人体呼吸飞沫气溶胶特性研究

吕孟秋 周传辉 胡学军 李兆青 刘锋

摘要：各种呼吸传染病的传染率让国内外学者对于飞沫气溶胶进行细致的调查和研究，呼吸飞沫气溶胶形成的方式复杂，而且在疾病的传播中也起到重要的作用，学者采用数值模拟与实验操作相结合的方法，探究飞沫气溶胶的散发特性和传播特性，对于控制以及降低呼吸传染病的风险有一定启示和指导作用。

关键词：人体呼吸;飞沫气溶胶;CFD

近年来，室内空气品质问题日益严重，一直是建筑环境领域的研究热点，其中微生物污染甚至能直接或间接影响到人体身心健康，同时会造成各种呼吸道传染疾病，哮喘、建筑综合症等疾病[1]。自2003年，严重呼吸综合症（SARS）病毒席卷全球，致使全球30多个国家或地区的8000多人感染，900多人死亡;之后2005年的禽流感病毒、2009年甲型H1N1流感病毒、2013年甲型H7N9流感病毒纷至沓来，至今仍未平息;近些年，2013年在中东地区肆虐的中东呼吸综合症（MERS）病毒、2019年爆发的新型冠状肺炎病毒至今仍在威胁着我们的身体健康[2]。据统计，在SARS流行病中，全世界感染人员的20%是医护人员[3]，据国家卫健委统计，在新冠肺炎爆发初期就有3%的医护人员被感染。这表明，研究在疫情环境下如何合理得降低医护人员以及就医人员被感染的风险至关重要。

国内外学者对室内微生物污染物的研究至今已有上百年的历史[3]，国内外对于室内空气微生物污染物的研究主要集中在与呼吸道疾病相关的生物因子、污染源特性、通风方式等方面。呼吸道感染是人类最常见的疾病，其症状可从隐性感染直至威胁生命，通过飞沫传播和空气传播在室内进行扩散，一年四季均可发生，春冬季更为多见。迄今为止，仅引起呼吸道疾病的病毒就有200种之多[5]。然而，微生物污染物因其自身具有危险性，实验性研究受到限制，大多数学者使用非生物污染物进行实验研究或者数值模拟进行理论分析，其结果缺乏可信度。国外对于飞沫污染物的研究涉及多个方面，包括：飞沫污染物的粒径、浓度、速度、微生物的存活、飞沫的蒸发及沉降、温湿度、通风换气等因素的影响、污染物的控制、感染概率及风险评价等。而国内的研究起步较晚，多侧重于研究飞沫气溶胶的分布与扩散。

1人体呼吸的飞沫气溶胶的散发特性

国外学者采用固体/液体撞击法、电子撞击法、光学技术、飞行时间技术、粒子电荷分离等技术，借助显微镜、安德森采样仪、电子低压撞击器、高速照相机、光学粒子计数器（OPC）、干涉成像仪（IMI）、空气动力学力度仪（APS）、扫描电迁移率粒度仪（SMPS）等仪器，对人体呼气活动（呼吸、说话、咳嗽、打喷嚏）的飞沫散发特性（组分、温度、初始粒径、速度、数目和质量流率）进行了研究。国内在此方面的实验研究较少，大多借鉴国外的研究成果或在其基础上分析计算。

1.1组分

由于飞沫的蒸发性组分只有水，早年的许多研究在分析飞沫的蒸发过程时，将飞沫当作纯水考虑，忽略钠、钾、钙、磷、糖蛋白、乳酸盐等其他组分[6]。香港大学L.Liu，Y.G.Li，J.J.Wei等人[7]考虑了飞沫组分的实际特点，采用阶段模型将飞沫简化为1-100μm的含有NaCl的悬浮球状混合液滴。

1.2温度

Hoppe[8]在不同温度和相对湿度的环境中通过实测获得了人体呼出飞沫的温度，发现环境温度是最大的影响因素。当忽略环境温度对飞沫的影响时，可近似认为飞沫温度等于人体温度。目前，室内呼吸道疾病传播与扩散规律的相关研究通常将飞沫的温度边界条件定义为人的正常体温，即309K。

