近年来，持续增长的呼吸道传染性疾病暴发频率和种类引起了人们对公共卫生安全的重点关注[1]。特别是2019年新冠肺炎病毒的暴发，更是加速了流行性疾病在全球范围内的蔓延[2-3]。考虑到多起发生在交通工具上的大规模交叉感染事件以及人员出行对交通工具需求的必要性[4-6]，公共交通系统正面临着呼吸道疾病持续爆发的威胁[7]。许多流行病学和工程研究也表明，携带病毒的飞沫传播和接触传播是许多传染病交叉感染的主要途径[8-9]。随着我国高速列车技术的日益精进，以及流行性公共卫生事件的频繁发生[10]，探索高速列车客室内呼吸道飞沫的传播规律，减少携带病原体飞沫传播的风险，提高客室内空气质量和保障乘客的安全舒适，是当下亟待解决的问题。室内常见的通风方式包括置换通风、混合通风、向下通风以及分层通风。ZHAO等[11]采用欧拉-拉格朗日方法模拟室内通风过程中固体颗粒的去除和沉积，发现对于具有相似特性的颗粒物，置换通风系统在清除粒径小于5 μm的颗粒物方面表现得更为有效，而混合通风系统则更容易导致颗粒物在室内墙壁上的沉积量增多，相对减少了室内空气中的颗粒物平均浓度。QIAN等[6, 12]通过试验方法探讨了3种室内通风方案(混合、向下和置换通风模式)下飞沫的扩散特性，发现与其他2种通风方案相比，置换通风方案导致呼出的飞沫倾向于集中在局部空间。另外，相比于常见的置换通风、混合通风以及向下通风，分层通风在减少呼吸区病原体浓度方面取得了更好的效果，且不会增大能耗和降低原有的室内舒适性[13-14]。鉴于室内常规通风策略的局限性，替代原有通风模式的新方案在近些年开始出现。SCHMELING等[15-16]利用试验和数值模拟相结合的方法研究了飞机室内气溶胶的运动方式，该研究评估了当前不同通风系统在控制气溶胶扩散方面的局限性，提出了现有混合通风模式的替代方案，即地板式客舱置换通风模式。KONG等[17-18]提出了一种交互式串联的通风方式。该方式是通过2排不同高度的出风口输送具有温度差异的新鲜空气直接到人体呼吸区，利用2层射流之间的温度梯度转移浮力通量，提高新风在呼吸区的停留效率，从而使得室内人员咳嗽或者喷嚏行为产生的飞沫悬浮在呼吸区的数量减少50%～67%。目前，针对高速列车客室内飞沫传播的研究较少，更多的是关于客室内的气流组织问题。例如，SCHMELING等[19]采用试验方法量化了人体热释放对列车通风效率和热舒适性参数的影响。为了缩减室内设计优化过程，LI等[20]结合粒子群优化算法对热舒适性、空气质量和能耗等目标参数组合进行了评估。LU等[21]通过正交分解的逆向设计方法来优化客室内的送风参数。然而，客室内送风边界条件的变化对客室流场状态及飞沫运动的影响非常复杂。此外，飞沫传播的控制手段尚不明确，还需要进行系统探索，为应对铁路运行过程中的公共卫生事件提供可行的方案。
1 客室气流飞沫两相流数值模拟方法
1.1 高速列车客室几何模型
研究采用1∶1的全尺寸计算模型，该计算模型的几何形状与CR400BF(样车)动车组中间车厢的内部结构高度相似。计算模型的主要几何参数如图1所示，其中车长为24.80 m，宽为3.16 m，高为2.40 m。目前，污染物在高速列车中的扩散特征主要是基于简化的车体来确定，忽略了风管系统对室内流场和污染物扩散特性的影响。因此，计算模型中还构建了完整的风道系统，目的是高度还原真实的客室流场结构。列车的风道系统由主风道、侧风道、废排风道以及集中回风口组成，在图1中用不同的颜色标记出风道系统各部分的构成。经过空调单元处理的空气首先通过送风管道从2种不同类型的出风口(第1种类型的出风口位于行李架上方，第2种类型的出风口位于座椅下方)流入到客室。随后，部分空气通过回风口进入到空调单元的混合腔，并与外界新鲜空气混合后再次被送入客室。同时，另一部分空气通过废排风道直接排放到外部环境中。另外，需注意当前高速列车送风模式允许对送风量比进行调控，即可以调节顶部主风道出风口与底部侧风道出风口送风量的比值。
