飞机客舱内呼吸道病毒气溶胶时空异质性感染风险的量化研究

为解决飞机客舱内呼吸道病毒气溶胶传播的时空异质性感染风险问题，研究人员通过CFD模拟对比混合通风(MV)与置换通风(DV)系统的效果，发现DV系统的热移除效率(HRE)比MV高68.9%，但感染风险分布受乘客位置显著影响。研究为优化客舱通风设计提供了数据支持，并证实高效口罩（如N95）可显著降低感染风险。

　　

在全球化交通网络高度发达的今天，飞机客舱成为呼吸道传染病传播的高风险场所。密闭空间内，乘客长时间近距离接触，加之复杂的空气流动特性，使得病毒通过咳嗽、说话产生的气溶胶可能悬浮数小时。尽管现代客舱采用高效空气过滤器(HEPA)和每2-3分钟换气一次的环境控制系统(ECS)，但2020年COVID-19大流行期间多起航班聚集性感染事件表明，现有防护措施仍存在显著漏洞。更棘手的是，客舱通风系统设计需要在热舒适性、能耗与感染风险控制间取得平衡——混合通风(MV)虽能维持均匀温度分布，却可能加剧气溶胶扩散；置换通风(DV)虽提升空气品质，但存在局部污染物滞留风险。这种矛盾使得量化不同通风模式下感染风险的时空差异成为航空公共卫生领域的关键科学问题。

针对这一挑战，国外研究团队在《Journal of Aerosol Science》发表了一项创新性研究。研究人员构建了单通道客舱的CFD（计算流体力学）模型，采用欧拉-拉格朗日方法追踪咳嗽气溶胶轨迹，并首次引入整合病毒载量、半数组织培养感染剂量(TCID₅₀
)和肺通气率等生物医学参数的时空风险模型。通过对比MV、DV及增设额外出口的DV变体系统，揭示了通风配置与感染风险的复杂关联。

关键技术方法包括：1）基于真实客舱几何结构建立三维CFD模型；2）采用稳态流场耦合非稳态颗粒追踪的双向模拟策略；3）量化热移除效率(HRE)与不满意率(PD)等通风性能指标；4）引入空间概率校正因子修正传统Wells-Riley模型的全混假设偏差；5）模拟近窗/近过道两种咳嗽场景下气溶胶扩散规律。

主要研究结果
通风性能比较
DV系统展现出显著优势，其HRE达到67.73%，较MV的40.10%提升68.9%。但DV增设侧壁出口会导致HRE降低5.9%，揭示出出口布局对系统效率的敏感影响。MV的平均不满意率(DR)为3.98%，高于DV的2.59%，但后者在部分区域出现热分层现象。

空间风险分布
感染风险呈现明显空间异质性：

• MV系统中，与指示乘客同排的相邻座位风险最高，无论咳嗽发生在近窗或近过道位置。
• DV系统对近窗咳嗽的防护效果更优，但近过道咳嗽时，同排靠近过道的座位风险骤增。
• 高风险区域集中在指示乘客所在排及后两排，与Zee等人关于波音737的研究结论一致。

防护措施有效性
N95口罩可将各场景感染风险降低90%以上，显著优于外科口罩。研究同时发现，DV系统虽整体风险较低，但在部分区域会出现"保护盲区"，如近过道咳嗽时前两排风险可忽略，但第三排风险突增。

结论与意义
该研究通过创新性地整合流体力学与生物医学参数，突破了传统全混模型对客舱感染风险评估的局限性。主要发现包括：1）通风系统选择需权衡HRE与风险分布——DV虽整体效率高，但需优化出口布局以避免局部风险积聚；2）乘客座位与传染源的相对位置是风险决定因素，建议航空公司实施动态座位分配算法；3）高效呼吸防护不可替代，尤其在MV系统占主流的现有机队中。

这些发现为航空业提供了重要决策依据：对于新机型设计，可采用DV系统与分区风量调节相结合的策略；对现有客舱，则应优先为高风险座位（如同排及后两排中间座位）配备空气净化设备。研究建立的时空风险模型框架，还可延伸应用于地铁、会议室等高密度空间的传染病防控设计，为后疫情时代的公共健康工程学开辟了新思路。值得注意的是，作者团队特别致谢了加拿大德哈维兰飞机公司提供的Dash 8客舱CAD模型，这提示航空制造业与学术界的协同创新将成为未来研究方向。