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呼吸道内病毒飞沫来源的数值模拟

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截至2020年7月底,新型冠状病毒肺炎(COVID-19,简称“新冠肺炎”)已导致全球超过1700万人感染,但其传播途径仍存在争议.呼吸道是病毒飞沫的重要来源,研究飞沫在呼吸道的沉积规律有助于明确它们的产生位置及不同粒径飞沫在新冠传播过程中的相对重要性.本文构建了人体呼吸道三维模型,利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟的方法研究了30 L/min(正常呼吸)、60 L/min(说话)和180 L/min(咳嗽)等稳态呼气工况下,由咽、喉和气管等病灶位置释放的飞沫的沉积规律.结果表明,咽、喉连接部位释放并能逃逸到体外的飞沫最大粒径是20 μm(30 L/min)或10 μm(60～180 L/rmin),声带或气管底部对应的临界粒径都是7μm(30 L/min)、5μm(60 L/min)或3μm(180 L/min);由于喉部射流的存在,喉部和咽、喉连接部位是最重要的飞沫沉积位置,鼻腔对小粒径飞沫的沉积也有重要作用.口腔可产生直径数百微米的飞沫,但口腔并非病灶,这些飞沫携带病原体量很少,新冠肺炎患者发病前期有上呼吸道症状时,由病灶释放并能逃逸到体外的病毒飞沫临界粒径是20 μm;当上呼吸道症状消失、以下呼吸道症状为主时,临界粒径降为7 μm.需进一步研究真实呼气瞬态工况下的飞沫沉积规律,以明确携带病毒的呼吸飞沫的临界粒径.
Numerical investigation on the origin of virus-laden droplets in the respiratory tract

魏健健、郭勇、雷浩、王磊、金滔、汤灵玲

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浙江大学能源工程学院,杭州310027

清华大学建筑学院,北京100091

浙江大学公共卫生学院,杭州310058

树兰(杭州)医院,杭州310016

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新型冠状病毒肺炎 呼吸道 呼吸飞沫 临界粒径 计算流体动力学模拟

国家自然科学基金中央高校基本科研业务费专项资金资助

51808488

2021

10.1360/TB-2020-0811

科学通报
中国科学院国家自然科学基金委员会

科学通报

CSTPCDCSCD北大核心
影响因子：1.269
ISSN：0023-074X
年,卷(期)：2021.66(4)
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