1.2 边界条件设置及网格划分方式
总送风口和回风出口设置为体积流量边界，废排出口被定义为压力出口边界。在列车空调系统运行的标准设置中，客室的总送风量为4 800 m3/h，回风出口的风量为3 000 m3/h，其余的风量由废排出口流出[22]。根据列车顶部送风方案，75%的总送风量沿主风道进入客室，25%的总送风量沿分支风道进入客室。假设高速列车在夏季环境中运行，客室的送风温度为18 ℃，相对湿度为50%。此外，为了反映客室内部环境(空气温度约为23～26 ℃)与外界运行环境(空气温度为35 ℃)的热量交换，将客室侧壁设置为热流边界条件，并根据现有的工程实测数据将传热系数设为1.0 W/(m2
在飞沫污染物边界条件方面，将乘客口部看作一个面射流源，人体从口部呼出的飞沫污染物为连续相(空气)和离散相(飞沫)的混合物[26]。人体呼吸道产生的飞沫假设为98.2%的水和1.8%的非挥发性组成的固体化合物。根据现有研究[27-28]，多数呼吸道飞沫的直径约为10 μm。且由于蒸发特性的影响，初始直径≤10 μm的飞沫分散行为表现出高度相似性[25, 29]。因此，与以往的室内研究一致，本文对初始粒径为10 μm的小尺寸飞沫颗粒物进行数值仿真研究。飞沫的初始释放速度为3.9 m/s，对应于正常人体说话行为产生的气流平均速度。室内释放源产生的飞沫颗粒物总数为20 000。此外，飞沫颗粒物与周围空气流之间存在热量和质量传递过程。因此，飞沫从人体释放后立即进行蒸发过程，当其粒径不再变化时，即表明飞沫蒸发过程完成，将以固态颗粒物的形式(飞沫核)继续在客室流场中运动。由于物理表面附着力的作用，飞沫接触到这些表面时会被吸附且不易重新悬浮[30]。因此，乘员表面、座椅和侧壁等表面被定义为吸附边界。另外，将客室的回风出口和排风出口设置为逃逸条件。为了精确模拟飞沫颗粒物的运动轨迹，时间步长设置为0.001 s，所有研究工况的总模拟时间均为60 s。
本文选择了Poly-Hexcore网格进行数值模拟计算，因为这种六面体和多面体共节点的网格技术不仅能够快速生成复杂几何形状的网格，还能灵活调整局部区域的网格分辨率，从而适应各种流体动力学仿真需求[31]。正因为其高效和灵活的特点，Poly-Hexcore网格被广泛应用于室内环境的非定常流场数值仿真研究，包括教室、病房、飞机以及建筑物等多个方面的模拟[32-33]。特别地，为精确模拟风道流场边界层的空气流动特性，数值研究中在风道表面布置了8层棱柱层网格。这些棱柱层网格的法向增长率设定为1.2，确保了壁面棱柱层与六面体网格之间的顺畅过渡，从而有助于捕捉流场的细微变化。此外，还进行了网格无关性验证，如图2所示。在粗、中、细网格3套网格设置中，人体周围网格参考尺寸分别设置为23.4，18.7和15 mm，客室区域的网格参考尺寸设置为62.5，50和40 mm。经计算发现，当网格密度达到中等网格设置条件时，计算结果差异少于1%。因此，后续仿真过程中均采用中等网格进行计算。
1.3 计算模型设置
根据当前研究成果和湍流模型的适应性分析，采用非定常雷诺时均方法(Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes, URANS)和拉格朗日离散相方法(Discrete Phase Model, DPM)来模拟室内气流与飞沫的耦合运动，已被证明是一种有效且计算资源需求较低的方法。基于这一认识，本文的研究过程主要采用了基于URANS和DPM的耦合数值模拟方法。由于客室内的空气速度和压力波动较小，最大局部流速小于0.3 Ma[34]。因此，可将客室内部空间中的流动介质看作为不可压缩状态。此外，本文采用了Realizable 
