作者：趙亞  安世亞太行業應用專家

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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。

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。

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。

▲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。

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。

■ 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。

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！

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