本文档的作者是Liu Qi、Xie Chengli、Li Weiguang、Liu Wenchuan、Long Xinping，分别来自中国舰船研究设计中心、煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室/重庆大学资源与安全学院、武汉大学水射流理论与新技术湖北省重点实验室。该研究发表于 Chinese Journal of Ship Research 2021年第16卷第3期。
本研究的学术背景属于船舶工程、暖通空调（HVAC）与计算流体动力学（CFD）交叉领域，具体聚焦于室内空气质量和感染控制。研究的直接动因是新冠肺炎疫情中发生的“钻石公主号”邮轮感染事件，该事件凸显了船舶密闭舱室环境中空气传播交叉感染的风险。船舶舱室作为一个相对封闭的空间，其空气质量受污染源、颗粒物、温湿度等多种因素影响。为了控制传染病，隔离舱室需要设计负压系统，以防止被病毒污染的空气侵入周围的清洁空间。虽然美国疾控中心（CDC）和中国的《传染病医院建筑设计规范》等标准为负压设计提供了参考值（如0.25 Pa至大于5 Pa不等），但这些标准多基于静态参数，缺乏对诸如开门过程等动态扰动的评估。实际中，门的开关、人员走动等动作会诱发瞬态气流，显著影响污染物的扩散分布。因此，本研究旨在通过先进的数值模拟方法，动态研究不同负压条件下隔离舱室开门过程中污染物的扩散规律，以期为船舶隔离舱室负压系统的精细化、安全性设计提供科学依据。本研究的目标是：利用大涡模拟（Large Eddy Simulation， LES）方法，结合示踪气体组分输运方程，对不同压差条件下舱门动态开启过程中的流场特性和污染物（以CO₂作为示踪气体）扩散过程进行数值模拟，定量比较污染物扩散特征，从而为负压设计提供动态评估参考。
详细的研究工作流程如下：
本研究主要包括四个核心步骤：1）建立三维物理与数学模型；2）进行网格分辨率与时间步长的敏感性分析以确保模拟可靠性；3）设定不同压差工况并执行大涡模拟计算；4）对模拟结果进行分析比较。
第一步：建立三维物理与数学模型。 研究首先构建了一个包含隔离病房（长4m、宽3.9m、高2.6m）和缓冲间（长2.9m、宽3.9m、高2.6m）的1:1全尺度三维模型，两室之间设有一扇宽0.9m、高2.0m的门。初始时刻门处于关闭状态，隔离病房内压力设为p1，缓冲间压力设为p2，两者压差δp = p1-p2为负值（文中取绝对值进行描述）。模拟开始时，舱门以恒定的角速度ω = π/2 rad/s向缓冲间一侧开启，在t=1秒时达到完全开启的90度位置并保持静止。数学模型方面，研究将开门过程中压差作用下的污染物输运与扩散视为不可压缩流动，并忽略温度与重力的影响。控制方程采用滤波后的LES方程，其中亚网格尺度应力（SGS）项使用Smagorinsky-Lilly涡粘模型进行封闭，Smagorinsky常数Cs取0.1。污染物模拟方面，将污染气体视为连续介质，并使用CO₂作为示踪气体。初始时刻（t=0s），隔离病房内均匀分布浓度为1.18 mg/m³的CO₂，缓冲间内则为洁净空气（CO₂浓度为零）。污染物的运动由组分输运模型描述。所有壁面设置为无滑移边界条件，初始时刻在隔离病房和缓冲间分别施加对应不同工况的压差。在每个时间步的迭代中，所有变量的残差收敛标准均设定为小于10⁻⁵。
