最近后台经常有道友留言问病毒扩散或气溶胶扩散仿真方面的问题，更有道友不止一次留言让做一期气溶胶传播的教程。但这些留言基本都被我忽略了。然而留言太多，我觉得还是有必要就这个话题聊一聊。
额，我对医学的了解仅限于头疼发烧要去医院打针吃药，其他方面了解极少。不过最近病毒肆虐，网络上各种关于病毒传播方面的科普层出不穷，倒是学了不少医学常识。
中学的时候学过生物，都知道病毒没有细胞结构（如细胞膜、细胞壁等），仅由蛋白质和遗传物质（DNA或RNA）构成。在缺少细胞结构的情况下，病毒很难独立生存，一般情况下需要借助于宿主，没有宿主的病毒裸露在空气中很快就会死亡。
就目前从网络上掌握的信息来看，病原体的空气传播途径主要包括三种（来自搜狗百科）：
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经飞沫传播（droplet transmission）含有大量病原体的飞沫在病人呼气、喷嚏、咳嗽时经口鼻排入环境，大的飞沫迅速降落到地面，小的飞沫在空气中短暂停留，局限于传染源周围。因此，经飞沫传播只能累及传染源周围的密切接触者。
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经飞沫核传播（droplet nucleus transmission）飞沫核是飞沫在空气中失去水分后由剩下的蛋白质和病原体所组成。飞沫核可以气溶胶的形式漂流到远处，在空气中存留的时间较长，一些耐干燥的病原体如白喉杆菌、结核杆菌等可以此方式传播。
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经尘埃传播（dust transmission）含有病原体的较大的飞沫或分泌物落在地面，干燥后形成尘埃，易感者吸入后即可感染。凡对外界抵抗力较强的病原体，如结核杆菌和炭疽杆菌芽孢，均可以此种方式传播。
目前专家所言当前病毒的传播可能存在两种途径：飞沫传播与气溶胶传播。下面就来聊聊飞沫传播与气溶胶传播仿真过程中的难点需要注意的问题。
Q1：边界的选取
边界选择比较麻烦，如果以人口为边界，则需要指定液滴的初始条件（粒径、速度、质量流量等）信息。人类口腔和鼻腔是一个超级复杂的雾化器，在咳嗽或打喷嚏时，其将液体雾化成液滴而喷出。根据咳嗽的力度不同，雾化的效果也不一样。一些文献给出雾化后的液滴粒径分布约在10~100 μm。颗粒粒径的分布与口鼻的雾化效果有很大的关系，这个没法计算，只能靠测量，而且没有代表性的数据。
若以下呼吸道为入口，则势必要创建口鼻的几何模型，利用CFD方式再现雾化过程，说句实在话，目前也没有很好的数理模型来描述这一过程。Fluent最近几个版本在使劲推广的流型转化模型，可不就是干这活儿的嘛。连续相的下呼吸道粘液通过高速气流携带，从而破碎成不连续的液滴乃至液雾，很是复杂，不好做。
当然，如果探测装置齐全，大可以测量人口鼻中喷出的液滴参数，可以使仿真过程大大简化。当然前提是测得准，千万别以为这个很好测。
Q2：液滴粒径变化
除了初始液滴粒径需要重点考虑之外，液滴在空气中的后续行为更加复杂。小液滴可能会汇聚成大的液滴，大液滴也可能会破碎成小液滴，球形液滴可能变成椭球形，还可能变成不规则形状。液滴的尺寸与形状将会影响到其在空气中的受力，继而影响其运动轨迹。那有好的模型来做这个工作吗？貌似并没有非常完善的模型。液滴的尺寸变化可以使用PBM模型进行处理，颗粒的受力目前大多采用经验公式（除了球形以外，其他形状的颗粒受力全都是），定性分析也许还凑合，定量分析难度颇大。这样说起来，气溶胶形式传播仿真相对还要简单一点，因为气溶胶是固体，没有这种形状改变方面的麻烦，至于有没有粒径变化，就不得而知了。但是气溶胶仿真麻烦的地方在于其粒径非常小，受力要比大粒径的飞沫更加复杂。
Q3：液滴受力
液滴的受力实际上很难处理，因为粒径不同的颗粒受外界影响程度不同（想想沙尘暴与雾霾）。比如说大颗粒的液滴在空气中传播我们称之为飞沫，而小颗粒则常称之为气溶胶。大颗粒液滴比较容易处理，因为其主要受重力影响，而小颗粒则不好处理，当颗粒小到一定程度后，重力对其运动轨迹的影响很小，此时曳力对其影响较大，而更小的颗粒，则什么布朗力、范德华力的作用又凸显出来了，使得问题变得更加的复杂。
还有液滴形状，现在大多数CFD软件处理液滴，大多数是以球形作为基准，非球形则以修正因子进行线性修正。至于液滴在空气中的形状到底是怎样的？我想大多数肯定不是球形的（别问为什么），这部分误差要考虑否？则需要评估了。好在液滴粒径越小，其形状越接近球形。
目前网络上有众多做病毒扩散传播仿真的文章，我这里挑一些有代表性的文章随便聊聊。
1、固定粒径
一些文章将病毒视作固定粒径的颗粒，在仿真计算过程中不考虑粒径的变化。采用的模型一般为DPM模型。这样做的误差实际上非常大，前面说了从口鼻中喷出的液滴粒径受非常多因素影响，而且粒径分布范围非常广，轻率的将粒径恒定在一个常数值上，个人认为非常不妥。最不济也要用个分布函数啊，比如Rosin-Rammler分布或高斯分布。
2、将病毒当气体处理
看到网络上一些用CFD做病毒扩散的文章中将病毒简化为气体，扩散过程采用组分输运模型进行考虑。当然不能说绝对不妥，这个要分场景。都知道组分输运模型处理的是连续相之间的扩散，若病毒通过空气进行传播，到时候可以采用组分输运模型进行处理。然而病毒是依附于液滴进行扩散的，这种情况下哪怕使用欧拉模型也比使用组分输运模型更有说服力一些。
3、只考虑空气
这种情况很多时候是有效的，比如说考虑病房中的环境问题。从定性的角度去评估封闭的病房的通风循环效果，此时没有多大必要将病毒考虑进去。而且这种时候也不好去考虑病毒颗粒，因为初始条件很难去确定。再者在强制通风的病房中，病毒液滴对空气流动的影响很小，忽略病毒液滴对减小计算量很有帮助，而且对计算结果影响也不大。
在当前全球抗疫的当头，任何与病毒传播相关的文章都很敏感，然而很多自媒体为了博眼球而整出一些经不起推敲的文章，没人看也就罢了，误导人可就罪莫大焉。利用CFD仿真病毒扩散过程真的是个技术活，远比想象中要复杂得多。在这个敏感时期，还是不要想当然的去仿真了。
本篇文章来源于微信公众号: CFD之道
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