Quantitative Bewertung der Vorsichtsmaßnahmen gegen das COVID

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22573 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Ausbreitung von COVID-19-beladenen Tröpfchen mithilfe der transienten numerischen Strömungsmechanik (CFD) und der Simulation des Hustenprozesses von Virusträgern in einem Umzäunungsraum mit dem Ziel, den grundlegenden Prototyp populärer Vorsichtsmaßnahmen zu erstellen Strategien, z. B. Gesichtsmaske, Aufwärtsbelüftung, Schutzschirm oder eine beliebige Kombination davon, gegen die Übertragung von COVID-19 und anderen hochansteckenden Krankheiten in Innenräumen in der Zukunft. Ein mehrkomponentiges Euler-Lagrange-CFD-Partikelverfolgungsmodell mit benutzerdefinierten Funktionen wird in 8 Fällen verwendet, um die Eigenschaften der Tröpfchendispersion in Bezug auf Massen- und Wärmeübertragung, Tröpfchenverdampfung, Luftauftrieb, Luftkonvektion, Lufttröpfchenreibung zu untersuchen. und turbulente Ausbreitung. Das Ergebnis zeigt, dass die Aufwärtslüftung die wirksamste Maßnahme ist, gefolgt vom Tragen von Gesichtsmasken. Schutzschirme können die Bewegung der Hustentröpfchen einschränken (die Viruslast wird dadurch jedoch nicht verringert). Allerdings kann die Verwendung von Schutzgittern mit Lean-Anordnung kontraproduktiv sein, wenn es darum geht, die Ausbreitung von COVID-19 zu verhindern, wenn sie unsachgemäß platziert und mit Belüftung versehen sind. Die beste Lösung ist die Kombination aus Gesichtsmaske und Aufwärtslüftung, die die Infektionskonzentration in Innenräumen ohne Vorsorgestrategien um fast 99,95 % im Vergleich zum Ausgangswert reduzieren kann. Mit der Wiederaufnahme von Schule und Arbeit in der Zeit nach der Epidemie würde diese Studie den Massen und Entscheidungsträgern nachrichtendienstliche Ratschläge zur Eindämmung der Pandemie liefern.

Die neuartige Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) hat sich rasant auf der ganzen Welt ausgebreitet und Milliarden Menschen in den Lockdown geschickt. Bis heute (12. August 2022) wurden der Weltgesundheitsorganisation (WHO) über 584 Millionen Fälle und 6,41 Millionen Todesfälle bei COVID-19 gemeldet. Die Schließung von Bildungseinrichtungen und Arbeitsplätzen zur Eindämmung der Ausbreitung der COVID-19-Pandemie hat Auswirkungen auf Millionen von Studierenden und Beschäftigten. Diese Pandemie hat die grundlegende Rolle von Tröpfchen und Aerosolen in der Luft als potenzielle Virusüberträger in Innenräumen deutlich gemacht. Daraus sind viele vielversprechende Strategien gegen den infektiösen Übertragungsweg entstanden, sowohl im Nah- als auch im Fernbereich1. Gesichtsmasken, am Kopf befestigte Schutzschilde und Schutzschirme sind drei gängige Strategien zur kurzfristigen Unterbindung der Tröpfchenübertragung, deren Einschränkung hauptsächlich in der Luftleckage aufgrund von Materialfehlern und falscher Verwendung liegt2. Obwohl Belüftung und Luftreinigung multifunktionale Möglichkeiten zur Verbesserung der Luftqualität und zur Kontrolle der Kontaminationskonzentration sind, wäre ihre Wirksamkeit aufgrund der vielfältigen Dekorationen und Haustypen gedämpft. Um diese Einschränkungen der Vorsichtsmaßnahmen zu überwinden, empfiehlt es sich, einige davon gleichzeitig zu verwenden. Allerdings bedarf es einer stärkeren theoretischen Anleitung und einer quantitativen Beschreibung der Wahl der kombinierten Strategien in Indoor-Szenarien. Wenn unter solchen Umständen soziale Aktivitäten erforderlich sind, sind systematische Vorsichtsmaßnahmen dringend erforderlich, um in der Öffentlichkeit in Innenräumen mehrschichtige Schutzmaßnahmen aufzubauen.

