本文將CFD/DPM與STEPS技術相結合，構建案例的假設場景，實現對新冠病毒氣溶膠傳播路徑的仿真模擬測試，借此拋磚引玉，啟發更廣泛的思考與交流。

 

截止至北京時間8月5日上午10時，全球累計新冠肺炎確診病例已超1869萬，死亡病例逾70萬。醫學研究發現，非典型性肺炎(SARS)、H5N1禽流感、H1N1豬流感以及COVID-19新冠肺炎四種不同的病毒，卻有著共同的傳播載體——氣溶膠。

 

什么是氣溶膠

 

氣溶膠是指懸浮在空氣中的固、液微粒或固液混合微粒，是一種穩定的擴散體系。

 

氣溶膠尺寸

 

氣溶膠尺寸一般在0.0001-100微米。

 

■ PM10和PM2.5尺寸分別是10微米和2.5微米。PM10顆粒人體可吸入，PM2.5顆粒能進入人體肺泡、參與血液循環。

 

■ 人體咳嗽和噴嚏產生的污染物屬于生物源性氣溶膠，直徑一般為0.1-30微米。

 

生物源性氣溶膠

 

生物源性氣溶膠可造成人體免疫功能下降、過敏性哮喘、肺部病變、引發呼吸道傳染病等。某些疾病，如流行性感冒、非典型性肺炎、禽流感以及新冠肺炎，以現有的醫療科技水平暫且無法根治。

 

這些傳染能力極強的病毒危害人類的生命安全，阻斷社會經濟的正常運轉。

 

在上海，軌道交通是公共交通主要的出行方式之一。作為超大城市最普遍的交通工具之一，軌道交通具有人流密度大、運行時間長、里程遠的特點。疫情的爆發引發人們的思考，在相對封閉的地鐵空間內，如何避免人與人之間的互相傳播與擴散？

 

主要污染物來源

 

軌道交通空間內部的污染物主要來自于乘客的呼吸、交談、咳嗽以及噴嚏。

 

噴嚏的傳播

 

人在打噴嚏時會釋放更多的微生物體，噴嚏產生的飛沫在相當短的時間里，會迅速蒸發外層水分而成為飛沫核 。細菌和病毒能夠以懸浮飛沫核為載體形成生物源性氣溶膠，在人與人之間完成傳播。

 

打噴嚏的噴發速度可以達到50m/s，傳播距離遠，擴散范圍廣。

 

小于5微米的氣溶膠通過空氣傳播

 

通過計算流體力學（CFD）軟件Fluent和人群運動軟件STEPS（Simulation of Transient Evacuation and Pedestrian Movements）的聯合仿真模擬，可以對軌道交通內COVID-19病毒攜帶者打噴嚏時產生的一系列連鎖反應進行針對性的研究，如氣溶膠的運動、擴散、濃度分布以及感染人群等等。

 

解決方案

 

氣溶膠屬于多相流流體力學范疇，在空氣中的運動與擴散屬于離散流體流動，受空氣湍流、環境熱輻射以及顆粒間作用力影響。

 

本式例采用離散顆粒群軌跡模型DPM模擬噴嚏氣溶膠與空氣的相間耦合流動，采用k-ω SST模型模擬空氣的湍流運動，以Coupled方法進行壓力-速度耦合計算，最后與STEPS聯合仿真，構建軌道交通內生物源性氣溶膠擴散及感染人群的數值模擬解決方案。

 

具體操作

 

假設噴嚏氣溶膠為球形顆粒，直徑1.5-8.5微米，密度1100kg/m3，溫度310K，質量流率1 x e-10 kg/s，空氣密度為1.2kg/m3，主要受到重力、拖曳力和布朗力的作用。

 

仿真結果

 

■ 噴嚏氣溶膠自噴射后，向各個方向擴散，其傳播距離、擴散范圍與噴射速度成正比關系，速度越大，傳播距離越遠，擴散范圍越大。

 

■ 從顆粒物質量濃度圖可以看出氣溶膠顆粒污染物從人的口腔飛出后，在人的口腔附近有較小的密集分布，在人體前1.0m處基本向前下方運動，而氣溶膠顆粒隨氣流運動。

 

仿真意義

 

CFD/DPM與STEPS的聯合仿真能夠直觀的顯示病毒氣溶膠在人群中的擴散路徑。

 

瞬時濃度、累計濃度可以作為公共衛生安全風險示警的指標參數，用以幫助評估、優化軌道交通空間內部的通風設計對噴嚏氣溶膠擴散的控制效果，當遭遇COVID-19病毒攜帶者傳染的緊急情況時，能夠提供疑似病源的臨時安置建議。

 

同時，還可以將CFD、STEPS的聯合仿真模擬與建筑信息化BIM模型相結合，進行城市公共衛生安全以及人群疏散的設計與優化。

 

ANSYS CFD Fluent

 

可以精確模擬空氣流動，有毒氣體、生化病毒以及氣溶膠污染物的擴散分布，計算建筑內外的空氣齡、空氣潔凈度以及HVAC能耗等。

 

STEPS

 

結合人群的心理學和行為學特征，考慮了人的主觀（耐性、家庭觀念、群體組成、避讓病患等）和客觀（身高腿長、年齡、性別、健康等）特性，可自定義人群運動特征和移動規律。

 

建筑信息模型（BIM）

 

通過數字信息仿真建筑實體模型的工具和手段，打通了建筑全生命周期的各個階段，可以在設計階段就考慮公共衛生安全這個重要因素，對公共衛生安全的合理設計能有效降低病毒傳染擴散。

 

三種工具結合使用，將極大地保證公共衛生安全設計的便利和可靠。

 

新冠病毒正在改變我們的世界，反之，我們看待世界的方式也在發生改變，更多新的科學技術應用也在不斷涌現。以此為契機，特別構建此案例的假設場景，希望能對大家起到參考的意義。如果有具體的、多樣的實際應用場景，歡迎與我們交流討論。最后，向國內外全體抗疫工作者們致敬！

 

小編提醒：為了自身的健康安全和社會經濟的正常穩定，搭乘公共軌道交通時務必帶好口罩！