左：由常见的环形冲洗引起的涡流。右图：冲洗后病毒颗粒大规模扩散。

       近日，流体物理学国际权威期刊《Physics of Fluids》在线发表了扬州大学“微尺度流动传热与能源高效利用”科研团队的相关研究成果。在这篇题为《从流体力学的观点剖析马桶能否促进病毒传播？》的论文中，研究团队提出，冲马桶时不合盖，马桶冲水过程中产生的湍流会将病毒抬升至头部高度，从而可能让人吸入水雾中的病毒。因此如果新冠病毒携带者如厕，马桶冲水过程有可能导致交叉感染新冠病毒。

       该研究团队运用计算机模型，模拟马桶盖未盖时的冲水湍流过程。结果显示，在马桶冲水时，水流涌进马桶内会撞击侧面，引发湍流和类似风暴眼之类的气液强交互过程。由于病毒粒径非常小，一旦冲出马桶通常会在空气中悬浮超过一分钟。“在70秒的时候，单次冲马桶产生的病毒传播可到达距离地面91厘米的高度，此后还会继续升高，超过一米以上。”

       在《流体物理学》杂志上，精确的计算机模型被用来模拟抽水马桶中的水和空气流动以及由此产生的液滴云。研究人员使用一组标准的流体动力学公式（称为Navier-Stokes方程）来模拟两种类型的抽水马桶冲水过程：一种具有用于冲洗水的单个进水口，另一种具有两个用于产生旋转水流的进水口。

       研究人员还使用了离散相模型来模拟可能从抽水马桶喷射到空中的众多细小液滴的运动。最近使用了类似的模型来模拟人咳嗽期间喷射的气溶胶液滴的运动。

       模拟的结果令人震惊。

       当水从一侧冲入马桶时，它撞击到另一侧，形成漩涡。这些涡流继续向上延伸到马桶上方的空气中，将液滴带到将近3英尺（0.9米）的高度，在那里可能被吸入或沉降到表面上。这些液滴是如此之小，以至于在空气中漂浮了一分钟以上。具有两个进水口的马桶产生的向上流动的气溶胶颗粒的速度更高。

       论文的合著者王霁翔博士说：“可以预见到，频繁使用厕所的速度会更高，例如在繁忙时间使用家庭厕所或在人口稠密地区使用公共厕所的情况下”。

       模拟显示，对于有两个进水口的马桶，将近60％的喷射颗粒高出座垫。解决该致命问题的方法是在冲洗前关闭盖子，因为这将减少气溶胶的扩散。

       但是，在包括美国在内的许多国家中，公共厕所中的马桶通常没有盖。这构成了严重的危险。研究人员还建议，更好的马桶设计应包括一个在冲水之前自动关闭的盖子。

       厕所是日常必需品，但如果使用不当也会变得危险，特别是在当前全球大流行的情况下。该研究使用CFD方法来阐明冲厕如何促进病毒传播。模拟了两种不同类型马桶的冲洗过程（单入口冲洗和环形冲洗），尤其是研究了冲洗过程中的流体流动特性和气溶胶颗粒的运动。几个令人震惊的结论可以总结如下：

• 两种冲洗方法均会产生强烈的湍流。
• 产生高达5 m / s的上升速度，这肯定能够将气溶胶颗粒排出马桶。
• 大约40％至60％的颗粒物会上升到马桶座圈上方，引起大面积扩散，这些颗粒物的高度离地面106.5厘米。
• 即使在后冲洗期间（最后一次冲洗后35 s–70 s），扩散颗粒的上升速度也可以达到0.27 cm / s–0.37 cm / s，并且它们会继续爬升。
• 数据分析表明，给定相同量的水和相同的重力势能，环形冲洗会导致更多的病毒传播。

       面对这些令人震惊的结果，我们提倡在使用厕所时应采取的一些安全程序：

       1、冲洗前放下马桶盖，基本上可以防止病毒传播。

       2、使用前请清洁马桶座圈，因为漂浮的病毒颗粒可能已沉淀在其表面上。

       3、冲洗后要仔细洗手，因为冲洗按钮和门把手上可能存在病毒颗粒。

       本研究还可以启发马桶制造商，并促使他们生产设计更好的马桶，其中在冲洗之前自动放下盖子，并在冲洗之前和之后进行清洗。

参考文献：

       “从流体动力学的角度来看，厕所能促进病毒传播吗？” ，流体物理， aip.scitation.org / doi / 10.1063 / 5.0013318