Die aktuelle Forschung hat hauptsächlich die Wirksamkeit jeder Strategie einzeln untersucht. Für kurzfristige Vorsichtsmaßnahmen erklärte Kahler3, dass alle Arten von Masken den vorderen Durchfluss des ausgeatmeten Stroms reduzieren können, was den Schaden im persönlichen Kontakt verringert; Ho4 quantifizierte die Risiken einer Exposition unter Gesichtsmaske und Gesichtsschutz; Sowohl Dbouk5 als auch Pendar6 analysierten detailliert die Übertragung von Tröpfchen durch einen Gesichtsmaskenfilter. Für Vorsichtsmaßnahmen über große Entfernungen führte Yang7 einen ausführlichen Vergleich der Wirksamkeit der fortschrittlichen Luftverteilungsmethoden bei der Entfernung von Luftschadstoffen durch; Dai8 schätzte den Zusammenhang zwischen Infektionswahrscheinlichkeit und Beatmungsrate auf der Grundlage des Wells-Riley-Modells, dessen Genauigkeit weiterer Diskussion bedarf2; Alsaad9 zeigte, dass personalisierte Belüftung die koronaförmige thermische Grenzschicht durchdringen kann, um den menschlichen Körper zu umhüllen und saubere Luft zum Einatmen bereitzustellen; Zhang10 führte eine parametrische Studie zur Luftwechselrate pro Stunde (ACH) durch und kam zu dem Schluss, dass die stärkere Luftbewegung im Allgemeinen eine direkte Aerosolinhalation verhindern würde. Allerdings wurde in keiner dieser Studien eine Kombination weiterer Strategien zur Infektionskontrolle angewendet. Die meisten von ihnen verwendeten ein weniger umfassendes Modell der Fluidphysik, was zu Abweichungen oder Auslassungen der natürlichen Husten- und Umgebungseigenschaften führte, z. B. nicht verdunstbare Materialien im Speichel5,11, menschliche Körperwärme6, Anfangsrichtung des Hustens9, Tröpfchengrößenverteilung8 usw transienter Massenstrom der Tröpfchenwolke4. Es hat sich gezeigt, dass alle oben genannten Strategien die Übertragung einer Hustenwolke über die Luft direkt verändern. Die strömungsdynamischen Mechanismen der indirekten Übertragung von Krankheitserregern zwischen Menschen durch ausgeatmetes Aerosol sind jedoch nach wie vor kaum verstanden12,13,14. Li et al.15 verwendeten eine Kombination aus dem VOF-Modell und dem DPM-Modell, um den Flüssigkeitsfluss und die Bewegung von Partikeln zu simulieren. Redrow et al.16 lieferten Erkenntnisse darüber, wie sich die Zusammensetzung des Sputumtröpfchens direkt auf dessen Verdunstung und Kondensation während der Übertragung auswirkt. Viele Untersuchungen zur Tröpfchenverdunstung17, Geschwindigkeit18 und Flugbahn11 beschränkten sich auf den Rahmen eines vereinfachten physikalischen Modells als Bewegungsmechanismus des einzelnen Teilchens. Wie in Abb. 1 dargestellt, wird die Entwicklung jedes Tröpfchens hauptsächlich von der Schwerkraft, dem Auftrieb, dem Luftwiderstand und externen Kräften beeinflusst. Es wird erwartet, dass sich die großen Tröpfchen wie Projektile bewegen, bevor sie sich absetzen. Im Gegensatz dazu können die kleineren Tröpfchen das Virus in den Luftstrom bringen und so Infektionskrankheiten verursachen und schließlich in der Luft schweben oder an Wände diffundieren, anstatt auf den Boden zu fallen. Aufgrund erheblicher Unterschiede in den Daten zwischen verschiedenen Probanden und Versuchsbedingungen wird jedoch das grundlegende Strömungsmuster des Tröpfchenschwarms beeinflusst und ist schwer zu bestimmen19.

Verbreitung und Ablagerung der Hustentröpfchenwolke. Die Figur wurde in Adobe Illustrator (Version 16.0) und Microsoft PowerPoint (Version 16) gezeichnet.

