疫情时代的CFD模拟：咳嗽过程中面罩防护效果研究
经历了三年新冠疫情，人们的生活习惯也在悄然发生改变。必要的物理防护（口罩、面罩等）和保持社交距离已经成为社会共识。随着防控政策的放开，各地都在经历着感染人数达峰的痛苦阶段。也许我们的读者此时也在发热、四肢酸痛、“刀片嗓”或咳嗽，如果你滑到了这篇文章，不妨和我们一起了解一下CFD人员对病毒传播过程的研究工作，了解一下“敌人”的传播特性，为以后的个人防护提供一些有益的思路。德州理工以及华中科技大学的研究人员对咳嗽过程中面罩的防护作用做了CFD分析。他们建立了3x3x1.2米的计算域空间，采用简化的嘴部空穴模型，利用CONVERGE的自适应网格和固定加密技术进行网格布局。
在数值方法方面采用LES湍流模型，利用拉格朗日粒子方法表征飞液，并对飞液的初始化粒径做了Rosin-Rammler分布设定，考虑了液滴的破碎、蒸发和湍流扩散的影响。入口速度边界考虑了嘴部开合面积的变化。以下是他们的仿真结果，我们看到如果不佩戴面罩，口腔喷出的飞液会扩散至远离人体的区域，即便在无风条件下，5秒的时间其喷射距离也可以达到2米以上，突破了目前形成的人与人的社交距离。佩戴面罩的计算结果可以发现，飞液的分布一般会限制在人体附近有限的区域内，大概只有0.2米左右的范围，且随着时间发展，飞液的下沉比扩散更容易。同时也意外的发现，会有部分飞液在冲击面罩后绕过头部扩散至了头后侧，且其扩散路径正处于人体高度位置，更容易进入呼吸系统。这也就意味着即便你前面的人佩戴的面罩，后方位依然应该保持足够的社交距离，且更应注意防护。这给我们平时生活的防护习惯提出了新的建议。
从咳嗽过程中头部附近的速度场也可以发现上述飞液扩散过程的端倪。
研究人员总结了飞液粒子流通的概念模型，即从嘴部喷出的飞液一部分会粘滞在面罩表面，大部分在面罩反弹作用下离开头部区域，下沉和扩散过程中会粘滞在人体或衣服表面，剩余部分会逃逸至环境空气中。由此可见，减少飞液在空气中传播的重要因素包括：面罩的设计、人体体型、面罩和衣物的材料。
研究人员也尝试着对现有的面罩做了一些设计上的改进以减少喷射飞液的扩散，比如他们在面罩底部增加了一个内沿。
效果如何呢？对比一下两款面罩设计下的速度场可以发现，相比于之前无内沿的面罩，新的设计方案可以更好的将喷出的气体引导至人体，并更贴合人体发生下沉。这个过程可以更有效的抑制咳嗽过程中的飞液向外扩散，且在贴合人体过程中更充分的和衣物接触。
图 上为旧面罩流场，下为新面罩流场
不过通过计算结果研究人员还发现，尽管前行路径上的扩散减少了，却带来了新的问题——向后扩散。
新的面罩设计对飞液扩散带来了怎样具体的变化呢？在前文模型介绍部分可以看到，研究人员对整个计算域做了空间上的划分，就是为了对不同空间区域进行飞液扩散的统计。从下表数据可以看出，通过面罩设计改进，人体前方的C和F区域的飞液数量和质量大大减小，而身后的A和D区域的飞液统计是明显增多了的。
当然，这仅仅是研究人员的一次大胆的尝试。由此也可以发现，咳嗽过程的飞液扩散和速度场对面罩设计变化非常敏感，一个小小的改动就可以得到不同的流场。这也充分说明了科学合理的面罩设计的重要性。除了面罩设计以外，其他更多的因素也需要在未来的研究中进一步考虑。
后疫情时代，个人卫生防护也变得更加重要，相信会有越来越多的研究者通过自己的科研和技术来为人们提供更加有效和安全的防护措施，为人们的健康保驾护航。
