控制传播新视角：保持社交距离的科学依据

在新型冠状病毒（COVID-19）疫情期间，Ansys联合客户、合作伙伴积极为抗击疫情做出应有贡献，通过运用我们的软件、可用资源和员工的集体智慧，全力帮助受疫情影响的群体。『COVID-19下的仿真洞见』以系列专题的形式推出，分别从 “如何全力支持抗疫工业和科学应用”以及 “如何有效抑制病毒传播”这两大方面出发，期望通过详细介绍Ansys及其客户和合作伙伴目前在抗击病毒中采取的措施，以及相关知识的分享，让各位基于仿真获取有价值的洞察。

*免责声明

本系列专题所涉仿真在设计上是为了再现特定环境下的物理行为，未考虑诸如风或湿度等环境变量，请勿将其视为医学指南。

如需通过网络、印刷类或社交媒体等渠道转发内容及视频所示仿真结果，请注明仿真内容由ANSYS，Inc.提供。

由于尚未成功研发出新型冠状病毒（COVID-19）的有效疫苗，因此保持社交距离是我们外出时能够采取的一种预防措施。本指南建议我们与同事、邻居或其他购物者保持至少6英尺的距离。许多人在感染新型冠状病毒后会出现咳嗽，但是，当彼此的距离不足6英尺时，人传人是否有所不同？或者在咳嗽时用手肘捂住口鼻的情况下，距离就无关紧要了吗？计算流体动力学可以用来回答这些问题，并演示咳嗽产生的飞沫的流动。

所使用的软件产品：

• Ansys SpaceClaim
• Ansys Fluent
• Ansys VRXPERIENCE

解决方案

为了解决最佳实践的社交距离问题，Ansys专家考虑了液滴尺寸分布和速度的影响，分析了以下三种情况下飞沫在不流动的环境空气中的分散情况：3英尺间距、6英尺间距以及3英尺间距咳嗽时用手肘捂住口鼻的情况。

图1：CFD仿真的计算域和边界条件

工程师使用Ansys SpaceClaim对密切接触的三个人进行了建模，然后开始评估咳嗽情况（图1）。接下来，他们使用Ansys Fluent对模型进行了网格划分并定义边界：地板和墙面采用无滑移边界，所有其它边界采用压力出口边界条件。为了模拟喷出的飞沫，研究人员使用离散颗粒模型（DPM），初始液滴条件设置根据可获得的数据设置，液滴速度为每秒17米，液滴粒径分布为50-400微米。

利用Ansys VRXPERIENCE对咳嗽颗粒轨迹结果进行渲染（图2）。在第一种情况下，咳嗽飞沫迅速沉积在距离病毒感染者3英尺远的人身上；在第二种情况下，当人与人之间的距离增加到6英尺时，传播的飞沫数量减少，这是由于重力的影响，因此作用于飞沫的距离更长；最后，在第三种情况下，我们看到当咳嗽时捂住口鼻，大部分飞沫停留在胳膊上，从而极大地减小了飞沫在空气中流动的数量和速度。

图2：CFD对接触携带者飞沫的预测

综上所述，仿真可以为当前病毒和细菌抑制的社交距离指南提供支持。

锻炼时请保持更大距离

以当前多国和地区建议的2米（6英尺）社交距离为例，试想，这一社交距离是放诸任何情境下都足够安全吗？当进行户外锻炼时，这个标准的社交距离是不够的。Ansys合作伙伴也是来自埃因霍温理工大学和鲁汶大学的Bert Blocken与Fabio Malizia，他们构建的模型表明，为避免前面跑步或骑行者中的飞沫传播，人们在运动的时候应保持更远距离，如果紧跟在他人身后跑步，将会有极高的感染风险。

在一篇《COVID-19时期论空气动力学等效1.5米步行和跑步时的社交距离》的论文中，提到由于大多数飞沫飘散不到1.5米便落至地面并/或蒸发，而社交距离定义的条件是站立不动的人群，其并未考虑到因人们移动（例如快走、跑步和骑行）而引发的潜在空气动力学效应。

在论文中空气动力学研究对第一人在第二人1.5米或以外运动时是否会将飞沫传给后者展开调研，此前曾采用经风洞测量结果验证及校准的CFD仿真，对跑步者周围的飞沫运动及蒸发、以及跑步者周围的气流进行分析，本调研在此基础上针对一名步行或奔跑者在另一人附近呼气时排出飞沫的运动开展仿真。假定不存在外部风，分析不同人员配置（肩并肩，排成直线或者交错行进），由此评估第二人在第一人喷出飞沫下的暴露程度。

结果显示在步行或跑步时跟随者排在前方人员后方，即处于前方人员滑流中时，对其喷出飞沫暴露程度最高，前方人员与跟随者之间距离越短，暴露程度越高。这就意味着在本研究条件下，即等同于间距1.5米人员静止站立的条件下，可通过两种方式避免显著暴露于飞沫环境的影响：避免在前方人员的滑流中步行和跑步，并且在错位或者并排状态下保持1.5米间距，或通过加快行进速度来保持更远的社交距离，速度越快则距离越远。

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