对于离散相，在求解连续相的室内流场稳定后开始模拟颗粒物运动。颗粒物的运动轨迹是基于拉格朗日框架下求解牛顿第二定律方程来进行评估[32]。为提高客室内气流与飞沫两相流运动的仿真精度，采用了双向耦合算法，即飞沫的运动轨迹受到周围空气流动的影响，同时飞沫的运动也会反作用于其周围的空气流动状态。仿真中，飞沫颗粒物之间相互独立，且由于蒸发效应的影响，其物理参数(如密度和粒径)可能发生变化。采用扩散控制气化模型(diffusion-controlled vaporization model)来计算飞沫蒸发过程，具体的计算方式可以参考文献[36]。
2 方法验证
2.1 连续相验证
为验证客室气流飞沫两相流数值模拟方法对空气相流动的仿真精度，选择在高速列车内流场试验平台开展相关测试。客室流场测试中根据欧洲铁路标准[37]和已有研究基础[35]共布置15个测点进行监控。具体来说是将客室沿x方向分为3个区域，每个区域布置5个测点，区域正中心位置上设置3个测点，测点高度分别为0.1，1.1和1.7 m，而其余位置的测点高度均为1.1 m，测点布置和命名如图3所示。考虑到空气温度和速度是表征乘客舒适性的关键参数。因此，本文的内流场试验中主要对这2个参数进行监测，为后续室内流场的模拟方法奠定基础。与普通室外流场的测试不同，室内空气数据采集要求设备测量范围小且精度高，能够捕捉到微弱流动带来的细节变化。在综合评估试验设备后，本研究的采集设备选用CLIMOMATER 6501，并配备能同时监测室内空气温度和速度变化的6543探针，该探针的温度测试范围为-20～70 ℃，分辨率为0.1 ℃，而速度测试范围为0.01～5.0 m/s，分辨率高达0.01 m/s。该设备目前已在许多室内工程研究中得到应用，并且其精度能满足试验需求[38]。
图4展示了空载状态下客室内流场的试验观测和数值仿真结果，其中误差棒为4轮试验结果的标准差。试验结果表明，所有监测点的数据相对稳定，监测点的数据整体稳定性较高，标准偏差对流场总体趋势影响不大。在室内空气流速方面，由于过道直接受顶部高速气流射流的影响，多数过道监测点的流速高于侧壁区域。室内空气温度方面，靠近侧壁的监测点温度普遍高于过道中心，这一现象反映了外界环境的高温对室内壁面附近空间局部温度的提升作用，并证明了研究客室流场时应充分考虑侧壁传热的作用。数值方法得到的速度分布与试验数据大体一致，大部分测点数据落在误差范围内。而温度预测结果的吻合度更高，相对误差不超过1%。
2.2 离散相验证
对于离散相验证方面，主要是针对飞沫在湍流条件下的动态蒸发过程，并将数值计算结果与已有的文献研究结果[39]进行对比分析，如图5所示。具体来说，选择了2种不同初始粒径(10 μm和100 μm)的飞沫颗粒物进行模拟计算，以探讨在干燥环境(相对湿度0%，环境温度25 ℃，环境风速0 m/s)下飞沫颗粒物的直径变化过程。在仿真模拟中，飞沫颗粒物从人员嘴部以10 m/s的速度被释放。由图5可知，数值计算结果成功预测了不同初始粒径在干燥环境下的蒸发速率，且证明了模型在较高速度的湍流环境中的适用性。
3 结果分析
3.1 客室内流场分布特征
考虑到高速列车客室空间大且跨度长，室内流场可能存在不均匀性等特征，因此，研究中在纵向上选择位置3C、位置9C和位置15C作为释放源所在区域，分别代表客室的前端、中部和后端区域。另外，在横向上选择了位置9C和9D作为释放源区域进行对比，代表客室左右两侧区域(3人座位区域定义为客室左侧，2人座位区域作为客室右侧)，以便全面分析客室不同区域释放的飞沫所出现的运动差异性。图6展示了顶部送风模式下高速列车客室内各个位置区域速度流场的分布特征。由图6可知，客室中部和后端区域的出风口气流速度高于前端区域，这是由送风系统的不均匀性及风道中的动量损失共同导致。尽管如此，客室内不同位置上的气流在横向和垂向上的运动模式仍然显示出相似性，主要表现在大部分气流以上升的方式从室内两侧向车厢中间的车顶汇聚。在此流动过程中，顶部出风口的射流效应对整体气流路径产生了重要影响，导致最终在乘客区域内形成了2个规模较大、方向相反的涡流结构，其中右侧的涡流标记为V1，左侧的涡流标记为V2。
3.2 客室内飞沫传播方式
