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摘要自2019年12月新冠疫情爆发以来，新冠病毒以其独特的强隐蔽性、高传染性和强破坏性威胁着人类世界，在全球范围内引发了严重的公共卫生危机、经济损失和民众恐慌。在通风不良、拥挤和相对封闭的室内环境中，新冠病毒具有很高的传播风险。随着越来越多的研究证实，在卫生间环境内可以检测到新冠病毒，并且已经出现了交叉感染事件。因此，在新冠大流行期间，了解病毒在卫生间内的传播机制可以提高公众对卫生间安全使用的意识。本文从流体动力学的角度研究了卫生间内病毒传播的过程，论证了不同卫生间行为促进病毒传播的机理。基于此思路，本文使用计算流体力学（CFD）和家庭卫生间实验台相结合的方法，分别对马桶冲水、小便池冲水和男性站立排尿三种常见的卫生间行为进行了模拟仿真，探讨了不同行为下的流体流动特性和气溶胶粒子的扩散传播情况，最终设计了一种家庭卫生间气流组织优化方案。具体来说本文的主要工作及结论如下：<br>　　（1）建立了虹吸式马桶冲水的非稳态计算模型，研究了马桶在冲水过程中的气流运动状态和病毒粒子的扩散情况。模拟结果表明：冲水过程中马桶内会出现剧烈的湍流现象，气流上升速度高达5m/s，导致约40%-60%的病毒粒子从马桶内部向上方空气区域扩散传播，可以移动到的最大高度为距离地面1.065m。在冲水结束后的一段时间内，粒子仍然能够保持以0.27cm/s-0.37cm/s速度向上移动的运动趋势。因此，公众在进行冲水操作前应放下马桶盖，可以从根本上阻断病毒传播路径。<br>　　（2）建立了小便池冲水的非稳态计算模型，研究了小便池在冲水过程中的气流运动状态和气溶胶粒子的扩散情况。模拟结果表明：小便池冲水过程中出现了相对较大的气流速度，导致超过57%的病毒颗粒逃逸至空气环境中，并保持较为恒定的扩散趋势。粒子最高可扩散至0.84m，该位置相当于男性大腿的位置。因此，应强制公众在使用小便池时佩戴口罩，做好防护工作，以降低感染风险。<br>　　（3）采用计算流体力学和家庭卫生间实验相结合的方法，对男性排尿过程中病毒传播的机制进行了研究。搭建了高速可视化成像系统对真实的男性站立排尿行为进行了微观观察分析，使用红外摄像机进行了宏观成像，并利用烟雾辅助实验对尿流动态分布进行了可视化实验研究，同时建立了男性站立排尿的非稳态计算模型进行数值模拟。研究结果表明：男性排尿时尿液液滴-水封撞击的平均速度为2.2m/s，液滴飞溅的速度高达1m/s，导致马桶区域产生了较强的湍流，促进了病毒粒子的扩散传播。模拟过程中气流向上爬升的速度可达到1m/s-3m/s，导致近83%-86%的病毒粒子从马桶中逃逸至空气区域，且粒子向上扩散的最大距离高达1.55m，相当于男性面部区域的高度。在排尿过程结束后，气流仍然会维持8s左右的上升趋势。因此，建议男性在站立排尿时需要采取佩戴口罩、衣物消毒和清洁手部等预防措施，在公共卫生间环境中应注意保持身体距离和时间间隔(10-20s)。<br>　　（4）对比了不同通风条件下卫生间内空气流动模式和病毒粒子扩散情况，对室内的粒子浓度(PC)和排风扇清除的粒子数量与马桶释放的粒子总数的比值(Pef)进行了定量分析，以优化家庭卫生间气流组织。研究结果表明：与传统的吊顶通风方案和地板通风方案相比，当家庭卫生间采用侧面通风方案时，室内的气流组织能够有效地驱动马桶附近的气流向排风扇所在的位置移动，有利于限制粒子的流动。该方案可将Pef值最大提高至60.7%，能够有效地清除病毒粒子。另外，通过提高每小时换气率(ACRs)和增大风机尺寸，可以将室内PC值降低64%，将Pef值提高189%。因此，为了优化家庭卫生间的气流组织，降低感染风险，建议采用侧面通风方案。<br>　　本文的研究内容不仅对新冠疫情的防控工作有重要意义，同时还对SARS病毒、埃博拉病毒、诺如病毒、柯萨奇B型病毒、脊髓灰质炎病毒等一系列可以在污水系统和人体体液中存活的病毒传播机制的相关研究具有一定的指导意义，从而防止新出现和再次出现的大流行病。