第二步：进行网格与时间步长的敏感性分析。 由于LES的模拟精度受空间离散尺度（网格）和时间离散尺度（时间步长）影响显著，且更精细的离散会极大增加计算成本，因此需要进行敏感性分析以在精度和效率间取得平衡。研究以压差δp=2.5 Pa的工况为例，首先比较了三种不同密度的网格（网格1：约148.66万；网格2：约341.9万；网格3：约570.92万）。通过对比不同时刻门框中心线上的速度分布发现，网格2与网格3的预测结果较为一致，而与网格1的结果有显著差异。研究定义了“污染物总扩散量M”作为核心评估指标，即缓冲间内所有离散网格单元的污染物浓度与体积乘积之和。通过对比三种网格下M随时间的变化历程，进一步确认了网格2与网格3的结果吻合良好。因此，选用网格2的密度在保证精度的前提下更为经济。随后，基于网格2，研究了时间步长的影响。依据CFL准则初步确定了基准时间步长δt=0.005秒，并对比了δt=0.01秒和δt=0.0025秒的模拟结果。通过对比不同时刻门框中心线上的速度分布和污染物总扩散量M随时间的变化发现，δt=0.01秒的计算结果存在明显偏差，而δt=0.005秒和δt=0.0025秒的预测结果非常接近。最终，研究确定采用网格2（约341.9万网格）和时间步长δt=0.005秒作为后续所有工况模拟的参数设置，以确保LES模拟结果的可靠性与计算的经济性。
第三步：设定不同压差工况并执行模拟计算。 在验证了数值方法的可靠性后，研究设定了四种不同的负压工况进行模拟分析：δp = 0.25 Pa（接近CDC最低要求）、2.5 Pa（文献推荐值）、5.0 Pa和10.0 Pa（高于中国规范要求）。对所有工况，均模拟了开门后0-5秒内的污染物扩散规律。在计算过程中，在门开口处设置了四个不同高度的监测点（距地面0.25m、0.5m、1.5m、1.75m），以监测流速随时间的变化。模拟的核心是捕捉在不同压差与门开启诱导流的共同作用下，流场的瞬态特性以及污染物从隔离病房向缓冲间扩散的动态过程。
第四步：数据与结果分析流程。 分析工作主要围绕两方面展开：流场特征和污染物扩散规律。对于流场，主要分析不同压差下各监测点的速度随时间的变化曲线，特别关注速度峰值的大小和出现的时间。对于污染物扩散，首先通过三维浓度云图和特定高度（z=1m）的俯视图，直观地对比不同压差下污染物云团的形态、扩散范围及随时间的变化。更重要的是，定量分析“污染物总扩散量M”随时间的变化曲线，提取并比较不同工况下M的峰值大小、达到峰值的时间、以及M衰减到零所需的时间。通过将这些结果与流场特征相关联，解释不同压差如何通过影响气流运动进而影响污染物的扩散与回吸过程。
本研究获得的主要结果如下：
1. 网格与时间步长敏感性分析结果： 以δp=2.5 Pa工况为例，对比发现网格2和网格3的速度分布及污染物总扩散量M曲线高度一致，而网格1的结果差异较大，说明网格1的精度不足。在时间步长分析中，δt=0.01秒的M曲线与更小步长的结果偏差显著，而δt=0.005秒和δt=0.0025秒的结果吻合良好。这表明，所选用的网格2和δt=0.005秒的参数组合能够可靠地捕捉开门诱导流的瞬态特征和污染物扩散过程，为后续不同压差工况的比较奠定了可信的基础。
2. 压差对流场特性的影响结果： 四种监测点的速度变化规律呈现出一致的趋势，但具体特征因压差而异。在δp=0.25 Pa时，门开启过程中速度缓慢增加，在门停止运动（t=1s）后迅速下降至最小值，随后缓慢恢复并趋于稳定。在δp=2.5 Pa时，速度在0-1秒内逐渐下降，之后开始上升并趋于稳定。在δp=5.0和10.0 Pa时，速度在0-0.5秒内即达到最小值，随后快速上升。一个关键发现是，在δp=2.5、5.0和10.0 Pa的工况下，四个监测点均出现了明显的速度峰值。其中，δp=10.0 Pa时的峰值最大，且峰值出现在t≈1秒附近（门刚停止时）。随着压差的减小（从10.0 Pa降至2.5 Pa），速度峰值也相应减小，并且峰值出现的时间明显延后。这清晰地表明，在门开启诱导流与不同室内外压差的协同作用下，流体表现出截然不同的运动规律。较大的压差会导致更强烈的气流交换，并产生更大的瞬时速度峰值，且峰值出现得更早。
