[论文解读] Turbulence dictates the fate of virus-containing liquid droplets in violent expiratory events

Rosti Me, Mattia Cavaiola+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2020

COVID-19 epidemiological studies被引用 5

一句话总结

本研究通过直接数值模拟表明，咳嗽和喷嚏产生的气流湍流显著影响含病毒飞沫的蒸发、扩散及传播范围。研究发现，湍流涡旋使飞沫的传播距离远超传统社交距离建议，挑战了基于层流假设的现行公共卫生建议。

ABSTRACT

Violent expiratory events, such as coughing and sneezing, are highly nontrivial examples of two-phase mixture of liquid droplets dispersed into an unsteady humid turbulent fluid phase. Understanding the physical mechanisms determining the fate of droplets is becoming a priority given the global COVID-19 emergency caused by the SARS-CoV-2 infection. By means of state-of-the-art fully resolved direct numerical simulations we contribute to solve this issue by identifying the key role of turbulence on the fate of exhaled droplets. Our results impact the current notion of social distance.

研究动机与目标

• 理解剧烈呼气事件（如咳嗽和喷嚏）期间含病毒飞沫命运的物理机制。
• 研究湍流在非定常、高湿、湍流气流中飞沫传输、蒸发和扩散中的作用。
• 通过量化湍流对飞沫动力学的影响，挑战并修订当前的社交距离建议。
• 提供一个基于物理原理、高保真的模拟框架，用于预测呼吸事件场景下飞沫的行为。

提出的方法

• 采用完全解析的直接数值模拟（DNS），模拟湍流、高湿气相环境中液滴的两相流。
• 模拟不同尺寸飞沫及其与湍流涡旋和温度梯度的相互作用。
• 解析所有相关运动尺度，包括小尺度湍流和飞沫尺度的蒸发动力学。
• 使用高保真计算流体动力学捕捉非定常、三维及多相流行为。
• 整合飞沫蒸发与周围空气湿度和温度之间的热力学耦合。
• 通过已知物理原理和飞沫扩散的实验观测验证模拟框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 呼气气流中的湍流如何影响含病毒飞沫的蒸发速率和轨迹？
• RQ2 湍流涡旋使飞沫传播距离超出层流模型预测范围的程度有多大？
• RQ3 飞沫尺寸、初始速度与环境湿度如何与湍流相互作用，影响传播风险？
• RQ4 非定常、瞬态流体结构在剧烈呼气事件中飞沫扩散中的作用是什么？

主要发现

• 湍流显著增强飞沫的扩散，使其传播距离远超标准社交距离建议的1–2米范围。
• 小飞沫被卷入湍流涡旋中，可在空气中停留更长时间，增加远距离吸入的风险。
• 飞沫的蒸发动力学受局部湍流强烈调制，脱水速度因涡旋强度和湿度梯度而快慢不一。
• 湍流的存在导致飞沫的空间分布更广，增加了潜在暴露区域。
• 模拟结果表明，在真实的湍流条件下，当前的社交距离建议可能不足。