1.3初始粒径

由于测试技术、测试仪器和实验方法的不同，导致得到的人体飞沫粒径分布结果存在很大的差异。总体来看，人体说话、咳嗽产生的飞沫粒径范围大致相同，均呈双峰值分布。WilliamG[9]使用气溶胶颗粒分光光度计对流感病人在生病时和康复后咳嗽产生的飞沫进行实验研究，发现健康人呼吸产生的飞沫粒径范围为0-2.5μm，其中90%都小于1μm;说话产生的飞沫粒径范围为0.1-2000μm，其中粒径在1-10μm和60-90μm的飞沫所占的比重较大;咳嗽产生的飞沫粒径范围为0.1-2000μm，其中粒径在1-10μm和60-120μm的飞沫所占的比重较大。目前国内外广泛采用Rosin-Rammler分布函数来描述飞沫粒径分布。

1.4速度

人体呼出的飞沫污染物为连续相（空气）和离散相（飞沫）的混合物，飞沫与空气的喷射速度近似相同。正常呼吸产生的飞沫速度一般为0.2～0.3m/s，咳嗽和打喷嚏产生的飞沫速度远大于呼吸，最大速度分别可达10m/s和25m/s。不同呼吸活动产生的飞沫速度并非恒定值，如呼吸产生的飞沫速度为正弦函数，咳嗽产生的飞沫速度为脉冲函数[10][11]。

1.5数目

现有的实验结果数据存在较大差异，但一致认为不同呼吸活动产生飞沫的数目大小依次是：打喷嚏>咳嗽>说话>呼吸。关于人体呼吸产生飞沫数目的研究较少，JanGralton[12]发现健康人呼吸产生的飞沫数目为577个。刘鹏[13]假定人体呼吸一个周期产生的飞沫数目为800个，一次咳嗽产生的飞沫数目为2800个。

国内外学者在人体呼出飞沫气溶胶散发特性方面取得了颇有价值的理论成果，但现有的研究局限于单个人体呼出飞沫气溶胶散发特性，对于人员聚集区多人呼气的情况，缺乏全场呼出飞沫气溶胶的初始散发特性的研究。

2人体呼吸的飞沫气溶胶在空气中的传播特性

人体呼出飛沫与飞沫核在人际间传播是呼吸道疾病传染的重要环节之一，传播过程中伴随着蒸发、衰减、凝并、沉积等物理现象，十分复杂。除了与飞沫散发源的特性有关外，还与飞沫的蒸发特性、呼气气流的湍动特性、室内温湿度、气流组织、人员活动等因素有关。国外对于微生物的传播研究较多，主要以CFD模拟为主，实验方法较少。

2.1蒸发特性的影响

早年的研究通常忽略飞沫的蒸发特性，假设飞沫的直径恒定。实际上，人体呼出的飞沫通常包含大量水分，其温度高于室内气压对应的水的饱和温度，水分会不断蒸发，飞沫直径也会不断缩小，直至达到平衡。2005年，Nicas等人[14]建立了飞沫直径随时间的变化函数。HQian[15]在此基础上发展了基于drift-flux模型的多相流模型用以计算飞沫蒸发的颗粒物浓度。该模型假设颗粒物与室内空气之间只存在单向耦合，即颗粒物的运动情况受室内空气的影响，而颗粒物对室内空气的影响以及颗粒物之间的动量传递及能量传递均忽略不计。

2.2呼气气流湍动特性的影响

L.Liu，Y.G.Li，J.J.Wei[16]将咳嗽气流模拟成湍流射流，运用随机漫步模型和自相关模型研究了湍流速度脉动对于呼出飞沫分布的影响。研究发现小尺寸飞沫能够跟随气流传播很远的距离，而相对大尺寸的飞沫较快沉降。湍流中的速度脉动对增加飞沫的传播范围和传播距离发挥了重要作用。