Obwohl die experimentelle Untersuchung die intuitivste und zuverlässigste Möglichkeit ist, das Strömungsmuster des Hustens zu untersuchen, ist es immer noch schwierig, den gesamten Prozess eines Hustenereignisses in der Quantisierung zu erfassen, der mehrphasige turbulente Strömungen freisetzt, die im Allgemeinen aus schwimmender heißer, feuchter Luft bestehen schwebende Tröpfchen unterschiedlicher Größe20. Die Eigenschaften des exspiratorischen Luftstroms (z. B. maximale Reichweite und maximale Geschwindigkeit) können durch individuelle physiologische Unterschiede wie Alter, Geschlecht und Vitalkapazität beeinflusst werden21. Bourouiba22 wies darauf hin, dass jegliches gewalttätige Ausatmen in Innenräumen (z. B. Husten, Niesen, Sprechen) Tröpfchen mit einer Reichweite von bis zu 7–8 m verbreiten könnte. Lee23 nutzte ein Partikelmessgerät und ein optisches Partikelspektrometer, um die Hustenpartikelkonzentration von 10 Patienten mit Erkältungssymptomen in Echtzeit zu messen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Übertragung über mehr als 3 m ausbreiten konnte. Zhu24 stellte sicher, dass der Speichel bei jedem Husten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 22 m/s ausgestoßen wird, indem er ein Particle Image Velocity (PIV)-System verwendete, während Han25 PIV nutzte, um auf eine Spitzengeschwindigkeit von 15,2/13,1 m/s bei Männern/Frauen zu schließen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass, obwohl viel experimentelle Forschung der Untersuchung des menschlichen Hustens gewidmet wurde, ihre Daten zu den Husteneigenschaften immer noch miteinander konsistent sein müssen, was Hindernisse bei der Festlegung von Ausgangsbedingungen und Verifizierungskriterien für CFD-Studien mit sich bringt.

CFD hat ein erhebliches Potenzial, Gesundheitsdienste bei der Bekämpfung der Übertragung der COVID-19-Pandemie in Innenräumen bei sozialen Aktivitäten zu unterstützen. Im Vergleich zur experimentellen Studie wird CFD aufgrund seiner geringeren Kosten und höheren Effizienz häufiger eingesetzt und kann tiefere Einblicke26,27 mit detaillierteren Ergebnissen liefern. Um den Hustenprozess mit und ohne Infektionsprävention und -kontrolle zu quantifizieren, verwendeten die Forscher die „Lebensdauer der Tröpfchen“ und die „Ausbreitungsreichweite“28,29 als Referenzindikatoren für die empfohlene soziale Distanzierung. Die Centers for Disease Control and Prevention (CDC) forderten, dass Menschen einen Abstand von 6 Fuß (\(\sim \hbox {1,8}\) m zu anderen einhalten sollten30, was auf der Grundlage aktueller Forschungsergebnisse völlig unzureichend ist. Rosti31 verfolgte die Position und Verdunstung des Hustenluftstroms durch umfangreiche numerische Simulationen auf dem neuesten Stand der Technik. Sie fanden heraus, dass sich durch die Luft übertragene Tröpfchen horizontal weniger als 2,5 m weit bewegen können, gegenüber mehr als 7,5 m. Muthusamy32 kam zu dem Schluss, dass sich ein erheblicher Teil des ungehinderten Hustens über die 2 m hinaus ausbreitet. Auch beim Tragen von Masken mit Ansaug-/Abluftstrom und anderen Belüftungssystemfunktionen kann es dennoch dazu kommen, dass ein kleiner Prozentsatz (\(<0,5\%\)) der Partikel eine Entfernung über die Schwelle von 2 m erreicht. Wenn man bedenkt, dass Tröpfchen schwerflüchtige Komponenten, organische und anorganische Stoffe enthalten, können die infektiösen Tröpfchenkerne durch die Mitnahme der umgebenden Strömung für lange Zeit suspendiert werden. Issakhov33 stellte fest, dass der soziale Abstand von 2 m in Innenräumen für einfaches Atmen eingehalten wird, bei Husten oder Niesen jedoch nicht ausreicht. Van34 untersuchte experimentell, wie lange das COVID-19-Virus im Speichel oder in Aerosolen lebensfähig bleibt, was darauf hinwies, dass die Lebensdauer der Überlebenströpfchen während der gesamten dreistündigen Beobachtungszeit 1,1–1,2 Stunden beträgt. Über einen so langen Zeitraum könnten sich infektiöse Keime über den gesamten geschlossenen Raum ausbreiten35. Bei dieser Gelegenheit wird noch der angemessene soziale Abstand ermittelt, wenn sich Menschen lange genug in Innenräumen mit schlechtem Luftaustausch aufhalten.

