摘要：室内循环风激光空气消毒机作为一种新兴消毒设备在空气消杀净化领域拥有广泛的应用前景，如医院、人流密集区的呼吸道疾病防治等。为此，针对室内循环风激光空气消毒机的使用环境与设备参数，对其使用效率的影响进行了研究，使用AN⁃SYS Fluent软件和计算流体动力学数值模拟方法分别从室内空气循环效果和病毒消杀效果等方面进行仿真研究，考虑了室内位置、进出风口位置、消杀效率、温度和相对湿度5个因素，并对结果进行数理统计与流体力学分析，最终得出在相对湿度90%、消杀效率99%、进出风口位置为两个出风口在消毒机侧边且一个进风口在消毒机顶部、温度为25℃、室内位置为角落放置时，能够达到消杀时间最短的效果，探究了不同因素对激光空气消毒机运行情况的影响程度和作用机理，仿真所得出的结果为紫外激光空气消毒机的设计和改进提供了理论依据。

　　关键词：激光空气消毒机；消毒消杀；计算流体力学

　　0引言

　　2020年新冠疫情的爆发对公众的生命安全造成了严重威胁。随着疫情的逐步结束，甲型H1N1流感和支原体肺炎等呼吸道疾病陆续出现，主要通过气溶胶和飞沫等途径传播。在人员与人员、人员与物品之间的频繁接触下，这些病毒也传播地越来越广泛[1-3]。因此，提升空气净化技术的效率，尤其是针对气溶胶传播的净化，对社会卫生安全具有重大意义。

　　传统的空气净化技术主要有喷洒化学消毒剂、使用紫外线灯与紫外线二极管和静电吸附净化[4-8]等。大规模喷洒化学消毒剂对环境和个人有害，并且不适用于净化含有病毒的气溶胶的情况。使用紫外线灯和紫外线发光二极管消毒存在辐照度低、光束高度发散等弊端，并且紫外线灯可能对室内空气质量造成不良影响[9-11]。而目前应用的静电吸附空气净化装置主要以除尘为主，尚未实现消毒作用。

　　紫外激光空气消毒机作为一款新型空气消杀类产品正备受国内外学者、企业的青睐。其工作原理主要是通过200~300 nm紫外激光辐射对微生物中的DNA胸腺嘧啶碱基和RNA的尿嘧啶碱基进行作用[12-13]，从而破坏其分子结构，对其造成生长性细胞死亡和再生性细胞死亡。同时经过验证使用266 nm激光对病毒的灭活效果最好[14]。

　　紫外激光消毒技术因其高效的杀菌、灭病毒能力，在多个行业领域得到了应用。在公共交通领域，紫外激光被用来消毒空调系统，防止空气传播病菌，确保乘客健康[15-17]。在物流仓储领域，紫外激光被用于消毒仓库、运输工具和货物表面，也被用于快递取件点，快速消杀空气中的细菌和病毒，减少公共场所的健康风险[18]。在医疗卫生领域，紫外激光能够快速消除医院病房、手术室等场所空气中的病菌和细菌，减少交叉感染的风险[19]。

　　激光空气消毒机的室内位置及进出风口位置对空气循环和消杀效率有显著影响，不同位置摆放会导致流场变化，影响空气循环时间。同时，消毒机消杀效率、相对湿度和温度等因素也会对这些问题产生影响。

　　本文通过流体仿真的方法，研究室内位置、环境条件、设备参数等5个因素对激光空气消毒机在室内循环能力以及消杀能力的影响，通过ANSYS Fluent软件进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真，选取出合适的室内位置、环境条件、设备参数，探究不同因素对紫外激光空气消毒机运行情况的影响大小和作用机理，提升激光空气消毒机在实际场景中的效率，对激光空气消毒机的设计和实际应用具备一定研究意义。

　　1激光空气消毒机工作原理与模型

　　激光空气消毒机主要由光幕消杀模块、进出风道、风机等部分组成，工作时通过不断地循环室内空气进入激光空气消毒机中，并在设备内部产生特定波长的激光束对空气中的病原体进行消杀，再将消杀后的空气排回室内，减少室内病毒的数量。

　　该紫外激光空气消毒机的三维模型如图1所示，紫外激光空气消毒机尺寸为长636.5 mm、宽623 mm、高1 400 mm，进出风口尺寸为393 mm×355 mm。本文研究其参数对室内外部流场的影响，以优化效率。为简化仿真，将激光光幕消杀模块视为面状结构，内部结构包括消杀模块、风机等视为整体。流体从进入到流出过程中，其性质与参数因内部系统的影响而变化。

       室内环境为30 m3测试仓，内部尺寸为3 500 mm×3 400 mm×2 500 mm，外部尺寸为4 900 mm×3 900 mm×3 300 mm，门宽2 000 mm、高800 mm。为简化仿真，将门视为墙壁，忽略墙壁与外界的热量交换，最终使用的仿真简化模型如图2所示。

　　2循环效果仿真研究

　　2.1参数设置及仿真设计

　　将建立好的仿真模型导入Fluent之中，在网格划分中使用水密几何工作流（Watertight Geometry Workflow）划分网格，得出的偏度为0.53。设置激光消毒机的出口为流体域的入口，同时设为速度入口（Velocity-inlet），将激光消毒机的入口设为流体域的出口，并设置为压力出口（Pressure-oulet），将激光消毒机壁面、室内壁面等边界设置为墙壁（Wall）。体网格采用多面体网格（Poly⁃hedra）以实现更精确地计算控制体的梯度[20]。最终体网格得出最小正交质量为0.2。

　　在仿真求解器的设置中，由于室内空气循环效果主要由激光消毒机在室内的位置以及进出风口位置影响，暂不考虑病毒消杀相关参数。模型选择组分传递，混合的材料由循环过的空气和未循环过的空气两相组成，密度均为1.225 kg/m3，两相流体性质相同。设置边界条件中，压力出口表压为0 Pa，回流湍流强度5%，黏度比10；激光消毒机的出风量为500 m3/h，依照出风口大小求出速度入口速度0.996 m/s，湍流强度5%，黏度比10，已消毒的空气进入室内的体积分数为1。计算参数方面，时间步长1 000步，步长2 s，对室内空气循环的一次完成的标准为是未经循环的空气在室内的体积分数降低至0.001。

　　为研究位置条件与出风口对激光空气消毒机室内循环空气效果的影响，将以下几种情况进行分别组合，并进行仿真分析，影响因素如表1所示。经组合共有16种情况，仿真后得到16组仿真数据。

　　2.2结果分析

　　通过仿真计算得到紫外激光空气消毒机循环一遍室内空气的时间数据，最终得到的16组仿真时间数据如表2所示。整体上，紫外激光空气消毒机循环一遍室内空气的时间分布在1 030～1 900 s之间。由表可知最快循环一遍室内空气的仿真实验是第15组，即在房间内的位置为正放在房间地板角落，紫外激光空气消毒机进出风口

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