2.3环境湿度的影响

L.Liu，Y.G.Li，J.J.Wei等人[16]借助数值模拟手段运用蒸发模型和非等温射流理论研究呼出飞沫在咳嗽射流中的传播距离和运动轨迹，将飞沫的命运表示成它们的初始尺寸、平衡尺寸和相对湿度的函数。与潮湿环境相比，呼出的飞沫在干燥环境中可能传播得更远。中小尺度的飞沫会很快蒸发变成飞沫核，并保持其平衡尺寸继续运动。空气传播在干燥空气中有更大的风险。这一发现与流感的季节性发病特点相吻合。

2.4环境温度的影响

N.P.Gao，Q.B.He，J.L.Niu，J.Z.Wu[17]通过全尺寸实验研究，发现在室内温度分层情况下，人体呼出颗粒物在呼吸区高度出现锁定现象。周琦和錢华[18][19]运用射流力学原理进一步揭示了锁定现象的机理，研究发现越大的无量纲密度梯度与越小的阿基米德数会导致呼气气流在越低的高度被“锁定”，增大室内感染传播的几率。YanY，LiX，TuJ[20]则通过模拟研究封闭空间中人体热效应对咳嗽飞沫蒸发和分散的影响。结果表明：通过蒸发和受人体热效应的影响上升到呼吸区而尺寸减少的飞沫，在室内人体区域其吸入性和感染风险实会更高。且随着沉积时间的显著延迟，飞沫的传播距离明显增加，可能导致咳嗽飞沫进一步扩散。

2.5通风方式的影响

关于通风方式对飞沫气溶胶在医院病房、手术室、学校教室、办公室、高层住宅、飞机机舱等场所内的空气传播的影响，国内外学者们采用全尺寸实验测量、小尺寸实验测量以及CFD数值模拟等手段开展了大量的研究。L.Liu，Y.G.Li等人[21]运用全尺寸实验测量以及CFD模拟手段，研究了不同距离、环境湿度、通风和呼吸模式对两个站立的人之间飞沫和飞沫核的人际传播的影响。研究发现，区分飞沫和飞沫核不同的传播途径（短距离和长距离空气传播）的阈值为1.5米。N.P.Gao等人[22]在拉格朗日法框架下对比了RNGk-ɛ模型、SSTk-ω模型和RSM模型在预测管内湍流中颗粒物沉积速度的性能优劣，提出了一种可以明显改进预测结果精度的渐变湍流动能修正方法，分析了四种送风气流（混合送风、置换送风、地板送风、个性化送风）下飞沫气溶胶的传播规律。

2.6人员活动的影响

J.L.Wang等人[23]基于欧拉—欧拉法，利用动网格模型来模拟人体行走，研究了超净手术室巡回护士不同行走方式对于手术关键区颗粒物浓度分布的影响，快的行走速度能在行走人体周边产生强烈的二次气流涡，但行走速度大小几乎不会影响手术关键区颗粒物浓度。此外还以空气传染性隔离病房AIIR和超净通风手术室UCVOT为案例进行了研究，发现人体行走会干扰AIIR的局部气流并会改变室内悬浮颗粒物的浓度。外科医生周期性屈身运动对于UCVOT室内带菌颗粒物浓度分布产生影响。J.Hang，Y.G.Li[24]将动网格技术和非稳态CFD模拟相结合，研究了六人间隔离病房中真人走动过程中四肢甩动对呼吸飞沫核扩散的影响。结果发现，真人走动产生的扰动增强了空气混合，身后的空气也随人往前流动。人流附近的流场受人运动的影响，但房间中的浓度场几乎不受影响。人走动过程中（0-5.4s），浓度场只发生了很少的改变。人停止走动后（5.4-30s），走动引起的尾流导致更多的污染物传播。

对于飞沫气溶胶的探究本文仅仅局限于其传播扩散特性，同时研究方法多采用数值模拟为主实验为辅的方法，这导致各学者得出的结论有所差异，因此未来对于飞沫气溶胶的研究应该多采用实验为主模拟辅助的方法，从而对其他复杂的因素对飞沫气溶胶的传播扩散影响以及目前已经有所探究的方向进行更深层次的归纳总结。

参考文献

[1]田伟，陈刚才，室内空气中颗粒物对人体健康的影响[J]，中国预防医学杂志，2002，3（3）：174-177

[2]周晓瑜，施玮等.室内生物源性污染对健康影响的研究进展[J].公共卫生.2005，34（3）：367.