In dieser Arbeit stellen wir ein modifiziertes Euler-Lagrange-Tröpfchenspraymodell mit ausreichenden Husteneigenschaften vor, mit dem Ziel, die Übertragung von Hustenspeichelpartikeln in der Luft von einem Infizierer zu beschreiben, der in einem geschlossenen Raum mit und ohne verschiedene Vorsichtsmaßnahmen sitzt. Experimentelle Ergebnisse bestätigen das vorgeschlagene Modell gut. Durch die Einbettung des Verdunstungsmodells können wir die infektiöse Konzentration bewerten, indem wir die über Distanz und Zeit verbleibende Lagrange-diskrete Phase mithilfe einer genauen CFD-Simulation analysieren. Die Eigenschaften des Hustens (implantiert durch benutzerdefinierte Befehle) und Vorsichtsmaßnahmen basieren auf weit verbreiteten oder allgemein vereinbarten Daten. Die anfängliche Tröpfchengröße folgt der Rosin-Rammler-Verteilung. Der Hustenwinkel, die Richtung, die transiente Massenströmungsrate, der nicht verdampfbare Massenanteil und die Maskenfiltrationseffizienz stammen aus aktuellen experimentellen Studien. Die Aufwärtslüftung wird als eine der fortschrittlichen Gesamtvolumenluftverteilungen (TVAD) übernommen. Der Schutzschirm ist vereinfacht und basiert auf dem in Schulbibliotheken oder Kantinen häufig verwendeten Stil. Kurz gesagt, die Modellierung des vorübergehenden Hustenprozesses ist viel vollständiger als in der aktuellen Literatur.

Unsere Hauptbeiträge sind:

Mit und ohne gängige Vorsorgestrategien (z. B. Gesichtsmaske, Aufwärtsbelüftung, Schutzgitter oder eine beliebige Kombination davon) berechnen wir die Ausbreitungsentfernung und Verteilungseigenschaften von Hustentröpfchen, um die Wirksamkeit der Vorsorgestrategien zu vergleichen. Für geschlossene Innenszenarien werden sorgfältige Anleitungen zu Anordnungen zur Infektionskontrolle und zur sozialen Distanz gegeben.

Ein verallgemeinertes mehrkomponentiges diskretes Phasenmodell basierend auf dem Euler-Lagrange-Ansatz mit benutzerdefinierten Befehlen wird vorgeschlagen und verwendet, um eine Mechanismusmodellierung von Hustenstößen zu realisieren. Unseres Wissens ist das vorgeschlagene Modell mit der verbesserten transienten Funktion des Hustenfortschritts ausgestattet und eignet sich umfassender zur Charakterisierung der Verdunstung und Ausbreitung von Tröpfchen und Aerosolen in der Luft bei einem Hustenereignis.

Als geschlossenes Kammerströmungsproblem werden dreidimensionale, zeitabhängige, nicht-isotherme und mehrphasige Navier-Stokes-Gleichungen in Verbindung mit dem Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Turbulenzmodell (RANS) zur Modellierung der Übertragung angewendet der Aerosolpartikel in Innenräumen am Beispiel eines normalen Klassenzimmers in dieser Studie. Die Luft ist die Eulersche Phase unter der Kontrolle der kontinuierlichen Regelgleichungen, während der Speichel die Lagrange-Phase ist, die diskreten Regelgleichungen. Die Volume-of-Fluid-Methode (VOF) wird zur Erfassung der Fluid-Fluid-Grenzfläche eingesetzt, deren Dynamik explizit beschrieben wird. Unsere Studie umfasst die gesamte Skala von Tröpfchenverdunstung, Luftauftrieb, Luftkonvektion, Lufttröpfchenreibung, turbulenter Dispersion, Brownscher Bewegung von Kernen und Siedlung auf der Oberfläche und zielt darauf ab, den grundlegenden Prototyp gängiger Vorsichtsmaßnahmen zu erstellen, indem sie die Übertragung von Tröpfchen quantitativ beschreibt die mit Viren beladenen Tröpfchen des menschlichen Hustens. Als CFD-Löser wird ANSYS Fluent 2019 R236 mit dem Netzgenerator von ANSYS Workbench verwendet.

