理发店和病毒

气流管理工具如何减少 COVID-19 在封闭空间中的传播。

公认的是，SARS-CoV-2 病毒的传播主要是人与人之间的，通过人咳嗽、打喷嚏甚至说话时产生的飞沫和气溶胶。

克里希南杜·辛哈 编剧

随着 COVID-19 大流行在印度蔓延，重点一直放在解锁和开放经济上。一个严酷的现实已经开始出现，在开发出疫苗或新疗法之前，我们将不得不学会与大流行共存。除了社交距离和口罩使用等社会行为的变化外，改造工作场所和公共空间，如邻里商店、办公楼和教室，将在降低冠状病毒传播和传播的风险方面发挥重要作用。

公认的是，SARS-CoV-2 病毒的传播主要是人与人之间的，通过人咳嗽、打喷嚏甚至说话时产生的飞沫和气溶胶。液滴，通常为亚毫米或更大，在因重力而喷出后迅速落到地面上。气溶胶颗粒要小得多（小至千分之一毫米），可以悬浮在空气中，可能携带传染性病毒颗粒，并且可以被人吸入。因此，了解空气流动和通风，尤其是在气溶胶往往持续存在的封闭空间中，是控制感染传播的关键方面。



现在的问题是：如何降低在封闭空间（如邻里商店或理发店）感染 COVID-19 的风险？理发店面临一些独特的挑战。理发期间，商店的顾客会坐在一个地方，通常为 10-15 分钟。在此期间感染风险受什么影响？当然，理发师和其他顾客遵循的口罩礼仪很重要，顾客之间的物理距离也很重要。同样重要的问题是：是否有足够的通风来驱散空气中的飞沫和气溶胶？或许，理发师自己心中也有许多相同的问题。毕竟，他在那个封闭空间里花费的时间比顾客多得多。

我们考虑了 IIT-Bombay 校区的理发店，教职员工和学生经常光顾（他们中的大多数人目前正在网上、在家中继续接受教育）。校园理发店的布局可能类似于人们在该国大多数城市环境中会遇到的情况。商店通常包括一个封闭的房间（在某些情况下有空调——校园商店就是这种情况）并且通常通风不良。在任何给定的时间，它都有超过少数人。有顾客进出，保持社交距离具有挑战性。在这种情况下，是否可以通过管理气流来加强通风并降低空气传播的风险？

在技​​术方面，空气流动的研究被称为流体力学，它在从航空航天和机械工程到天体物理学和环境的许多领域都很重要。流体力学告诉我们空气如何在通道中和障碍物周围流动。流体力学的数学方程是众所周知的，但求解它们是非常困难的。需要高度复杂的计算机模拟来预测空气流动，这构成了一个称为计算流体动力学的研究领域。 CFD 可以告诉我们理发店里的空气是如何流动的，以及传染性飞沫是如何被流动的。它还可以计算风扇、窗户、空调和许多其他因素如何改变气流。

CFD 已被广泛用于研究封闭空间中的空气流动，例如铁路车厢、办公空间和购物中心。一些报告的研究关注提高人类舒适度和减少电力使用，例如，通过更好的空调系统设计。在这些时代，由于我们的生活被 COVID-19 主导，CFD 研究集中在口罩的影响（显示口罩如何减少飞沫的数量和它们传播的距离）以及空气流动和气溶胶传播的超级市场。香港一个团体的一份报告显示，来自单一来源的传染性飞沫如何扩散到高速铁路的整个车厢。

具体而言，在理发店的环境中，CFD 可用于设计改造解决方案，以最大限度地减少空气传播的感染传播。简单的措施，比如安装排气扇，甚至是一个简单的立式风扇和打开后门（幸运的是，我们在 IITB 理发店有一个）可以产生很大的不同。这个想法是快速将水滴从房间内的潜在来源分散到外面，以尽量减少对理发师和其他顾客的风险。简单的计算已经可以告诉我们排气扇所需的尺寸和功率。例如，假设理发店的典型尺寸为 10 英尺 x 15 英尺 x 10 英尺，如果我们希望每分钟更换房间内的空气，则需要每分钟可以吸出 1500 立方英尺空气的风扇，或 1500 cfm，因为它在排风扇规格中给出。为了将速度提高一倍，我们可以安装两个这样的风扇，或者一个 3000 cfm 的排气扇。

虽然简单的计算是一个很好的起点，但需要详细的 CFD 进行严格的分析。排气扇可以增加房间内的自然空气循环，也可以阻碍它。因此，了解排气扇产生的精确流动模式变得至关重要。例如，可能存在二次空气流，有时称为死区，其中的空气袋可能会滞留很长时间。自然，这不会将空气排出房间，坐在这种死区的人更容易吸入持久性气溶胶。放置风扇和通风口以避免理发店中的此类死区对于气流管理至关重要。我们需要 CFD 模型来识别房间中的死区，并估计空气在这些口袋中徘徊的时间。使用 CFD，我们可以在房间的计算机模型中布置风扇和通风口，以获得最佳解决方案。

也可以计算随着客户进出门或突然从外面吹来暖风时气流发生变化的场景。 CFD 还可以预测事物如何随天气或地理位置而变化。然而，随着问题开始变得越来越复杂，即使是现代计算机，流体力学方程也不会那么容易产生。例如，回答一个头脑简单的问题，比如地板上的数百万发碎片会发生什么？可以突破超级计算机的极限。知道这真的很有帮助，因为没有人希望他们开始四处游荡。

使用 CFD 设计的改造解决方案可以扩展到其他封闭空间，如街角杂货店、小餐馆和医生诊所。每个人都可以有自己的方式来管理气流以减少感染。 CFD 可以帮助制定适合他们各自需求的改造解决方案。对于演讲厅、剧院和购物中心等更大的设置，我们必须处理更多的人和多个出入地点。问题的规模更大，但科学是相同的。我们将需要更大和更多的风扇和通风口，CFD 可以告诉我们将它们放置在何处最有效。具有实时数据的智能解决方案可能会根据给定时间点的人数进行调整。这在电力使用和安装方面可能更有效。

一组名为 COVID-19 流体力学研究 (FMRC) 的印度研究人员齐聚一堂，以解决经济重新开放带来的流体流动问题。该小组包括来自不同 IIT（IIT-Bombay、IIT-Madras、IIT-Roorkee）和工业界的研究人员，旨在使用先进的建模工具来提出有助于降低感染传播风险的改造解决方案。该小组特别感兴趣的是与封闭房间、公共交通，当然还有教室中的流体流动有关的问题。

作者是印度理工学院孟买航空航天工程教授