3. 压差对污染物扩散的影响结果： 污染物扩散的三维云图直观地展示了差异。在δp=0.25 Pa时，开门诱导出的污染物云团范围较大，并逐渐向舱门外移动，即使到t=4.0秒，仍有部分污染物停留在舱门前方区域，存在滞留在隔离病房外的风险。当δp=2.5 Pa时，污染物在舱外的分布范围显著缩小。当δp=5.0和10.0 Pa时，被门诱导出的污染物体积明显减少，向舱外扩散的范围也得到了有效控制。模拟结果很好地捕捉到了与文献[16]中实验观察到的开门诱导流相似的典型扩散特征。
更定量的分析来自污染物总扩散量M随时间的变化曲线（图17）。在δp=0.25 Pa时，M在t=3.3秒才达到最大值，随后缓慢减少，到t=5秒时，仍保持在较高水平。在δp=2.5 Pa时，M的峰值在t=1.1秒达到，峰值较0.25 Pa工况显著降低，但到t=5秒时，缓冲间内仍存留少量污染气体。在δp=5.0和10.0 Pa时，M在t=1秒内即达到峰值，且峰值远低于前两种工况。更重要的是，在δp=5.0 Pa时，M在t=2秒时已降至0；在δp=10.0 Pa时，M在t=2秒时降至0。这意味着在较高的负压作用下，扩散到缓冲间的污染物能更快地被“吸回”隔离病房。
研究的结论如下：
本研究通过大涡模拟方法，系统研究了船舶隔离舱室门开启过程中污染物扩散规律，并得出以下核心结论：
本研究的意义与价值体现在： 科学价值： 本研究将动态的、瞬态的门开启过程纳入隔离病房负压系统性能评估中，超越了传统基于静态参数的设计标准。它揭示了压差与动态扰动耦合作用下流体运动与污染物扩散的复杂机制，为理解此类瞬态交叉污染过程提供了细致的CFD视角和数据支持。 应用价值： 研究结论为船舶隔离舱室乃至陆上传染病隔离病房的负压系统设计提供了重要的量化参考。研究结果表明，仅仅满足最低压差要求（如0.25 Pa）可能不足以应对开门等动态事件带来的污染风险。为了更有效地控制污染物扩散，应将负压值设定在更高的水平（如5 Pa或以上）。这为相关规范和标准的修订或细化提供了基于数值模拟的证据支持。
本研究的亮点包括： 1. 研究对象的特殊性与现实意义： 紧密结合“钻石公主号”疫情事件，针对船舶这一特殊密闭环境的隔离舱室进行全尺度研究，具有明确的工程应用背景和公共卫生意义。 2. 研究方法的先进性与严谨性： 采用了能更好捕捉瞬态、非定常流动特征的大涡模拟（LES） 方法，而非传统的RANS方法。并进行了细致的网格与时间步长无关性验证，确保了模拟结果的可靠性。 3. 研究视角的动态性与精细化： 聚焦于“门动态开启”这一关键但常被简化的扰动事件，实现了对污染扩散全动态过程的模拟，评估指标（污染物总扩散量M）定量且直观。 4. 结论的明确性与指导性： 通过对比不同压差下的模拟结果，明确给出了提高负压值在降低扩散峰值和加速污染物回吸两方面的积极作用，为工程设计提供了清晰的优化方向。
其他有价值的内容： 研究还展示了数值模拟方法（CFD）在解决此类涉及动态扰动、复杂流动的工程问题上的优势，相较于实验研究，具有成本低、周期短、灵活性高的特点。此外，研究中将CO₂作为示踪气体的处理方法，以及定义的“污染物总扩散量”这一评估指标，也为类似的研究提供了可借鉴的技术路线。