車內(nèi)空氣傳播的流體動力學

編譯 許林玉

當你讀到這句話時，你已經(jīng)吸入了曾經(jīng)通過我們之前每個人肺部的空氣。這一事實提醒我們，空氣等流體具有驚人的傳播和擴散其攜帶顆粒的能力。在新冠肺炎肆虐全球期間，我們都知道疾病可能會通過空氣傳播。但即便如此，如果處于空氣充分混合的戶外環(huán)境，我們在社交互動中交換的懸浮顆粒（或稱氣溶膠顆粒）的數(shù)量相對較少。

然而，在通風不良的密閉空間，情況卻截然不同。呼吸道疾病主要在室內(nèi)傳播，其途徑包括咳嗽、打噴嚏或大聲說話時急速噴出的大量空氣和飛沫。即使是正常的呼吸，呼出的每升空氣中所含的懸浮顆粒多達1 000個。在蒸發(fā)或沉積于物體表面之前，這些微滴可以在空中懸浮幾分鐘，而我們周圍那些看不見的漂浮熱卷流也可以將它們帶到很遠很遠的地方。

對于與家人以外的人一起乘坐乘用車（如出租車或拼車）上下班的人來說，這尤其令人擔憂。可以說，這種場景是親密社會互動的縮影。但普通汽車的內(nèi)部體積只有4立方米，因此不可能保持社交距離。

座艙微氣候

大多數(shù)大城市每天的拼車總量超過100萬次，平均行車時間約為15分鐘。世界各地的出租車和拼車公司不得不實施各種措施降低風險，如要求佩戴口罩、設置防護屏障和手部消毒等。然而，對于懸浮顆粒而言，這些措施只能起到部分防護作用。即使一個人戴著口罩，氣溶膠也可以通過口罩織物和臉之間最小的縫隙滲透。我們被告知，要與他人保持6英尺（約1.8米）的距離，但氣溶膠的傳播距離卻遠遠超出這一距離。幾分鐘之內(nèi)，這些微滴就會遍布座艙空間，使乘客暴露于病毒粒子中。

臨界值和安全暴露時間尚不清楚，很可能是取決于生物、性能和環(huán)境等多重因素的變量。我們能知道與陌生人共乘一輛汽車時空氣傳染的風險嗎？在最簡單的近似法中，度量標準是以每小時換氣次數(shù)（ACH）表示的座艙空氣質(zhì)量。另外，乘客數(shù)量也是重要的衡量標準。美國疾病控制與預防中心建議，1個人的通風量應達到至少10 L/s。

但對于風險評估來說，空調(diào)開啟或車窗搖下時形成的特定氣流模式也很重要。為此，在過去一年中，我和我的三位同事阿希曼蘇?達斯（Asimanshu Das）、杰夫?貝利（Jeff Bailey）及肯尼?布魯爾（Kenny Breuer）一起研究了乘用車內(nèi)部的流體動力路徑。

我們并非首個開展此項研究的團隊。此前，還有其他研究人員對這些最常見的氣流模式進行過研究，旨在確定如何降低座艙噪音或如何稀釋香煙煙霧。在研究過程中，布魯爾率先提出了自己的想法。他認為，當空氣在汽車周圍流動時，會對側(cè)窗產(chǎn)生壓力，而前側(cè)窗的壓力要低于后側(cè)窗。從18世紀開始，流體力學家就意識到了這種效應的存在。當時，丹尼爾?伯努利（Daniel Bernoulli）推斷，當氣流流動速度增加時，壓力通常會下降。如果是這樣的話，我們希望弄清楚，如果打開車窗，前后窗戶之間的壓力梯度是否也會導致座艙內(nèi)的氣流從后往前流動？

現(xiàn)場測試同時采用了煙霧可視化和流動棒技術，并驗證了這一假設。為了解決有關座艙內(nèi)氣流和具有潛在傳染性的氣溶膠的傳播等更詳細的問題，我們采用了計算機模擬技術。特別的是，我們得出了簡化（時間平均）版納維斯托克斯方程的答案，而這些方程幾乎適用于我們周圍所有流體的運動。

計算機模擬乘用車以每小時50英里的速度行駛時的氣流模式和氣溶膠濃度，并將右前側(cè)和左后側(cè)的車窗均打開。（a）氣流通過左后窗進入座艙，然后繞過后座，在乘客身后的右后角急轉(zhuǎn)彎，從右前窗出。一小部分進入的空氣在離開座艙前也會在車內(nèi)循環(huán)。（b）汽車的橫截面顯示出座艙內(nèi)的氣溶膠濃度，上面的車輛顯示的是駕駛員呼出的氣溶膠濃度，其中只有一小部分到達乘客；下面的車輛顯示乘客呼出的氣溶膠到達司機的比例也很小

氣流模式

我們大致以豐田普銳斯為原型設計了汽車的幾何外觀，并在右后座上安排了一名乘客。在這個共2名乘員的配置中，我們以時速50英里模擬了幾個車窗開啟和關閉的組合。正如預期的那樣，最佳方案是開啟所有四扇車窗，讓新鮮空氣從后窗進入后在座艙內(nèi)流通，最后從前窗排出。結果如下：有效空氣交換率為250 ACH，或每人50 L/s。如果汽車速度減半，有效空氣交換率也會降低一半左右。無論哪種情況，其數(shù)值都遠遠高于文獻中推薦的通氣量。不過，很明顯，在不良天氣條件下，由于寒冷、炎熱或潮濕的空氣會給乘員帶來不適，這種極端的做法不會被采用。

幸運的是，我們發(fā)現(xiàn)了一些其他的設置，它們所代表的折中方案更具有實際意義。例如，只打開兩扇車窗，一扇在后部，另一扇在前部，形成一條從后部到前部的交叉通風通道。令人驚訝的是，我們注意到打開離兩名駕乘人員最遠的窗戶（即前右窗和后左窗）的幾個關鍵優(yōu)勢。如圖（a）所示，這種情況下會產(chǎn)生一股氣流，從左后窗進入座艙，經(jīng)過后座乘客，最后從右前窗排出。進入汽車的新鮮空氣大部分在后側(cè)右下角急轉(zhuǎn)彎，只有一小部分滯留在座艙內(nèi)循環(huán)。

讓我們驚訝的是，我們注意到在駕乘人員之間形成了一道氣流屏障。屏障氣流可以保護駕乘人員，使他們免于交叉感染，就像超市和購物中心門口的空氣幕可以防止室外空氣與控制溫度下的室內(nèi)空氣混合一樣。該氣流還可以減輕快速流動的空氣直接吹向駕乘人員時產(chǎn)生的不適感，但仍能確保150 ACH的良好空氣交換率，或每人30 L/s。

直徑小于10μm的顆粒沿該路徑運動，并被進入座艙的氣流稀釋。在模擬過程中，我們考慮了平流和湍流擴散兩種效應，發(fā)現(xiàn)其中一個乘員呼出的氣溶膠大約有5%會到達另一個乘員所在的位置，如前述圖（b）所示。

現(xiàn)在，您覺得拼車安全嗎？要回答這個問題，我們不僅要考慮物理隔離措施和通風量，還要考慮實際的乘坐時間。對于SARS-CoV-2等新型病原體，我們只能評估其相對風險。盡管疫苗正在發(fā)揮作用，但這種病毒仍在不斷進化。事實上，科學家們最初可能低估了傳染病在人與人之間傳播時存在的巨大生物變異性。在COVID-19這種疾病中，20%最具傳染性的感染者造成了80%的疫情傳播。保險起見，我們現(xiàn)在還不能放松警惕。

資料來源 Physics Today