我们学到了什么来防止因COVID而关闭体育场馆?

编者按:补充信息于2022年11月22日更新。

2020年2月19日。在大流行早期，在封锁和体育赛事暂停之前。在意大利米兰的圣西罗球场，4万多名球迷聚集在一起观看了意大利亚特兰大贝加莫队和西班牙瓦伦西亚队的欧冠比赛。在以4-1战胜亚特兰大之后，当地报纸称这对到场的球迷来说是一个“神奇”的夜晚。两周后，当贝加莫医院的大厅里挤满了死于Covid-19的人时，一位医生给这项体育赛事起了一个不同的名字:“生物炸弹”。

这个游戏被广泛称为“游戏零”，这是疫情真正开始于意大利的地方。

荷兰埃因霍温理工大学和比利时鲁汶大学的伯特·布洛肯教授在电视上观看了这场惊心动魄的比赛，然后悲伤地看着这么多人聚集造成的毁灭性后果出现。他没有什么都不做，而是利用他在流体流动和计算流体动力学模拟软件方面享誉世界的知识和理解，来了解从欢呼的球迷口中排出的气溶胶(气体中细微的固体或液体颗粒的悬浮物，在这种情况下是空气)中捕获的Covid-19颗粒如何在体育场中传播，并可能积聚到足够高的浓度，导致如此多的感染。

布洛肯说:“足球场并不是一个户外环境，”尤其是现在，体育场的屋顶通常都有小开口，围成一个封闭的围圈，以保护球迷不受风雨侵袭。“就球迷的舒适度而言，这是一个很好的设计，但就体育场的通风而言，当空气中有像Covid这样的病原体时，它可能会适得其反。”

所以布洛肯在接下来的18个月里一直在表演Ansys流利模拟体育场馆、健身中心和教室中的气溶胶流动和积聚。他通过广泛的实验验证了他的模拟结果，包括在气溶胶发生器中植入人造唾液，以及在体育场对公众关闭时模拟看台上球迷的传感器。他还探索了如何使用空气净化器，让教室和健身中心在新冠疫情卷土重来时更安全。

体育场气溶胶行为的模拟与验证

如果你曾经看过一场职业足球比赛，你就知道球迷们在比赛开始前就开始欢呼和唱歌，比赛结束后很久还在继续。每唱一曲，歌迷口中就会飞出直径不等的飞沫。大的液滴往往只能移动很短的距离，然后就会屈服于重力的力量，但小的气溶胶颗粒可以在空气中漂浮几十分钟，甚至几个小时，并从源头移动数十或数百米。如果你吸入一个Covid病毒颗粒，你有可能不会被感染，但在一段时间内频繁吸入可能会使你的病毒载量或剂量高到足以让你生病。如果人类口中的气溶胶颗粒含有感染者的新冠病毒，持续两个小时或更长时间就会很危险。

为了更好地理解气溶胶是如何传播的，布罗肯接受了赛后取证的挑战，以确定2020年2月在米兰体育场可能发生的事情。

布洛肯说:“事后很难进行这种‘犯罪现场’调查，也很难了解到底发生了什么，何时何地。”“许多人认为，其中一些感染可能发生在往返体育场的运输过程中，当然这是事实。世界花了很长时间才意识到气溶胶在这场大流行中实际上很重要，并意识到模拟在理解气溶胶的行为方面可以发挥非常重要的作用。”

2020年12月，当人们被禁止亲自观看比赛时，布洛克恩和他的研究生团队首次在阿姆斯特丹空荡荡的克鲁伊夫竞技场(Johan Cruyff Arena)进行了物理实验。他们使用含有人造唾液的气溶胶发生器作为人类的替代品，并在体育场的一小部分使用气溶胶粒子探测器，随着天气条件和相关的体育场自然通风的变化，他们收集了气溶胶粒子的大小和浓度的数据，每小时、每一天都在变化。

几个月后，也就是2021年3月，新冠疫情的情况有所改善，布洛克肯可以在体育场里对5000人进行人工气溶胶研究。结果证实，2020年12月的实验产生的结果与人们在足球比赛中产生的气溶胶分布非常吻合。

尽管如此，这些物理实验与布洛克肯想要研究的复杂现实场景相差甚远——整个体育场挤满了人，在体育场的不同海拔，在不同的风速和方向下，在不同的温度范围内，自然通风和机械通风。他估计，完成所有这些物理实验需要一年多的时间。模拟使研究所有这些变化成为可能。

