风对呼吸气流的湍流扩散作用

G.I. Taylor 关于气溶胶湍流扩散的开创性工作恰逢满一个世纪，并为在本科阶段引入扩散过程与湍流提供了一种独到方式。由湍流输运的足够轻的粒子在大于速度关联时间的时间尺度上表现出类布朗运动。因此，气溶胶在大尺度上受到有效的湍流扩散作用。然而，尺度远小于积分尺度的污染源情形尚未被完全理解。在此，我们呈现了本科学生在 COVID-19 大流行背景下获得的实验结果。在一个为教学目的设计的风洞中研究了油滴烟雾在湍流中的扩散。其显示出短距离处的类弹道 regime，随后是 Taylor 类扩散 regime，表明连续的级联被绕过。相应地，测量表明呼吸时排放的 CO$_2$ 浓度通常随到口腔距离的平方反比衰减，这并非扩散所预期的规律。该实验为学生理解涨落在扩散过程与湍流中的作用提供了可能。基于单一关联时间的、支配气溶胶扩散的非线性扩散方程，使我们能够对室内外的病原体空气传播风险进行建模。我们讨论了让学生从事应用科学问题的教学意义，因本研究的成果已被用于为法国购物中心提供预防传播的公共健康政策建议。