为研究不同初始释放位置对飞沫运动行为的影响，本节对初始粒径为10 μm的小粒径飞沫扩散行为进行分析。图7对比了各位置释放源产生的小粒径飞沫在运动初期(0～5 s)的扩散轨迹，并且飞沫运动时间通过颜色渲染进行了标示。由于说话行为产生的气流速度较低，各位置释放源产生的小粒径飞沫群在经历了极为短暂的快速前移运动后，将对客室内的通风气流表现出极强的跟随性。对于客室前端区域的释放源3C，由于所处位置接近一位端回风口的主导区域，其产生的飞沫群在运动初期便会受到强烈的纵向气流影响，导致这些小粒径飞沫呈现出直接前向的运动轨迹。相比之下，其他位置产生的飞沫群则更倾向于在释放源周围空间中进行循环运动。客室左侧区域的释放源9C和释放源15C均位于涡流V2的下降侧，因而从这些位置产生的飞沫群会经历先下降、后上升的过程。另一方面，客室右侧区域的释放源9D位于涡流V1的上升侧，其产生的飞沫群在垂向上呈现出直接向上的运动趋势。因此，在相同的运动时间内，客室右侧中间区域释放源产生的飞沫群相比于其他区域的释放源，展现出更大的整体运动高度。此外，结合图6中速度流场分布特征，可以发现小粒径飞沫群的运动轨迹与室内涡流的流动趋势高度相似。主要原因在于，小粒径飞沫的斯托克斯数(代表颗粒惯性作用和扩散作用的比值)远小于1，表明这些粒径飞沫的运动更多地受到周围空气流动的影响。因此，当小粒径飞沫的初始动能和动量被空气阻力耗散后，将在跟随性的作用下紧随室内气流运动。
图8对比了不同位置释放源产生的飞沫在运动后期阶段的扩散行为。经过充分的运动时间后，不同位置产生的飞沫空间分布表现出显著的差异性。由于初始释放位置和回风方式的共同影响，客室前端区域释放的飞沫主要在一位端部聚集，并有相当一部分数量的飞沫被引导入隔间上方的空调机组。与此同时，客室中部区域释放的飞沫表现出较为广泛的扩散模式，且在空间上的分布更为均匀。客室后端区域产生的飞沫由于距离客室一位端部较远，受到回风气流效应的影响减小，导致其扩散范围相比前端和中部区域明显减少。以上结果表明，初始释放位置和客室通风气流动态的耦合作用对飞沫传播过程具有决定性影响。
为深入评估客室内不同初始位置对小粒径飞沫运动特性的影响，研究量化了飞沫群在纵向上的传输距离及其随时间的变化情况，如图9所示。为方便比较分析，所有释放源的初始位置在图中均被标准化至(0, 0)点。客室前端位置释放源3C产生的飞沫群在30 s后的纵向平均传输距离趋向稳定，表明前端区域释放的飞沫群较早达到了传播平衡状态。而客室后端位置释放源15C产生的飞沫群，由于所处区域气流的纵向速度分布较小且横截面上涡流强度较大，显示出最低的纵向传输速率和运动距离。客室中部区域释放源产生的飞沫群，在前向扩散过程中受到端部回风效应的逐渐增强影响，导致其传输速率和运动距离均超过了前端和后端区域的飞沫。另外，由于客室左右两侧释放源与横截面上涡流的相对位置存在差异，客室右侧释放源产生的飞沫传输距离超过客室左侧释放源。与释放源9D相比，释放源3C、9C和15C产生的飞沫纵向平均传输距离分别减少了44.9%、15.8%和74.3%。总结上述量化数据可知，释放源的不同位置会对其产生的小粒径飞沫纵向传输特性造成明显影响，且客室右侧中部区域位置产生的飞沫传播能力更强。
3.3 飞沫传播控制策略
虽然释放源的初始状态影响飞沫的早期运动模式和空间聚集特征，但随着扩散时间的延长，飞沫的初始动量会逐步消散，且蒸发效应减弱了重力作用，使得客室内的通风气流成为主导飞沫长期行为的主要因素。因此，本节将顶部出风口与侧壁出风口的送风量比例由3∶1(顶部送风模式)调整为1∶3(底部送风模式)，目的是通过改变送风模式来对飞沫的运动轨迹进行有效的流动控制。
