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发挥专业技能,助力疫情防控
2020-03-14 14:07  

2020年伊始,突入其来的新型冠状病毒使数以万计的民众受到感染,给人民生活和经济社会发展造成巨大影响。疫情当前,防控工作形势严峻,作为高校师生在坚决贯彻落实中央指示精神及教育部和学校防控工作部署的同时,也在积极利用专业技能为遏制病毒进一步扩散提供理论支持和科学依据。

新型冠状病毒具有极强的传染性,在疫情防控工作中稍有松懈便可导致严重后果。所以,对于新型冠状病毒,需做到“宁愿十防九空,不可失防万一”。

鉴于此,大连理工大学极速PK10院长夏广庆教授发出倡议,组织和带领师生运用自主开发的粒子模拟程序、流体力学理论知识和仿真软件等对病毒传播过程及喷嚏传播现象进行了仿真模拟,鹿畅博士后、韩亚杰博士生、吕维梁老师等积极参与到模拟仿真中,以解释新型冠状病毒的传播过程,引起大家的高度重视,进一步提醒公众做好安全防护措施。

积极配合防控工作,严格遵守学校防控政策

新型冠状肺炎病毒的传播速率对人员间隔距离和室内人员密度非常敏感。因此,控制人员间隔距离和室内人员密度,并严格监控校园进出入人员健康状态,将对病毒传播速率具有重要影响。针对这一问题,采用粒子算法对病毒在校园及楼宇内的传播进行了模拟仿真,结果如视频1和图2所示。该仿真模型基于以下原理:1)人员从学校南门进入时进行检测,若出现发热等症状送往隔离区;2)初始进入学校的人员中认为有百分之十的几率存在潜伏期患者,但无明显症状,故可正常进入学校;3)人员之间的有效距离若小于1米则有较高几率感染,若大于2米则有较低几率感染,在下班时若有发病症状送往隔离区,离开学校后认为在各自住所内不会相互感染;4)病毒潜伏期设置为两天,人员在感染两天之后发病;5)进入学校的人员随机前往一座办公楼,默认前往主楼办公和办事的人员较多,前往研教楼的人员较少。

视频1病毒传播动态过程(出入口有监管且室内人员密度<4m2/人)


根据计算结果可以看出,由于前往研教楼的人员较少,避开了潜伏期患者,几天过后仍没有人员感染,而其它几座办公楼在仿真初期,只有极个别潜伏期患者,但是随着人员的流动逐渐增多,且在发病后前往隔离区也不能阻止疫情的扩散,进入办公楼的人员被逐渐感染。

在上述过程,校园出入口采取了监管措施且室内人员密度较小,在一周内病毒传播比例约为40%每周(图2绿线所示)。然而,若校园出入口无监管或室内人员密度增大,病毒传播比例将显著增大,如图2所示。当室内人员密度不变但校园出入口无监管时,病毒传播比例约为75%每周(图2红线所示),且传播速率没有衰减的趋势;当人口密度增大一倍但出入口有监管时,病毒传播比例约为67.5%每周(图2蓝线所示)。由此可见,在校园出入口采用监管措施并减小室内人员密度可大大降低病毒传播速率。(仿真中传染模型和数据仅供定性参考,并不代表真实病毒的传播速率。)

图2不同状态下的病毒传播速率


因此,应严格遵守学校防控政策,教工之间、教师与学生之间交流保持1.5m以上安全距离;实验室内工作人员密度不低于4 m2/人,并积极配合学校疫情防控相关工作,加强校园和楼宇管理意识,与其他人员保持足够的安全距离,杜绝不必要的出行,不聚集、不聚餐,不要增加传染风险。

时刻保持警惕,继续加强个人防护

新型冠状病毒存在三种传播途径:飞沫传播、接触传播和粪-口传播。其中,飞沫传播途径是疫情防控的重点,该传播途径与我们生活中常见的一种现象息息相关——喷嚏。

新型冠状病毒的直径约为0.1μm,但其需要附着在唾沫等飞沫上,飞沫直径大于2.5μm,而喷嚏中的液体开始状态是片状,然后穿刺并形成环状,最终被气流拉伸,流体珠破碎为1000~40000粒液滴[1,2]。参考上述实验数据,模拟中飞沫粒径选取3μm和100μm两种典型粒径,同时考虑飞沫与空气的相互影响,最终计算得出飞沫的运动轨迹。将高速摄影的实验结果(图3所示)[1]与模拟结果(图4所示)对比,可以看出模拟结果与实验结果趋势一致,所开展的仿真模拟能够较好的模拟喷嚏现象。

https://pic2.zhimg.com/80/v2-09339143e576813c200ae5746af4ff5a_720w.jpg

图3高速摄影下喷嚏的气旋状态及大液滴运动轨迹[1]


图4喷嚏气旋过程仿真结果(动态演示)


图5显示了喷嚏中飞沫随气旋运动的过程。可以看出,飞沫从鼻腔中喷出,较大粒径的液滴惯性较大,快速飞离后落地。但是打喷嚏的过程类似于空气射流的过程,空气射流形成强烈的湍流,有助于飞沫传播更远距离。仿真显示飞沫仅在0.5秒内就漂移了1m左右,据文献报道喷嚏飞沫甚至可以漂移到8米左右[1]


图5飞沫运动轨迹仿真结果(动态演示)


针对电梯内(典型尺寸:宽1.35米×长1.4米×高2.5米)喷嚏飞沫的运动过程进行了仿真,如图6和图7所示。仿真显示,经过10秒左右,感染者的喷嚏飞沫已经飞入了健康者的口鼻内。所以,在未佩戴口罩情况下,与患者近距离短时间的接触,也极有可能感染病毒。


图6电梯内人员设置


图7电梯内飞沫轨迹仿真结果


经过上述仿真可见,喷嚏对病毒的传播具有重要作用,戴口罩能有效阻断呼吸道飞沫传播。据报道,2020年2月28日,在重庆新冠肺炎疫情防控工作新闻发布会上,江北区疾控中心现场通报了一个案例,一名患者就因为在乘坐公交车时没有戴口罩,与一名确诊患者前后相差16秒乘坐同一辆公交车而被传染[3]。所以,在公共场所,应全程正确佩戴口罩,有效防止飞沫进入口鼻。

此次新冠肺炎疫情是新中国成立以来传播速度最快、感染范围最广、防控难度最大的重大突发公共卫生事件。让我们众志成城、并肩作战、严防严控、共克时艰!


[1]https://www.nature.xilesou.top/news/the-snot-spattered-experiments-that-show-how-far-sneezes-really-spread-1.19996

[2]https://tech.sina.com.cn/2020-01-24/doc-iihnzahk6095130.shtml

[3] https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_6234399


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