Acht Infektionskontrollschemata, darunter drei Einzelstrategien und deren Kombinationen, werden für eine Dauer von 60 s simuliert. Angesichts der Tatsache, dass es viele Menschen gibt, die die N95-Masken unsachgemäß tragen oder im wirklichen Leben die weniger prophylaktischen Masken tragen, wird die Mullmaske hier ausgewählt, um dem Leben nahe zu kommen, und nicht der idealen Situation des Tragens einer N95-Maske, wie aus aktuellen Forschungsergebnissen hervorgeht. Als eines der fortschrittlichsten TVADs wird die Aufwärtsbelüftung häufig verwendet, im Vergleich zu den anderen mangelt es jedoch an Studien. Der Schutzschirm besaß nach dem überarbeiteten Design einen schrägen Winkel senkrecht zum Hustenstrahl, um den Speichel dazu zu bringen, sich nach oben und aus dem Bereich menschlicher Aktivität zu bewegen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination aus Gesichtsmaske und Aufwärtsbelüftung die sinnvollste Strategie ist.

Diese Studie stellt eine typische Situation der Übertragung von Atemwegserkrankungen durch die Luft dar: Ein COVID-19-Infizierter hustet in einem normal großen Klassenzimmer mit der Größe \(7 \times 3,35 \times 12\) m\(^{3}\), der auch einen analogen geschlossenen öffentlichen Innenarbeitsraum darstellen kann. Die Standardnamen der Hauptgrenzen mit Rechennetz sind in Abb. 2 dargestellt. Die infizierte Person sitzt in der seitlichen Mitte des Klassenzimmers sowie 5 \({\textrm{m}}\) von der hinteren umgebenden Wand entfernt . Um Rechenkosten zu sparen, wird die Domäne durch Festlegen einer horizontalen Symmetrieebene halbiert. Die Umgebungstemperatur beträgt 20 \(^{\circ }\)C, während die relative Luftfeuchtigkeit \(62\%\) beträgt, was den Durchschnittswerten des autorisierten Winterklimarekords von Washington DC37 entspricht. Der Hustenvorgang des Infektors wird als kegelförmig zerstäubter Sprühnebel modelliert, der mit virusbeladenen Tröpfchen beladen ist, die aus dem sich öffnenden Mund mit einem Durchmesser von 2 \({\textrm{cm}}\) freigesetzt werden6. Der Rechenbereich wird durch unstrukturierte Tetraedergitter mit einer durchschnittlichen Schiefezahl von 0,2 und einem durchschnittlichen Oberflächen-y+ nahe 3 diskretisiert. Zwölf Inflationsschichten mit einem Wachstumsverhältnis von 1,1 werden in der Nähe aller Wandgrenzen erzeugt, um detaillierte Geschwindigkeits- und Druckgradientenänderungen in der Nähe zu erfassen Wandbereiche. Die in der Nähe des Mundes angewendete Verfeinerung ist in Abb. 3 dargestellt. Die Anzahl der Tröpfchenflugbahnen wurde ebenfalls analysiert. In Übereinstimmung mit den Erkenntnissen von Dudalski38 und Busco39 beträgt der Winkel zwischen der Hustenrichtung und der horizontalen Ebene \(\theta = 27,5^{\circ }\) und der Ausbreitungswinkel des Hustenkegelsprays beträgt \(\alpha = 12,5 ^{\circ }\) (dargestellt in Abb. 6). Die simulierte Zeitdauer beträgt 60 \(\textrm{s}\) mit einem ungleichmäßigen Zeitschritt für die kontinuierliche Phase von \(\Delta t = 0,01\)–0,2 s. Der Zeitschritt der diskreten Phase ist \(\Delta t = 5 \times 10^{-3}\,{\textrm{s}} \sim 0.01 \,{\textrm{s}}\). Die 3D-Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) werden mit den Randbedingungen und dem RNG-Ke-Turbulenzmodell durch ANSYS Fluent gelöst.

