Количественная оценка мер предосторожности против COVID

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22573 (2022) Цитировать эту статью

14 тысяч доступов

1 Цитаты

670 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой работе мы фокусируемся на рассеивании капель, содержащих COVID-19, с помощью моделирования переходной вычислительной гидродинамики (CFD) и процесса кашля вирусоносителей в вольере, стремясь создать базовый прототип популярных мер предосторожности. стратегии, например, использование маски для лица, восходящая вентиляция, защитный экран или любая их комбинация, против передачи COVID-19 и других высокозаразных заболеваний в помещении в будущем. Многокомпонентная эйлерово-лагранжева модель отслеживания частиц CFD с определяемыми пользователем функциями используется в 8 случаях для изучения характеристик дисперсии капель, касающихся массо- и теплопереноса, испарения капель, плавучести воздуха, конвекции воздуха, трения капель воздуха и т. д. и турбулентное рассеивание. Результаты показывают, что наиболее эффективной мерой является восходящая вентиляция, за которой следует ношение масок. Защитные экраны могут ограничить движение капель от кашля (хотя и не снизят вирусную нагрузку). Однако применение защитных экранов, расположенных с наклоном, может оказаться контрпродуктивным для предотвращения распространения COVID-19, если они размещены ненадлежащим образом вместе с вентиляцией. Самым разумным решением является комбинация лицевой маски и восходящей вентиляции, которая может снизить концентрацию инфекций в помещении почти на 99,95% по сравнению с исходным уровнем без каких-либо мер предосторожности. После возобновления учебы и работы в постэпидемическую эпоху это исследование предоставит массам и законодателям ценные советы по повышению интеллекта, чтобы обуздать пандемию.

Новая коронавирусная болезнь 2019 года (COVID-19) быстро распространилась по всему миру, отправив миллиарды людей в изоляцию. На сегодняшний день (12 августа 2022 г.) Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) зарегистрировано более 584 миллионов случаев заболевания COVID-19 и 6,41 миллиона случаев смерти. Закрытие учебных заведений и рабочих мест в попытке сдержать распространение пандемии COVID-19 затрагивает миллионы студентов и сотрудников. Эта пандемия прояснила фундаментальную роль капель и аэрозолей, передающихся по воздуху, как потенциальных переносчиков вируса в помещении. Благодаря этому появилось множество многообещающих стратегий борьбы с путями передачи инфекции, как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе1. Маски для лица, наголовные щитки и защитные экраны — это три распространенные стратегии предотвращения передачи капель в краткосрочной перспективе, ограничением которых в основном является утечка воздуха из-за дефектов материалов и неправильного использования2. Что касается мер предосторожности на больших расстояниях, хотя вентиляция и очистка воздуха являются многофункциональными способами улучшения качества воздуха и контроля концентрации загрязнений, их эффективность будет снижаться из-за разнообразия отделки и типов домов. Целесообразно использовать несколько одновременно, чтобы преодолеть эти ограничения мер предосторожности. Однако необходимо больше теоретического руководства и количественного описания выбора комбинированных стратегий в сценариях внутри помещений. В таких обстоятельствах, когда необходима социальная деятельность, срочно требуются систематические меры предосторожности для создания многоуровневой защиты в общественных местах.

Текущие исследования в основном оценивали эффективность каждой стратегии в отдельности. Что касается краткосрочных мер предосторожности, Калер3 заявил, что все типы масок могут уменьшить передний сквозной поток выдыхаемого воздуха, что снижает вред при личном общении; Ho4 количественно оценил риски воздействия под маской и защитной маской; и Dbouk5, и Pendar6 подробно проанализировали проникновение капель через фильтр маски для лица. Что касается мер предосторожности на больших расстояниях, Ян7 провел тщательное сравнение эффективности передовых методов распределения воздуха по удалению переносимых по воздуху загрязняющих веществ; Dai8 оценил связь между вероятностью заражения и частотой вентиляции легких на основе модели Уэллса-Райли, точность которой требует дальнейшего обсуждения2; Alsaad9 показал, что персонализированная вентиляция может проникать через тепловой пограничный слой в форме короны и окутывать человеческое тело, обеспечивая чистый воздух для вдыхания; Чжан10 провел параметрическое исследование скорости воздухообмена в час (ACH) и пришел к выводу, что более сильное движение воздуха обычно предотвращает прямое вдыхание аэрозоля. Однако ни в одном из этих исследований не применялось сочетание более эффективных стратегий борьбы с инфекционными заболеваниями. Большинство из них применяли менее полную модель физики жидкости, что приводило к отклонению или упущению естественных характеристик кашля и характеристик окружающей среды, например, неиспаряющихся материалов в слюне5,11, тепла человеческого тела6, начального направления кашля9, распределения капель по размерам8 и переходный массовый расход капельного облака4. Доказано, что все упомянутые выше стратегии напрямую изменяют передачу кашлевого облака по воздуху. Однако гидродинамические механизмы непрямой передачи патогенов между людьми через выдыхаемый аэрозоль остаются плохо изученными12,13,14. Ли и др.15 применили комбинацию модели VOF и модели DPM для моделирования потока жидкости и движения частиц. Redrow et al.16 предоставили представление о том, как состав капель мокроты напрямую влияет на ее испарение и конденсацию во время передачи. Многие исследования, посвященные испарению капель17, скорости18 и траектории11, были ограничены рамками упрощенной физической модели, как механизма движения одиночной частицы. Как показано на рис. 1, эволюция каждой капли в основном зависит от силы тяжести, плавучести, сопротивления воздуха и внешних сил. Ожидается, что перед осаждением крупные капли будут двигаться как снаряды. Напротив, более мелкие капли могут принести вирус в поток воздуха и, следовательно, вызвать инфекционные заболевания, и, в конечном итоге, взвеситься в воздухе или распространиться по стенам, а не упасть на землю. Однако из-за значительных различий в данных между разными субъектами и условиями исследования основная картина потока капельного роя затрагивается, и ее трудно определить19.