通过用于喷气发动机的基于物理的建模了解COVI

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通过用于喷气发动机的基于物理的建模了解COVI

Swetaprovo Chaudhuri (UTIAS)教授通常把他的时间花在研究流体在喷气发动机中的运动上。现在,这些专业知识正被用于了解COVID-19的传播。

在飞机发动机中,燃油以微小的飞沫喷入燃烧室,其大小与咳嗽或打喷嚏喷出的燃料有点相似。他说。虽然呼吸喷剂的具体条件不同,但涉及到的基本物理原理是相同的。

今年3月,当疫情在加拿大和其他国家蔓延时,乔杜里召集了一些长期合作的人:加州大学圣地亚哥分校的阿布舍克·萨哈教授和印度科学院的萨帕塔什·巴苏教授。

他们一起开始考虑如何改变他们在燃烧研究中传统的基于物理的模型,来描述传播新病毒的过程。

在我们看来,物理学至少涉及到三个层次,乔杜里说。首先是液滴的尺度:它们是如何形成和蒸发的。第二个是喷雾的规模:喷嚏或咳嗽中飞沫的大小分布和轨迹。

第三是人与人之间的互动。作为第一步,我们可以模拟人与人之间的相互作用,就像我们模拟化学反应中分子之间的碰撞一样。他说。

该团队相信他们的模型是第一个明确地将呼吸液滴云的空气动力学和蒸发物理与描述疾病在人群中传播的方程式联系起来的模型。

为了验证这个模型,研究人员在一个声学悬浮器中进行了实验,这是一种利用声波使盐水液滴悬浮在空气中的装置。研究小组测量了这些悬浮的水滴是如何蒸发的,然后将数据输入到他们的模型中。完整的结果最近发表在《流体物理学》杂志上。

乔杜里很快指出,他和他的同事既不是病毒学家,也不是流行病学家。此外,他们的模型的预测是基于理想化的假设。这需要通过实验进一步验证。尽管如此,这个模型还是让研究小组做出了一些重要的推论。

一是飞沫持续时间更长。因此能够走得更远。在凉爽潮湿的条件下比在炎热干燥的条件下。事实上,即使在一些温和的条件下,模型预测它们在蒸发之前可以在空中飞行12英尺。

如果相对湿度大于85%左右,大部分呼吸飞沫都不会蒸发,小的飞沫可以传播很远的距离。乔杜里说。即使在蒸发的条件下,剩余的半固态液滴核也能走得更远,在稀薄的浓度下悬浮在空气中数小时。但是,困在这些核内的SARS-CoV-2病毒的传染性问题还有待解决。

另一个推论是,在液滴云中,中等大小的液滴在蒸发前传播得最远。这是因为在大多数情况下,较小的飞沫蒸发得更快,而较大的飞沫更重,在被喷嚏或咳嗽推到很远的距离之前就沉淀下来了。

在环境相对湿度小于80%的情况下,存活时间最长的液滴的初始直径在18-48微米之间。乔杜里说。幸运的是,这个尺寸可以用口罩过滤掉,这表明广泛使用口罩肯定有助于减少传播。

Chaudhuri说,预测COVID-19的准确传播不是这个初步模型的目的。相反,我们的目标是测试基于基础物理的第一性原理建模方法的可能性。

这与大多数流行病模型形成了对比,在大多数模型中,最重要的比率常数是恒定的。在考虑了当地人口的某些特征后,通过拟合最近爆发的现有数据来描述病毒如何传播。

虽然这是一种实际的方法,但其结果之一是,该模型只反映了以前暴发的具体情况。如果条件发生变化,这些速率常数可能对当前和未来的爆发无效。

我们想做的是用物理原理建立一个模型,根据传染性呼吸道液滴云和易感人群之间的碰撞频率推导出速率常数,这个速率常数在理论上可以适用于任何条件。乔杜里说,只

虽然还需要进一步的实验来改进模型中使用的参数,但可以将该方法与目前流行病学的最新技术相结合,从而在理论上在未来实现更准确的预测。

我们希望看到我们提出的想法被纳入到专业流行病学家所使用的流行病模型中。乔杜里说。他们有经验和知识来进行现实生活中的预测,并提出公共政策建议。

参考文献:模拟呼吸飞沫在Covid-19型疫情中的作用作者:Swetaprovo Chaudhuri, Saptarshi Basu, Prasenjit Kabi, Vishnu R. Unni和Abhishek Saha, 2020年6月30日,流体物理学。

DOI: 10.1063/5.0015984