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病毒传播中的流体力学

发表时间: 2020-10-23 00:00:00

作者: clabso

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科学之间原本是没有界限的,后来为了方便,人为地划分成物理、化学、生物、天文等不同学科,以至于现在的科研人员在自己的研究领域随着研究深度的不断增加,研究的广度却越来越窄。对于理论科学研究来说,这未必是一个坏事,但是对于应用科学来说,单一的学科研究已经不能满足科技发展的需求。


以病毒传播研究为例,顾名思义可以分为“病毒”和“传播”两个方面。“病毒学”是以病毒作为研究对象,具体来讲,就是在充分了解病毒的一般形态和结构特征基础上,研究病毒基因组的结构与功能,探寻病毒基因组复制、基因表达及其调控机制,从而揭示病毒感染、致病的分子本质。“传播”研究病毒传播的途径以及如何通过这些途径传播。



病毒传播研究的目标是当病毒爆发时为卫生部门的决策提供理论基础和科学依据。想要能够及时、准确、有效的阻断病毒的传播,“病毒”和“传播”两方面的研究缺一不可。“病毒学”的研究现状不清楚,不敢妄评,但是“传播”这部分的研究还有很大的进步空间。


目前的“传播”研究很多都是事后基于大的宏观地理特征建立的传播模型,从而推演出传播途径和传播特性。而我们知道宏观世界是由微观世界构成的。所以对更小尺度上传播研究也是十分重要的,比如一个房间内的传播。


打喷嚏和咳嗽是呼吸道疾病传播的主要的两种方式。国外有研究人员从流体力学角度研究“打喷嚏”和“咳嗽”的传播效果。我仅列举其中部分结果来说明这种小尺度研究的重要性。


采用高倍摄像机记录“喷嚏”从嘴巴出来后的视频如下:





唾液和黏液从口腔中喷出最初是“片状”的,与周围空气的碰撞“片”被刺穿形成“环”,环状的液体被拉伸形成细“丝”,最后细丝会伸长破碎形成“液滴”。




打喷嚏后,大量的唾液和黏液(绿色)从口中喷出,片状的液体掉落较快,但是打喷嚏的过程是一个类似空气射流的过程,空气射流会形成强烈的湍流,湍流有助于形成液滴,也会携带较小的液滴(红色)运动到更远的地方,最远可以漂移到8米左右。这与大家“常识性”地认为喷嚏液滴会在1-2米之内掉落到地面是不同的。



这个研究结果在实际应用中是十分有意义的,它可以帮助我们绘制出显示受感染者附近污染风险的地图,优化防护设备以保护医院工作人员免受特定种类细菌的侵害,以及更好地预测疾病如何在人群中传播。所以当看到上图医生在全副武装的工作时不要惊讶、不要调侃,相反这样全副武装是非常正确和必要的。


此外,研究喷嚏从个口腔喷出后液滴的大小分布十分重要,因为液滴大小决定了能携带多少微生物,以及它在空气中能走多远。而液滴的形成可能会受到诸如湿度和温度等环境条件的强烈影响。这也就解释了为什么流感等疾病往往在一年中的某些时候更频繁地发生,或许是因为环境条件有利于某些微生物的传播和生存。另外液滴中微生物(病毒)在传播的过程中也会随着环境条件的变化而发生繁衍、变异、死亡等行为。


因此可以说将“病毒学”和“流体力学”结合起来会非常有助于病毒传播的研究


病毒传播研究最理想的终极目标应该是将“病毒学”和“传播”有机的结合起来,汇集尽可能多的数据形成一个数学模型,将这个模型提供给卫生部门用来在疫情发生的初期来确定最可能的传播途径以及如何降低疾病传播的风险。


国外研究人员的原始文献链接地址如下:

https://www.nature.xilesou.top/news/the-snot-spattered-experiments-that-show-how-far-sneezes-really-spread-1.19996


来源:环保工程CFD辅助设计



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