정면 공기 흡입구는 도시 버스의 자연 환기를 향상시킬 수 있습니다

Mar 18, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21256(2022) 이 기사 인용

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이 보고서에서 우리는 도시 버스 모델의 열린 창문을 통한 공기 흐름(자연 환기)과 그에 따른 승객 구역에서 방출되는 에어로졸의 분산을 분석합니다. 이 방법에는 전산 유체 역학 시뮬레이션과 수동 추적자의 분산을 특성화하는 세 가지 방법, 즉 연속 농도 기반 모델, 이산 무작위 모델 및 소위 평균 공기 연령을 기반으로 하는 파라메트릭 스칼라가 포함됩니다. 또한 환기 특성을 평가하기 위해 1:10 규모의 버스 모델과 \(\text{CO}_{2}\)를 수동 추적기로 사용하여 실험을 수행했습니다. 우리는 측면 창문이 장착된 표준 버스 설계에서 에어로졸의 분산 및 배출이 음압에 의해 구동된다는 것을 발견했습니다. 또한, 공기의 평균 수명은 6분이며, 공기의 흐름은 에어로졸의 전방(운전석) 축적을 촉진합니다. 에어로졸 배출 속도를 높이고 실내 축적을 줄이기 위해 전면 공기 흡입구가 있는 버스 차체 프로토타입을 제안합니다. 이 작업에서 수행된 모든 수치 모델과 실험은 이 새로운 구성에서 에어로졸의 배출이 크게 증가하는 동시에 공기의 평균 수명이 50초로 감소한다는 데 동의했습니다. 평균 공기 흐름은 전면 공기 흡입구의 존재에 따라 변경되며 결과적으로 에어로졸의 배출은 이제 정면 속도 장에 의해 구동됩니다.

코로나19 팬데믹으로 인해 전 세계의 다양한 연구 그룹이 공기 중 오염물질에 대한 조사를 강화하게 되었습니다. 명확한 결론을 내리는 것은 아직 더 엄격하고 통제된 실험을 기다리지 않았지만1,2, 증가된 양의 증거와 연구 사례는 전파되는 동안 비리온 함유 액적의 전송 및 체류 시간에서 공기 흐름의 중요성을 강조했습니다. 대유행3,4,5,6, 특히 밀폐되어 있거나 혼잡하거나 환기가 잘 되지 않는 장소와 같이 보안이 취약한 장소에서 발생합니다1,7(대중교통을 통한 전파 사례는 참고문헌 3,8을 참조하고 에어로졸 전파 실험에 대해서는 참고문헌 9도 참조하세요) 동물 모델을 사용함). 따라서 잦은 환기12, 마스크 착용 또는 물리적 거리 두기 실천과 같은 기타 보안 조치를 정기적으로 실천하는 것과 함께 가능한 경우 야외 활동을 이동하거나 선호하도록 일반적으로 요청했습니다.10,11 이 보고서의 목표는 도시 버스 내부에서 배출되는 에어로졸의 환기 및 배출 속도를 향상시키기 위한 일반적인 지침을 제공하고 새로운 디자인을 제안하는 것입니다. 특히, 이 지침은 우리가 최근 경험한 것과 같은 긴급 상황에 도움이 될 수 있습니다.

도시 버스 내부의 난류 흐름과 이러한 흐름에 의해 유발된 공중 종의 전파에 대한 연구는 이미 전산 유체 역학 시뮬레이션(CFD)을 사용하여 여러 연구 그룹에서 수행되었습니다. 첫 번째 그룹의 논문에서는 에어컨 시스템에 의해 생성된 버스 내부의 난류를 고려한 논문을 찾을 수 있습니다8,13,14,15. 이러한 상황에서 공기 유입 및 배출 위치는 재순환 공기의 양 또는 혼합물에 추가된 신선한 공기의 양과 함께 다양한 환기 모드를 테스트하고 내부 방출 에어로졸의 배출을 개선하기 위한 설계 변수로 간주될 수 있습니다. 반면, 두 번째 연구에서는 많은 라틴 아메리카, 아시아 및 유럽에서 발생하는 것처럼 버스의 열린 창문을 통해 외부 공기가 흐르거나 에어컨 시스템이 없어 발생하는 기내 난류를 시뮬레이션했습니다. 아프리카 국가; 이 논문8,16,17,18,19은 본 보고서의 주요 배경과 일치합니다. 우선, 이들 연구의 대부분은 언뜻 보기에는 명확하지 않을 수도 있는 도시 버스 내부의 특징적인 흐름을 밝혀냈습니다. 외부 공기는 뒤쪽 창문을 통해 들어온 다음 평균적으로 에어로졸을 뒤에서 앞쪽으로 밀거나 쓸어내면서 앞쪽으로 이동합니다. 이러한 반직관적인 흐름은 뒤쪽의 값에 비해 앞쪽 창의 압력이 더 낮기 때문에 발생하며 이러한 압력 구동 흐름을 유발합니다. 이러한 연구에서 얻은 또 다른 중요한 관찰은 버스 창문이 열려 있을 때 실내 입자 제거가 가속화된다는 사실입니다8. 특히, Li와 동료16는 열린 창문의 다양한 배열에 의해 생성된 오염물질의 흐름 특성과 항력을 연구했습니다. 중요한 것은, 그들은 이미 언급한 바와 같이 버스 중앙에 위치한 창문과 함께 운전석 창문을 열면 공기 형태를 앞뒤로 운반하는 관찰 가능한 "펌프 효과"가 발생할 수 있다고 언급했습니다. Li의 논문과 기타 연구16,20,21는 버스 내부로 침투할 수 있는 엔진 배기 가스와 같이 버스 외부에서 생성된 오염 물질의 이동이나 생성된 버스 내부의 온도 분포에 주로 초점을 맞춰 왔습니다. 유동장과 열 쾌적도 수준에 미치는 영향17,19. Zhang et al.8만이 에어로졸이 외부로 배출되지 않고 버스 내부에서 방출되고 운반되는 문제를 명시적으로 고려했습니다(또한 폐쇄된 버스 내부의 물방울 확산에 대한 Mesgarpour22의 연구 참조). 따라서 도시버스의 열린 창문을 통해 발생하는 에어로졸의 외부 흐름과 내부 흐름을 동시에 해결하여 이동 및 배출에 대한 새로운 연구가 필요하다.