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2025-5-20 15:23
| 个人分类: 建筑模拟 | 系统分类: 论文交流
摘要
人体运动引发的湍流被认为对室内环境中的污染物扩散具有显著影响。本研究通过数值模拟分析了八种典型的人群流动场景，以探讨人体运动对室内空气污染的影响。在高精度计算模拟中，我们结合了人体运动、呼吸及热释放因素，并针对不同流动场景进行了差异化分析，以研究个体间的相互作用。研究结果表明，步行过程中，在人体两侧约 1.1m 范围内以及身后 3 ～ 4m 的区域内，会形成显著的尾流。当两名行人交叉经过时，局部风速可由单人行走时的 1 m/s 骤增至 1.87 m/s 。污染物分布的相互干扰效应最强烈的情形出现在两人垂直交叉行走时，其关键干扰距离阈值为 2.87m 。此外，在人员密度为 1.52 人 /m ²的情况下，二氧化碳浓度可在 10 分钟内迅速升高至超过 1000 ppm 。同时，气溶胶颗粒的扩散特征受到个体相对运动方向和污染源位置的显著影响。在短时接触环境下，避免吸入他人呼出气溶胶的“安全距离”至少应为 3.4m 。本研究还定义了基于尾流区域内速度振幅变化率、尾流变形率及耗散时间的人体尾流扰动强度，以及不同运动速度下尾流扰动范围，为优化高密度人群环境下的室内空气质量和降低健康风险提供了科学依据。
关键词 ：行人尾流、风热环境、二氧化碳、气溶胶颗粒、公共卫生
1. 背景介绍
随着城市化进程的不断加快，购物中心、机场等公共场所的人流量与日俱增，室内风热环境和空气质量问题日益突出。传统研究多关注机械通风和温度调控，但往往忽略了人体活动产生的湍流效应。人体在行走、呼吸和散热过程中，会在其周围形成明显的尾流和热羽流，这种局部气流扰动不仅影响温度分布，还会改变二氧化碳及气溶胶等污染物的扩散规律。尤其在人群交叉或密集运动时，尾流间的相互干扰可能导致局部空气混合不均，进而加剧污染物浓度波动。为此，本研究利用计算流体力学（ CFD ）对八种典型人流场景进行了数值模拟，详细探讨了单人和多人运动对室内热环境、风速分布以及污染物扩散的影响。研究不仅量化了人体运动产生的尾流长度、速度和温度梯度，还分析了不同运动模式和速度下尾流之间的干扰机制及其对室内二氧化碳浓度和气溶胶传播的作用。
图 1 8 种运动场景（所有行人均以 1m/s 的速度移动）
2. 核心内容
（ 1 ） 运动路径决定空气扰动模式
人体运动路径对空气流动和污染物扩散模式具有决定性作用。直线行走时，人体身后形成相对稳定的尾流区域，范围为身后 3~4 m 、高度 2 m 以下、两侧 1 m 以内，并产生局部 0.1~0.2℃ 温升，污染物主要沿尾流路径输运，易在行走轨迹上形成污染物累积带。交叉行走时，由于尾流的叠加干涉，整体风速提高，局部风速可增加 30% 以上（如图 2 ），尤其在垂直交叉情况下，局部扰动最强，污染物扩散范围扩大，出现短时高浓度区域，局部污染物浓度波动增大。若两人相遇并短暂停留，污染物在停留区域持续积聚，扩散速度降低，空气混合减弱，容易形成局部高浓度污染区，增加他人吸入污染物的风险，对空气质量影响显著。
图 2 不同运动场景下的呼吸区高度（ 1.5m ）平均风速和二氧化碳浓度
（ 2 ）运动速度对尾流结构与污染物扩散的影响
人员运动速度直接影响尾流长度，不同运动速度下尾流长度存在明显差异。这种差异受尾流速度阈值的影响，尾流速度阈值越小，不同运动速度下的尾流长度差距越小（如图 3 ），在温度场、二氧化碳和颗粒物分布方面，运动速度影响下存在一定的共性规律（如图 4 ）。较慢运动速度时，尾流平均流速较低，同时人员累积呼吸时间较长，导致污染物扩散速度较慢，并在人员身后区域形成明显聚集。在较快运动速度下，尾流区域的平均流速较高，污染物扩散速度显著加快，并迅速向四周扩散，减弱了污染物在人员身后聚集的现象。
图 3 不同运动速度和尾流速度阈值下的尾流长度
图 4 不同速度阈值下颗粒物扩散路径
（ 3 ）量化结果：尾流扰动与污染物扩散的关键参数
本研究对尾流扰动和污染物扩散进行了定量分析，得到了关键参数：
1） 尾流干扰强度：提出四个参数用于描述尾流湍流强度，采用最大相关性最小冗余（ MRMR ）算法和 F- 检验算法对上述参数进行权重分析（如图 5 ），并基于流场模拟差分结果拟合出了尾流干扰强度与距离的关系式 1 ；
2） 交叉干扰临界距离：速度为 1m/s 的情况下，当行人之间距离≤ 2.87 m 时，尾流开始相互干涉；
3） 污染物扩散安全距离：基于气溶胶扩散模型，建议在短时间接触环境下，保持至少 3.4 m 的社交距离，以减少吸入他人呼出污染物的风险；
4） 基于模拟结果（如图 6 ）得出人员密度与污染物浓度关系式（如图 7 ）。
图 5 模拟结果数值差分及尾流干扰强度参数权重确定
（式 1 ）
其中， v r 是流场速度幅值之比； d r 是尾流形状变化率（尾流重合面积比）； o r 是尾流偏移长度比； t r 是流场恢复时间比。
图 6 不同人员密度下聚集 10 分钟二氧化碳浓度分布
图 7 二氧化碳浓度与人员密度拟合曲线
3. 成果小结
本研究探讨了不同人流场景下的风热环境特征及典型污染扩散规律，并揭示了多种基本运动模式下的变化规律，为进一步研究复杂运动对环境的影响奠定了基础。研究表明，人体运动所产生的尾流对周围风热环境的扰动较为显著，而呼吸释放的污染物则对整体空气质量产生更直接的影响。通过分析空气流动范围和污染物扩散模式，研究获得了一系列关键定量结论，包括尾流的影响范围、气溶胶颗粒的传播路径、人与人之间的关键接触距离与持续时间，以及不同场景下二氧化碳浓度超标的阈值。这些发现可为空气传播疾病的防控、室内空间布局优化、空调系统气流组织设计及高密度人流环境中的人员流动管理提供科学依据。
作者团队介绍
本论文通讯作者为大连理工大学建设工程学院赵天怡教授，论文第一作者为大连理工大学建设工程学院赵宇副教授，论文第二作者为硕士生熊昶，在大连理工大学 “ 卓越共创计划 ” 国际化交流基金与大连理工大学 - 卡迪夫大学合作交流基金的支持下，赫尔辛基大学的 Tareq Hussein 教授与卡迪夫大学的 Zhiwen Luo 教授共同参与了本文的研究。赵天怡教授领导的可持续建筑与能源系统在线智控研究团队（ OASIS-EB ），致力于融合物联网、数据科学、人工智能的人工环境营造系统智能调控方法研究，提供适配于复杂边界条件与多场景运维需求的在线智能控制解决方案，并将其产品化。团队近年来主持国家自然科学基金 6 项，发表 SCI 论文 100 余篇。
引用
Zhao Y , Xiong C , Luo Z , et al. (2025). The impact of human-induced turbulence on indoor thermal environment and pollutant diffusion . Build ing Simul ation, 18 (3) ： 473-497 . https://doi.org/10.1007/s12273-024-1196-4
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