全性上的巨大优势。它能以更低的氧流量快速、精准地在人体呼吸区构建一个符合人体工程学和生理需求的舒适氧环境，从根本上克服了传统方法效率低、分布不均、活动受限或引发不适等弊端。该装置安装简便，非常适用于高原地区的宿舍、酒店和会议室等场所，对保障非本地人员的身心健康、提高工作效率具有重要的现实意义。
研究亮点
本研究的亮点主要体现在三个方面： 1. 装置创新与流场量化：创新性地将自适应贴附通风原理应用于氧气供应，提出了WAOS-D，并首次将包含导流板的复杂射流路径明晰地划分为三个特性区域，实现了对各区域速度场、浓度场及轨迹的量化描述与公式化。 2. 完整的设计方法论：研究不仅提出了装置本身，更重要的是提供了一套从“末端目标（呼吸区浓度）→ 自由射流区参数 → 导流板末端参数 → 入口参数”的完整反向设计路径，所得半经验公式可直接服务于工程设计。 3. 评价体系的科学性：研究建立了包含呼吸区定义、人体热模型、透明呼吸模拟及多指标（浓度、均匀性、上升速率、风速舒适性）的综合评价体系，相较于以往单纯关注浓度的研究，其结论更全面、可靠，为后续睡眠微环境的研究提供了标准范式。