“使用Fluent模拟，我们让整个体育场都挤满了人，”布洛克恩说。“我们让他们以不同的强度呼气，我们让他们欢呼。我们让他们戴上口罩以降低颗粒浓度。我们有不同的温度条件，不同的风速。”

在荷兰政府组织Health-Holland和由Ansys和微软组成的白宫联盟的资助下，Blocken和他的团队使用阿姆斯特丹的约翰克鲁伊夫竞技场作为模型进行了CFD模拟。体育场周围有一些高层建筑，所以它们也被包括在500米乘500米的模型中，因为它们会影响体育场内部的风模式。将网格尺寸缩小到10厘米左右，可以生成一个包含大约3000万个细胞的大型模型。模拟还需要在非常长的持续时间内使用非常小的时间步长。由此产生的60,000个时间步使得有必要在微软Azure提供的强大计算机上运行Fluent模拟。

布洛肯说:“这个模拟设置让我们很好地了解了体育场的实际气溶胶浓度和通风情况。”他补充说，风速和风向以及环境温度被证明是重要的变量。“也许模拟中最重要的事情是，它使我们能够为约翰克鲁伊夫竞技场制定气溶胶预测协议。由于我们根据当地天气预报模拟了很多情况，我们现在实际上可以预测特定比赛日的气溶胶浓度。”

他希望，如果出现新的大流行浪潮，世界各地的体育场官员将使用他的模拟协议，根据具体情况做出关闭体育场的决定，而不是实施长达数月的封锁，让所有球迷都呆在家里。

布洛肯总结说:“这场大流行在很大程度上让我们感到意外，我们绝不能让这样的事情再次发生。”“在这场大流行之后，我们不要一切照旧。通风和空气净化等工程解决方案是存在的，工程方法、计算机模拟和测量协议也存在于最高质量的水平，所以让我们都用它们来对抗气溶胶引起的健康问题(Covid、流感、花粉过敏等)。”

模拟健身中心和教室的气溶胶浓度

除了体育场馆，布洛肯的团队还对在疫情期间保持健身中心和教室开放感兴趣，这样人们就可以通过锻炼来保持健康，改善情绪，孩子们也可以在集体环境中学习。因此，他们将模拟应用于这些重大挑战。

“如果你把空气中存在的气溶胶粒子以一升的体积计算，就像一大瓶水，”布洛克恩说，基于他在一个典型的教室里进行的物理实验，“你可能会发现大约20万到30万个直径从10微米到0.25微米不等的粒子。这包括来自呼吸、交通和花粉的气溶胶颗粒。这是一个巨大的数字。所以，你可以想象，在一升非常小的体积中，你可能会有很大的病毒载量。”

布洛克恩的团队于2020年7月开始通过物理实验和模拟研究健身中心和教室的气溶胶浓度。他们招募了埃因霍温科技大学的35名学生和教师，让他们在酒店隔离两天，然后进行新冠病毒检测，以证明他们没有被感染。之后，他们每隔30分钟在大学的学生体育中心锻炼一次，该中心配备了两个新的空气净化器和传感器，以测量空气中气溶胶颗粒的大小和浓度。

这些实验和Fluent模拟的结果表明，在空气清洁器打开之前，每小时彻底清洁空气6次，就可以将气溶胶颗粒浓度降低到正常浓度的5%到10%。

接下来，布洛肯在2021年12月启动了“1000教室项目”，当时他注意到，虽然大多数国家都在接种疫苗、保持社交距离和戴口罩，但在空气清洁方面，世界上存在盲点。为了克服这一弱点，他召集了一个由政府和私人机构组成的财团，出资在比利时和荷兰的1000间教室里研究空气净化器的有效性。500间教室配备了空气净化器，而剩下的500间教室作为实验对照，没有空气净化器。实验和模拟再次证实，教室内的空气净化器每小时循环空气6次，可以保证学生的安全。

布洛肯说，如果你以这种容量使用空气净化器，你可以将气溶胶浓度降低90%到95%。“如果你把它放在典型的气溶胶感染方程中，假设暴露时间为两小时，感染风险将降低12倍。”

最近的进展使布洛克恩乐观地认为，这项研究可能对减缓未来空气传播的呼吸道疾病的传播产生深远的影响。

他说:“我们自下而上的方法有望激励各国政府开始大规模部署空气净化设备。”他指出，澳大利亚维多利亚州已经购买了5.1万个空气净化器，安装在教室里。德国、英国、比利时和芬兰也开始了空气净化行动。在美国，白宫已经拨款1220亿美元用于学校的通风和空气净化项目。