新冠病毒气溶胶传播路径的仿真模拟
本文摘要（由AI生成）：
本文讨论了PM10和PM2.5颗粒对人体的危害，并重点分析了生物源性气溶胶在轨道交通空间内的传播和扩散问题。通过联合仿真模拟，发现喷嚏气溶胶的传播距离和扩散范围与喷射速度成正比关系，且气溶胶颗粒污染物在人群中的扩散路径可以通过仿真直观显示。文章提出，利用CFD/DPM与STEPS的联合仿真，可以评估和优化轨道交通空间内部的通风设计对气溶胶扩散的控制效果，为城市公共卫生安全和人群疏散的设计与优化提供参考。同时，文章也强调了佩戴口罩在公共轨道交通中的重要性。
本文将CFD/DPM与STEPS技术相结合，构建案例的假设场景，实现对新冠病毒气溶胶传播路径的仿真模拟测试，借此抛砖引玉，启发更广泛的思考与交流。
截止至北京时间8月5日上午10时，全球累计新冠肺炎确诊病例已超1869万，死亡病例逾70万。医学研究发现，非典型性肺炎(SARS)、H5N1禽 流感、H1N1猪流感以及COVID-19新冠肺炎四种不同的病毒，却有着共同的传播载体——气溶胶。
什么是气溶胶
气溶胶是指悬浮在空气中的固、液微粒或固液混合微粒，是一种稳定的扩散体系。
气溶胶尺寸
■ PM10和PM2.5尺寸分别是10微米和2.5微米。PM10颗粒人体可吸入，PM2.5颗粒能进入人体肺泡、参与血液循环。
■ 人体咳嗽和喷嚏产生的污染物属于生物源性气溶胶，直径一般为0.1-30微米。
生物源性气溶胶
生物源性气溶胶可造成人体免疫功能下降、过敏性哮喘、肺部病变、引发呼吸道传染病等。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，以现有的医疗科技水平暂且无法根治。
这些传染能力极强的病毒危害人类的生命安全，阻断社会经济的正常运转。
在上海，轨道交通是公共交通主要的出行方式之一。作为超大城市最普遍的交通工具之一，轨道交通具有人流密度大、运行时间长、里程远的特点。疫情的爆发引发人们的思考，在相对封闭的地铁空间内，如何避免人与人之间的互相传播与扩散？
主要污染物来源
轨道交通空间内部的污染物主要来自于乘客的呼吸、交谈、咳嗽以及喷嚏。
喷嚏的传播
人在打喷嚏时会释放更多的微生物体，喷嚏产生的飞沫在相当短的时间里，会迅速蒸发外层水分而成为飞沫核 。细菌和病毒能够以悬浮飞沫核为载体形成生物源性气溶胶，在人与人之间完成传播。
打喷嚏的喷发速度可以达到50m/s，传播距离远，扩散范围广。
小于5微米的气溶胶通过空气传播
通过计算流体力学（CFD）软件Fluent和人群运动软件STEPS（Simulation of Transient Evacuation and Pedestrian Movements）的联合仿真模拟，可以对轨道交通内COVID-19病毒携带者打喷嚏时产生的一系列连锁反应进行针对��的研究，如气溶胶的运动、扩散、浓度分布以及感染人群等等。
解决方案
气溶胶属于多相流流体力学范畴，在空气中的运动与扩散属于离散流体流动，受空气湍流、环境热辐射以及颗粒间作用力影响。
本式例采用离散颗粒群轨迹模型DPM模拟喷嚏气溶胶与空气的相间耦合流动，采用k-ω SST模型模拟空气的湍流运动，以Coupled方法进行压力-速度耦合计算，最后与STEPS联合仿真，构建轨道交通内生物源性气溶胶扩散及感染人群的数值模拟解决方案。
具体操作
假设喷嚏气溶胶为球形颗粒，直径1.5-8.5微米，密度1100kg/m3，温度310K，质量流率1 x e-10 kg/s，空气密度为1.2kg/m3，主要受到重力、拖曳力和布朗力的作用。
仿真结果
■ 喷嚏气溶胶自喷射后，向各个方向扩散，其传播距离、扩散范围与喷射速度成正比关系，速度越大，传播距离越远，扩散范围越大。
■ 从颗粒物质量浓度图可以看出气溶胶颗粒污染物从人的口腔飞出后，在人的口腔附近有较小的密集分布，在人体前1.0m处基本向前下方运动，而气溶胶颗粒随气流运动。
仿真意义
CFD/DPM与STEPS的联合仿真能够直观的显示病毒气溶胶在人群中的扩散路径。
瞬时浓度、累计浓度可以作为公共卫生安全风险示警的指标参数，用以帮助评估、优化轨道交通空间内部的通风设计对喷嚏气溶胶扩散的控制效果，当遭遇COVID-19病毒携带者传染的紧急情况时，能够提供疑似病源的临时安置建议。
同时，还可以将CFD、STEPS的联合仿真模拟与建筑信息化BIM模型相结合，进行城市公共卫生安全以及人群疏散的设计与优化。
ANSYS CFD Fluent
可以精确模拟空气流动，有毒气体、生化病毒以及气溶胶污染物的扩散分布，计算建筑内外的空气龄、空气洁净度以及HVAC能耗等。
STEPS
结合人群的心理学和行为学特征，考虑了人的主观（耐性、家庭观念、群体组成、避让病患等）和客观（身高腿长、年龄、性别、健康等）特性，可自定义人群运动特征和移动规律。
建筑信息模型（BIM）
通过数字信息仿真建筑实体模型的工具和手段，打通了建筑全生命周期的各个阶段，可以在设计阶段就考虑公共卫生安全这个重要因素，对公共卫生安全的合理设计能有效降低病毒传染扩散。
三种工具结合使用，将极大地保证公共卫生安全设计的便利和可靠。
新冠病毒正在改变我们的世界，反之，我们看待世界的方式也在发生改变，更多新的科学技术应用也在不断涌现。以此为契机，特别构建此案例的假设场景，希望能对大家起到参考的意义。如果有具体的、多样的实际应用场景，欢迎与我们交流讨论。最后，向国内外全体抗疫工作者们致敬！
小编提醒：为了自身的健康安全和社会经济的正常稳定，搭乘公共轨道交通时务必带好口罩！