图10展示了不同送风模式条件下客室内空气和速度分布以及运动趋势。当客室内采用顶部送风模式，75%的送风量从车顶出风口进入到客室，形成强烈的射流对流现象。这种送风方式还导致室内出现了双涡对称反向流动模式，并对飞沫扩散行为起到关键作用。当室内送风模式调整为底部送风方式，75%的送风量通过侧壁的斜向下出风口进入到客室，使得室内空气速度相比顶部送风模式显著降低，从而形成更复杂和混乱的涡流结构。特别是在中间过道区域，原本左右对称的涡流结构在垂直空间内形成了不同形式的涡旋结构：规模较大的涡流V3位于过道上方，规模较小的涡流V4贴近客室地板。此外，在底部送风条件下，多个区域的垂向空气由顶部送风条件中的上升趋势转变为下降趋势。
根据上一节计算内容，从客室中间区域释放的飞沫具有更为广泛的扩散范围。因此，本节着重分析送风模式变化对释放源9D的控制效果。如图11(a)所示，在顶部送风环境中，尽管靠近释放源的区域存在较高的飞沫数量浓度(该区域内的飞沫数量与总释放数量的比例)，特别是在第8排D列座位区域出现最高峰值(达到释放总量的8.9%)，但远离释放源的区域也观察到相当数量的飞沫。这种分布模式与顶部送风系统引起的射流对流特征直接相关，进而促使飞沫在整个客室范围内广泛扩散。如图11(b)所示，在底部送风模式下，客室内飞沫数量浓度的分布呈现出更加显著的局部集中趋势，释放源所在区域的飞沫数量浓度从7.6%增加到27.0%。这说明底部送风模式下飞沫更倾向于在较小范围内聚集。同时，与顶部送风环境相比，底部送风环境下客室前7排区域的飞沫数量密度减少了57.4%。此外，结合图10，能进一步推断出空气垂向流动趋势的改变是限制飞沫扩散的根本原因。因此，底部送风环境下的气流分布模式能够有效地限制客室内飞沫的远距离传播。
飞沫从乘客呼吸道释放后，将跟随客室内的通风气流进行移动和扩散，最终可能导致出现3种不同的分布状态：一部分飞沫颗粒物可能在空气中长时间悬浮，即在模拟时间内仍旧保持在客室内空气计算域中，对乘员形成潜在的吸入风险；另一部分飞沫可能被客室的回风口或废排风口等通风设施有效排出，从而离开客室的计算域；而剩余的飞沫则可能沉降在座椅、行李架及乘员等物理表面上。图12展示了不同送风环境下各粒径飞沫处于悬浮、逃逸和沉积状态的数量占释放总量的百分比。在底部送风条件下，飞沫群倾向于在过道区域运动，但由于涡流V3和V4产生的横向气动力较弱，飞沫难以移动到客室另一侧。因此，相比于顶部送风条件，底部送风条件中乘员表面的飞沫聚集量出现了不同程度的下降。计算结果具体表现为：小粒径飞沫聚集在乘员表面的数量比例从15.3%下降到10.1%。同时，还可以观察到底部送风环境中飞沫群从客室回风口或排风口离开的数量比例明显增加。这是因为在底部送风环境下，小粒径飞沫扩散中期时的横向区域主要是位于客室中间过道区域，与两侧座椅的相互作用减少，从而使更多飞沫通过回风口或排风口直接离开客室。整体来说，底部送风模式有助于限制飞沫的运动范围，并降低多数乘员表面飞沫的累积量。
4 结论
1) 小粒径飞沫的斯托克斯数远小于1，表明其运动更多地受到周围空气流动的影响。因此，当小粒径飞沫的初始动能和动量被空气阻力耗散后，将在跟随性的作用下紧随室内气流运动。
2) 客室前端和中部区域产生的飞沫以长距离输运为主，但后端区域产生的飞沫则趋向于在释放源附近进行循环运动。此外，客室右侧中间区域释放的小粒径飞沫群扩散范围相对更大，1 min内的平均纵向运动距离接近半个车厢长度，而客室前后区域释放的小粒径飞沫群纵向平均传输距离分别下降了44.9%和74.3%。
3) 客室内气流运动模式的调整对飞沫运动轨迹产生显著影响。侧壁出风口风量增加减弱了室内垂向气流的速度分布，进而缓解了飞沫在初期阶段的上升运动。当释放源位于客室中部区域(该区域释放的飞沫扩散范围相对更广)时，通过将顶部和侧壁出风口的风量比由3∶1调整为1∶3，可使得客室内飞沫的分布呈现出高度的局部聚集现象，从而实现乘员表面小粒径飞沫的累积量下降34.0%。
在本研究中，没有考虑开关车门以及开门时间对飞沫扩散过程的影响，该因素可能会使得客室流场结构以及飞沫运动特性发生变化，需进一步研究。另外，更优的通风方式可作为后续的研究方向。
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