[论文解读] Host-to-Host Airborne Transmission As a Multiphase Flow Problem For Science-Based Social Distance Guidelines

S. Balachandar, Stéphane Zaleski+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 95被引用 8

一句话总结

本文将人际间的呼吸道病原体气溶胶传播建模为多相流问题，通过模拟飞沫生成、蒸发、喷流动力学及湍流扩散，建立了一套基于科学的社交距离指导框架。提出了一种简化的理论模型，可预测不同时间与距离下气溶胶飞沫及残留物浓度，从而实现对呼吸、说话、咳嗽和喷嚏等行为在不同环境条件下的情景化风险评估。

ABSTRACT

COVID-19 pandemic has strikingly demonstrated how important it is to develop fundamental knowledge related to generation, transport and inhalation of pathogen-laden droplets and their subsequent possible fate as airborne particles, or aerosols, in the context of human to human transmission. It is also increasingly clear that airborne transmission is an important contributor to rapid spreading of the disease. In this paper, we discuss the processes of droplet generation by exhalation, their potential transformation into airborne particles by evaporation, transport over long distances by the exhaled puff and by ambient air turbulence, and final inhalation by the receiving host as interconnected multiphase flow processes. A simple model for the time evolution of droplet/aerosol concentration is presented based on a theoretical analysis of the relevant physical processes. The modeling framework along with detailed experiments and simulations can be used to study a wide variety of scenarios involving breathing, talking, coughing and sneezing and in a number of environmental conditions, as humid or dry atmosphere, confined or open environment. Although a number of questions remain open on the physics of evaporation and coupling with persistence of the virus, it is clear that with a more reliable understanding of the underlying flow physics of virus transmission one can set the foundation for an improved methodology in designing case-specific social distancing and infection control guidelines.

研究动机与目标

• 开发一种基于物理的框架，以理解人类呼气过程中呼吸道飞沫与气溶胶传播的流体动力学机制。
• 通过引入湍流呼气喷流及其演化为空气云的动态过程，弥补传统飞沫模型的局限性。
• 量化飞沫尺寸、蒸发、环境条件及湍流对传播风险随时间和距离变化的影响。
• 提供一种简化但具备预测能力的模型，用于估算接收者位置处空气中残留物的浓度。
• 支持基于流体动力学与多相流物理的特定情境社交距离与感染控制指南设计。

提出的方法

• 将呼气过程建模为携带连续分布飞沫的湍流、浮力性气体喷流，初始飞沫尺寸分布与非挥发性物质含量为关键输入参数。
• 通过理论分析飞沫蒸发、重力沉降及因卷吸与阻力导致的喷流减速，推导出浓度随时间演变的动态方程。
• 提出一种简化模型，以飞沫直径与时间为变量，描述空气中飞沫及残留物浓度，采用公式（31）、（32）与（38）。
• 利用随机游走模型方法，考虑环境空气湍流与平均流对飞沫残留物后期扩散的影响。
• 将口罩过滤效率作为颗粒尺寸的函数，以评估防护水平。
• 通过高保真模拟与实验，验证并完善理论框架在不同环境条件（潮湿/干燥、开放/封闭）下的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 湍流呼气喷流如何影响病毒携带飞沫在长达8米距离内的输运与扩散？
• RQ2 液滴向气溶胶残留物的转变由什么决定？蒸发速率如何影响传播范围？
• RQ3 喷流内部湍流的空间非均匀性与间歇性如何影响飞沫分布与暴露风险？
• RQ4 在喷流一致性丧失后，环境气流与湍流在多大程度上主导飞沫残留物的后期扩散？
• RQ5 如何根据时间、飞沫尺寸与环境条件，预测接收者位置处含病毒残留物的浓度？

主要发现

• 模型预测表明，由于湍流喷流动力学与环境气流的共同作用，呼气产生的飞沫残留物可在空气中悬浮并扩散至超过8米的距离。
• 尺寸较小的飞沫（≤100 μm）若蒸发迅速，将转化为非挥发性残留物，其沉降速度较低，可通过环境湍流实现远距离输运。
• 理论公式（31）、（32）与（38）可实现对空气中残留物浓度随时间与尺寸变化的预测，支持情景化风险评估。
• 假设喷流内飞沫分布均匀是一个重要简化；湍流的非均匀性与间歇性会降低中心区域浓度并改变暴露模式。
• 在蒸发缓慢的条件下，蒸发速率至关重要，因不完全蒸发会影响飞沫在空气中悬浮与保持传染性的时长。
• 口罩防护效果随颗粒尺寸变化，该模型可进一步扩展以包含过滤效率随飞沫/残留物直径变化的函数关系。