春天的脚步愈来愈近，好消息愈发鼓舞人心。3月18日，全国各省本土新增确诊病例皆归0，截至今日已经实现连续两天零增长。
也许很多人会问，现阶段国内疫情得到了有效控制，我们是否可以放心地摘掉口罩了呢？
根据官方通报，新型冠状病毒感染的肺炎主要通过飞沫传播，还有一种可能是通过气溶胶传播。
人类主要通过喷嚏或咳嗽等剧烈的呼吸产生飞沫。科学研究表明，喷嚏或咳嗽确实在呼吸系统疾病的传播过程中起到关键作用。飞沫里面包含了空气、飞沫、口腔内固体残渣，病毒则附着其上四处传播。
相关研究[1]表明，呼吸飞沫的直径一般在1000微米以下，其中50微米以下的飞沫数量占了大多数，16微米左右的飞沫数量最多。
图 | 飞沫直径与数量统计[1]
一般来说，直径大于100微米的飞沫，会在1秒钟内沉降到地面上。而直径小于100微米的飞沫，则会漂浮在空中，形成“粒子核”，随着水分的蒸发，就形成了包含病毒的气溶胶，科学家们则称之为“多相湍流漂浮云”，里面包含了空气、飞沫、口腔内固体残渣等。这些“漂浮云”运动的距离比我们想象中的要远很多，打完一个喷嚏后，漂浮物可以在几分钟的时间扩散至相当于到天花板的距离。[2]
图 | 喷嚏中的飞沫云
图 | 大尺寸飞沫的轨迹
作为计算流体力学工程师，看到这种特殊的流体力学现象，当然想要计算一下，从流体力学的角度解释喷嚏中飞沫的运动过程。
为了简化计算过程，我们采用二维网格，网格单元总数约为4000个；采用Euler-Lagrange算法，将飞沫认为是不连续的粒子。
根据相关资料，喷嚏气流的速度可以达到177公里/小时（我们换算并取整为50米/秒）。假设飞沫直径的分布范围为10~500微米，飞沫初始速度为零，完全靠气流加速；环境温度设为280K（约7°C），喷嚏气流的温度设为300K（约为27°C，低于体温）。飞沫粒子受到曳力、重力和湍流分散力作用。计算总时间为1s，时间步长为0.001s，计算域宽6m，高4m。
计算结果中，有两个现象值得关注。第一个就是“粒子云”中小尺寸粒子的运动方向反转，这就是流体中大名鼎鼎的“剪切层失稳”现象。
图 | 计算（左）和实验[2]（右）中的粒子运动方向反转
我国著名的流体力学专家陆士嘉先生对此曾有过形象的说明：“流体的本质就是涡，因为流体经不住搓，一搓就搓出了涡。”
这里的“搓”可以指流体的速度差。喷嚏中的气流高速运动，而环境流体则处于静止状态，高速与静止流体之间的速度差就形成了剪切层所示，进而通过剪切层失稳形成了“涡”。小尺寸粒子随流体运动，因此也就形成了运动方向反转。
图 | 剪切层失稳
第二个值得关注的现象，是大尺寸飞沫粒子快速运动飞离，而小尺寸飞沫粒子则悬浮在空中形成“多相漂浮云”，如下图所示。其实这是因为粒子的响应时间不同造成的。
图 | 喷嚏中的粒子运动
喷嚏流体从口鼻中发出后，将所有粒子加速到比较高的速度。上面我们分析过，喷嚏气流会受到环境中静止空气的影响，速度慢了下来，并形成了反转方向的“涡”。但由于大尺寸粒子的惯性大，它们不能很快减速，所以快速喷射到了地面上；而小尺寸粒子的惯性小，对于流体运动的响应很快，因此就随着流体形成了“涡”，漂浮在空中。这些漂浮在空中的小尺寸飞沫粒子，会随着大气运动到非常远的距离，甚至比大尺寸飞沫远5~200倍。
打喷嚏是一个很小的动作，但不要以为喷嚏的影响范围很小。在打喷嚏后1秒内，喷嚏中的飞沫就会充满宽6米、高4米的房间；如果在室外的话，“飞沫云”会随风运动到更远距离，附着在其上的病毒也有机会传染给更多的人。
口罩可以有效阻挡病毒飞沫，降低感染风险。尽管当前我们已经取得了抗击新冠肺炎疫情的阶段性胜利，但是零增长不等于零风险，掉以轻心仍可能使疫情反弹。
看完本文，希望大家可以继续加强警惕，在公共场合带好口罩、做好防护，相信我们一定会尽快打赢这场战“疫”！
[1]. DUGUID, J. P. 1946 The size and the duration of air-carriage of respiratory droplets and droplet-nuclei.J. Hyg. 44 (6), 471–479
[2]. LYDIA, B., Eline, D. and John, W. M. B., 2014 Violent expiratory events: on coughing and sneezing. J. Fluid Mech. 745, 537-563
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