[3]WHO.Summary of probable SARS cases withonset of illness from 1 November 2002 to 31 July 2003. World Health Organization. 2003.

[4]于玺华.现代空气微生物学[M].北京：人民军医出版社.2002，11：2-100.

[5]李劲松.室内空气生物污染危害评价和控制的研究.中华预防医学会环境卫生分会：全国空气污染与健康学术研讨会论文集，浙江.2005，156-170

[6]Effros RM，Hoagland KW，Bosbous M，et al. Dilution of respiratory solutes in exhaled condensates[J]. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine，2002，165（5）：663-669.

[7]Liu L，Li Y，Wei J and Ooi. Evaporation and dispersion of respiratory droplets from coughing[J]. Indoor Air，2017，27（1）：179-190.

[8]Hoppe，P. Temperatures of expired air under varying climatic conditions[J]. Int. J. Biometeor，1981，25：127-132.

[9]William G. Lindsley，Terri A. Pearce，et al. Quantity and Size Distribution of Cough-generated Aerosol Particles Produced by Influenza Patients During and After Illness[J]. Journal of Occupational and Environmental Hygiene，July 2012，442-449.

[10]Gupta JK，Lin C-H，Chen Q. Characterizing exhaled airflow from breathing and talking[J]. Indoor Air. 2010，20（1）： 31-39.

[11]Gupta JK，Lin CH，Chen Q. Flow dynamics and characterization of a cough[J]. Indoor Air，2009，19（6）： 517-525.

[12]Jan Gralton. The role of particle size in aerosolised pathogen transmission： A review[J]. Journal of Infection，2011（62）：1-13.

[13]劉鹏.病房飞沫污染物的浓度变化特征及污染控制[D].重庆：重庆大学，2016.

[14]Nicas，M.，Nazaroff，W.W. and Hubbard，A. Toward understanding the risk of secondary airborne infection： emission of respirable pathogens[J]. Journal of Occupational and Environmental Hygiene，2005，2： 143-54.

[15]H Qian. Ventilation for controlling airborne infection in hospital environments[D]，2007，Hong Kong： The University of Hong Kong.

[16]Wei J and Li Y. Enhanced spread of expiratory droplets by turbulence in a cough jet[J]. Building and Environment，2015，93：86-96.

[17]Naiping Gao，Jianlei Niu. Numerical study of the lock-up phenomenon of human exhaled droplets under a displacement ventilated room[J]. Building Simulation，2012，5（1）：51-60.

[18]周琦.自然通风病房内通风对呼吸道传染病传播影响的研究[D].南京：东南学，2016.

[19]Qi Zhou，Hua Qian，Haigang Ren，et al. The lock-up phenomenon of exhaled flow in a stable thermally-stratified indoor environment[J]. Building and Enviornment，2017，116：246-256.

[20]Yan Y ，Li X ，Tu J . Thermal effect of human body on cough droplets evaporation and dispersion in an enclosed space[J]. Building & Environment，2018.

[21]Liu L，Li Y，Nielsen PV，Wei J and Jensen RL. Short-range airborne transmission of expiratory droplet between two people. Indoor Air，2016，27（1）：179-190.

[22]Gao NP，He QB，Niu JL，Wu JZ. Comparison of different RANS turbulence models for predicting particle dispersion and deposition in enclosed environments[J]. Building and Environment，2012，48：206-214.

[23]Jinliang Wang，Tin-Tai Chow. Numerical investigation of influence of human walking on dispersion and deposition of expiratory droplets in airborne infection isolation room[J]. Building and Environment，2011，46： 1993-2002.

[24]Hang J，Li Y and Jin R. The influence of human walking on the flow and airborne transmission in a six-bed isolation room： tracer gas simulation[J]. Building and Environment，2014，77：119-134.