[论文解读] Speech can produce jet-like transport relevant to asymptomatic spreading of virus

Manouk Abkarian, Simon Mendez+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 49被引用 234

一句话总结

本研究表明，说话，尤其是爆破音如‘P’，会产生类似喷流的气流，从而增强呼出气溶胶的远距离传播。存在三种不同的传播模式：短距离（<0.5 米）具有角度可变性；中距离（~1 米）通过单个涡旋气团传播；长距离（可达 2 米或更远）则通过连续气团形成圆锥形喷流实现。这些发现揭示了无症状病毒传播背后的关键流体动力学机制。

ABSTRACT

Many scientific reports document that asymptomatic and presymptomatic individuals contribute to the spread of COVID-19, probably during conversations in social interactions. Droplet emission occurs during speech, yet few studies document the flow to provide the transport mechanism. This lack of understanding prevents informed public health guidance for risk reduction and mitigation strategies, e.g. the "six-foot rule". Here we analyze flows during breathing and speaking, including phonetic features, using order-of-magnitudes estimates, numerical simulations, and laboratory experiments. We document the spatio-temporal structure of the expelled air flow. Phonetic characteristics of plosive sounds like 'P' lead to enhanced directed transport, including jet-like flows that entrain the surrounding air. We highlight three distinct temporal scaling laws for the transport distance of exhaled material including (i) transport over a short distance ($<$ 0.5 m) in a fraction of a second, with large angular variations due to the complexity of speech, (ii) a longer distance, approximately 1 m, where directed transport is driven by individual vortical puffs corresponding to plosive sounds, and (iii) a distance out to about 2 m, or even further, where sequential plosives in a sentence, corresponding effectively to a train of puffs, create conical, jet-like flows. The latter dictates the long-time transport in a conversation. We believe that this work will inform thinking about the role of ventilation, aerosol transport in disease transmission for humans and other animals, and yield a better understanding of linguistic aerodynamics, i.e., aerophonetics.

研究动机与目标

• 量化呼吸和说话过程中呼出气流的流体动力学特性，特别是与无症状病毒传播的关系。
• 识别语音特征（尤其是爆破音）如何增强呼吸道气溶胶的定向传播。
• 描述呼气流的时空结构及其对空气传播疾病传播的影响。
• 利用流体力学证据，挑战并完善现有公共卫生指南（如‘六英尺规则’）。

提出的方法

• 通过烟雾和激光片光场进行实验室流场可视化实验，观察呼吸和说话时的呼气模式。
• 利用测得的流速和雷诺数进行数量级估算，评估流态。
• 采用大涡模拟（LES）方法，使用 YALES2BIO 求解器模拟说话时从口腔喷出的湍流瞬态流场。
• 通过周期性信号（4.0 秒周期）模拟时变入口，以代表说话节奏和爆破音爆发。
• 在模拟中追踪拉格朗日质点，以绘制粒子传播路径并识别喷流状结构。
• 采用固定椭圆形口腔几何形状（1.0 厘米 × 1.5 厘米），以隔离流量速率和语音时间的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 说话时呼出气流的时空动力学与呼吸时有何不同？语音特征在其中起什么作用？
• RQ2 哪些流体动力学机制（如涡旋气团或喷流状流）能够实现呼出物质的远距离传播？
• RQ3 爆破音如‘P’如何促进增强的定向传播和气溶胶卷吸？
• RQ4 与说话相关的呼气传播的距离和时间遵循哪些不同的标度律？
• RQ5 句子中连续的爆破音在多大程度上能形成持续的、圆锥形喷流状流，使传播距离超过 1 米？

主要发现

• 爆破音如‘P’会产生涡旋气团，驱动气溶胶在约 1 米的距离内实现定向传播。
• 说话中的连续爆破音会产生一系列气团，形成圆锥形喷流状流，使传播距离达到 2 米或更远。
• 传播过程受三种不同的时间标度律支配：(i) 短距离（<0.5 米）在 1 秒内具有高角度可变性；(ii) 中距离（~1 米）通过单个气团传播；(iii) 长距离（最高达 2 米）通过重复气团形成的喷流状流传播。
• 喷流状流结构可长时间维持，是对话过程中长期传播的主导机制。
• 说话时的流速可达 5 米/秒，雷诺数范围为 1,000 至 7,000，表明处于湍流、非定常流态。
• 本研究揭示，即使无症状个体也能通过说话产生显著的远距离气溶胶传播，挑战了安静对话中风险可忽略的假设。