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第一作者：吕立鹏 博士生
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136305
• 捕捉典型室内环境涉及的颗粒物动力学过程中非球形颗粒物的动力学行为。
• 发现室内环境涉及的颗粒物动力学过程中，颗粒物形状可导致巨大的动力学差异。
• 以上室内颗粒物动力学差异在穿透过程达到1000%，在壁面沉积过程达到70%。
• 解释了形状控制的颗粒物布朗扩散、湍泳等机制对颗粒物宏观动力学行为的影响。
颗粒物形状对于其动力学行为有非常重要的影响。超过80%的大气气溶胶是非球形颗粒物，同时，研究显示一些非球形颗粒物包括微塑料、石棉纤维、煤烟颗粒等具有更强的生理毒性，所以非球形颗粒物的动力学行为值得重点关注。此外，人有超过80%的时间停留在室内，对于室内环境中非球形颗粒物动力学行为的关注也格外有意义。因此，本文比较了典型室内环境下颗粒物动力学过程中球形颗粒物和非球形颗粒物的动力学差异，发展了依赖于颗粒物形状的颗粒物动力学研究框架，基于欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法对于不同情况下的颗粒物穿透墙体缝隙过程、颗粒物向室内壁面沉积过程、以及颗粒物在不同室内环境条件下的扩散过程进行数值模拟。研究的场景包括，24个条件不同的颗粒物穿透工况，以及24个条件不同的颗粒物沉积和扩散工况，涉及过渡季自然通风、冬季自然通风、和机械通风等。图1展示了本文的研究框架。 图1 本文研究框架
图2所示为本文研究的颗粒物穿透常见建筑墙体狭缝形式，包括直狭缝和Z型狭缝。图3展示了尺寸为4.5 cm×0.25 mm直狭缝的沉积率的情况，发现球形颗粒物和非球形颗粒物的沉积率呈现相似的钟形曲线，原因是小粒径下受到强布朗扩散的影响，大粒径下受到强重力沉降的影响。非球形颗粒物呈现更大的穿透率，即非球形颗粒物更容易穿透到室内。同时，我们观察到显著的穿透率差异。比如，图3中当颗粒物的动力学直径在0.02 μm左右时，形状引起的沉积率差异可以达到1000%。形状引起的沉积率的差异与狭缝形状、压差、颗粒物粒径、和颗粒物形状有关。当狭缝形状和压差导致低流速、长颗粒物停留时间、以及复杂流道时，形状引起的穿透率差异会变大。因此，低压差下的Z型狭缝呈现最显著的沉积率差异。除物理条件外，形状引起的颗粒物性质变化也是重要原因。比如，颗粒物偏离球形会导致扩散系数的降低，从而导致扩散控制颗粒物沉积的减少，从而导致穿透率的上升。 图2 颗粒物穿透过程示意图
图3 颗粒物穿过直狭缝（4.5 cm长，0.25 mm高）时的沉积率
本文考虑了典型的室内环境气流组织情况下，在不同的情景下研究球形颗粒物和非球形颗粒物在室内表面沉积和扩散的动力学行为差异，如图4所示。图5展示了颗粒物在置换通风场景下的颗粒物沉积情况，可以发现，颗粒物形状对于沉积通量的影响在不同表面有所不同，侧墙最大，其次是地板，然后是天花板。非球形颗粒物的沉积通量小于球形颗粒物，说明非球形颗粒物会悬浮更长的时间。结果显示，在侧送风方式下，换气次数10次每小时，颗粒物动力学直径大约10 μm时，颗粒物形状导致的侧墙沉积通量的差异最大，可以达到70%。相比于颗粒物壁面沉积，颗粒物形状引起的室内的分布差异较小，在12%以下，这是因为影响颗粒物分布的因素主要是空间的湍流扩散。图6给出了详细的颗粒物动力学差异结果。图4 房间内颗粒物沉积和扩散工况示意
图5 置换通风下房间颗粒物沉积情况。a. 颗粒物在侧墙的沉积；b. 颗粒物在地板的沉积；c. 颗粒物在天花板的沉积。
图6 不同室内通风情境下颗粒物动力学差异
最后，鉴于室内颗粒物运动与背景流场的复杂关联，本文分析了湍流粘度和形状引起的动力学差异之间的关联，发现，当湍流粘度大于0.0005 kg/（m•s）时，在分析室内颗粒物动力学行为的过程中，可以忽略气溶胶颗粒形状的影响。 图7 形状引起的动力学差异和湍流粘度的关系
本文揭示了非球形颗粒物的室内动力学行为，覆盖了典型的室内通风场景。研究结果强调，颗粒物形状引起的动力学差异非常显著，需要在研究的过程中考虑颗粒物形状这一因素。在实际场景中，包括流感病毒在内的许多致病病原体是非球形，形状引起的分布和沉积差异对于精准评估室内病毒暴露具有重要意义。此外，对于非球形颗粒物在室内和封闭空间表面的沉积的准确认识对于艺术品的保护也有很强的指导意义和应用价值。![]()
吕立鹏，清华大学建筑学院建筑技术科学系博士生。研究方向为建筑室内空气品质、建筑通风、室内颗粒物动力学。以第一作者在Journal of Hazardous Materials，Environment International，Aerosol Science and Technology，Building and Environment，Building Simulation等期刊发表论文7篇。
通讯邮箱：lvlp21@mails.tsinghua.edu.cn
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赵彬，清华大学建筑学院长聘教授，Fellow of ISIAQ Academy。研究方向为室内空气污染动力学、人员暴露、健康效应评估以及建筑通风和空气洁净技术。迄今以第一作者或通讯作者发表期刊论文130余篇，在Google Scholar被引用1万余次，H-index为54。入选教育部新世纪优秀人才支持计划，连续多年入选Elsevier中国高被引学者、斯坦福大学全球顶尖科学家生涯和年度榜单。获首届“Scopus寻找未来科学之星”活动之“青年科学之星”奖、5个国际期刊最佳论文奖、清华大学学术新人奖、良师益友奖、教育部自然科学二等奖（排名第1）等奖励。
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