3D-моделирование и симуляция влияния ношения маски на рассеивание частиц, переносящих ОРВИ

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8929 (2023) Цитировать эту статью

239 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Несмотря на то, что пандемия Covid-19, похоже, стагнирует или снижается во всем мире, нельзя исключать возобновление заболевания или возникновение других эпидемий, вызванных воздушным распространением патогенных биологических агентов. Эти агенты, в частности вирионы заболевания Covid-19, обнаруживаются в частицах мокроты инфицированных людей с симптомами или бессимптомно. В предыдущем исследовании мы использовали трехмерную модель вычислительной гидродинамики (CFD) для моделирования переноса и рассеивания частиц в вентилируемых полузамкнутых пространствах. В качестве иллюстрации мы рассмотрели вагон пригородного поезда, в котором инфицированный пассажир выделял капли (1 и 10 мкм) и капли (100 и 1000 мкм) при дыхании и кашле. Используя эйлеров подход и лагранжев подход, мы смоделировали рассеивание частиц в турбулентном потоке, создаваемом вентиляцией вагона. Моделирование дало схожие результаты для обоих подходов и ясно продемонстрировало весьма различную аэродинамику аэрозольных капель и, на другом конце спектра, капель, падающих или ведущих себя как снаряды, в зависимости от их начальной скорости. В этом численном исследовании рассматривались пассажиры без защитных масок. На этом новом этапе исследования мы сначала использовали литературные данные для разработки модели типичной хирургической маски для использования на цифровом манекене, изображающем человека. Далее мы возобновили двойной эксперимент с вагоном, но на этот раз пассажирам (в том числе зараженному) были предоставлены хирургические маски. Мы сравнили пространственное и временное распределение частиц в зависимости от того, носил ли пассажир-распространитель маску вообще и была ли маска идеально подогнана (без протечек) или носилась свободно (с протечками). Помимо демонстрации очевидной ценности ношения маски для ограничения распространения частиц, наша модель и наши симуляции позволяют количественно оценить соотношение частиц, взвешенных в автобусе, в зависимости от того, носит ли зараженный пассажир маску или нет. Более того, проведенные расчеты представляют собой лишь одно иллюстративное применение среди многих других не только в общественном транспорте, но и в любом другом общественном или частном вентилируемом пространстве на основе тех же физических моделей и цифровых двойников рассматриваемых мест. Таким образом, CFD позволяет оценить критичность занятия мест людьми в масках или без них и рекомендовать меры по ограничению заражения воздуха любыми видами передающихся по воздуху патогенов, таких как вирионы Covid-19.

С середины 2021 года глобальные проблемы, похоже, сосредоточены на других бедствиях, а не на пандемии Covid-19. Тем не менее, это заболевание может иметь сезонные рецидивы, как и другие респираторные инфекции, особенно грипп. Covid-19 передается в основном при контакте с загрязненными, ранее зараженными предметами (также называемыми «фомитами»), а также при транспортировке и рассеивании частиц, выделяемых инфицированными людьми. В связи с этим было установлено, что вирионы, внеклеточная форма вирусов, присутствуют и являются патогенными в жидких частицах, вырабатываемых инфицированными людьми, когда они чихают или кашляют, а также когда они говорят или просто дышат. Вирионы обнаруживаются в мокроте людей с симптомами, а также у бессимптомных людей, которые могут неосознанно передать инфекцию другим людям, которые, в свою очередь, не будут знать, что они были заражены. Передача инфекционных агентов воздушно-капельным путем, переносимых в жидких частицах различного размера, обсуждается далее во введении. Это вызывает обеспокоенность, особенно потому, что оно не характерно для Covid-19; действительно, он часто встречается при многих других респираторных заболеваниях, таких как другие тяжелые острые респираторные синдромы (ТОРС), ближневосточный респираторный синдром (БВРС) или многие типы гриппа (H1N1) и их варианты.