Der mit der Richardson-Extrapolation angewendete Grid Convergence Index (GCI)40 wird in der Gitterunabhängigkeitsstudie für die Euler-Phase verwendet, um den durch unterschiedliche Gitterabstände verursachten Verfeinerungsfehler abzuschätzen. Die räumliche Diskretisierung der Domäne in zwei Hälften erfolgt unter Verwendung grober, mittlerer und feiner Netze mit 75.000, 212.000 und 597.000 Elementen mit einem linearen Verfeinerungsfaktor von \(\sqrt{2}\). Abbildung 4 zeigt die Profile des gemittelten Drucks, der Temperatur und der Geschwindigkeit des Massenstroms in neun Querschnittsebenen (dargestellt in Abb. 2) entlang der Höhenrichtung. Die aus der Richardson-Extrapolation berechneten Werte sind die theoretischen Werte eines unendlich feinen Gitterschemas mit einem Abstand von Null. Der GCI wird mit einem Sicherheitsfaktor von 1,25 zwischen zwei Gittern berechnet: \(\hbox {GCI}_{12}\) berücksichtigt den Wechsel vom feinen Gitter zum mittleren Gitter und \(\hbox {GCI}_{23} \) vom mittleren Gitter zum groben Gitter. Die Ergebnisse zeigen eine begrenzte Abhängigkeit des durch den Massendurchfluss gemittelten Drucks, der Geschwindigkeit und der Temperatur mit dem maximalen lokalen \(\hbox {GCI}_{23}\)-Wert von 0,0034 %, 0,03 % und 0,0001 % auf Ebene 3 ( in Abb. 4a), Ebene 1 (in Abb. 4b) bzw. Ebene 1 (in Abb. 4c). Zur Validierung des Lagrange-Modells wird die Gesamtmasse der Hustentröpfchen über die Zeit berechnet, um die Netzunabhängigkeit zu überprüfen (in Abb. 5). Die Ergebnisse des mittleren und feinen Netzes überschneiden sich nahezu, während der vorhergesagte Wert des groben Netzes niedrig ist. Daraus wird geschlossen, dass das feine Netz ausreicht, um quantitative Daten sowohl für die Euler- als auch die Lagrange-Phase aus der Simulation zu extrahieren.

In Abb. 7 wird als Ausgangssituation (Fall 1) die Situation dargestellt, in der sich Tröpfchen eines normalen Hustens in einem geschlossenen Bereich ausbreiten. Verschiedene Vorsichtsmaßnahmen, nämlich Gesichtsmaske (Fall 2), Luftmaske (Fall 3) und Schutzschirm (Fall 4), werden separat angebracht, um das ursprüngliche Hustenmuster zu verändern und so das Infektionsrisiko weiter zu verringern. Bei den übrigen Fällen (Fall 5–8) handelt es sich um unterschiedliche Kombinationen davon, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Die Abmessungen des Rechenbereichs und die vertikalen Ebenen. Die Figur wurde in Tecplot 360 (Version 2016 R2) und Adobe Illustrator (Version 16.0) gezeichnet.

Rechennetz mit Verfeinerung in der Nähe des Mundes. Die Figur wurde in Tecplot 360 (Version 2016 R2) und Adobe Illustrator (Version 16.0) gezeichnet.

Gitterunabhängigkeitsstudie für drei einheitlich verfeinerte Gitter.

Variation der Gesamtmasse der Hustentröpfchen durch Variation der Maschenzahl.

Schematische Darstellung des Ausbreitungswinkels der Hustenpartikel. Die Figur wurde in Tecplot 360 (Version 2016 R2) und Adobe Illustrator (Version 16.0) gezeichnet.

Das in das Verdunstungsmodell42 integrierte diskrete Phasenmodell (DPM)41 wird verwendet, um den Übertragungs- und Verdunstungsprozess diskreter Tröpfchenpartikel unter der kontinuierlichen Luftumgebung zu berechnen. Wie in Tabelle 2 gezeigt, werden zwei Sätze von Randbedingungen berücksichtigt: die allgemeinen Fälle mit einer ruhigen Innenumgebung, in denen Tröpfchen frei diffundieren können (im Fall 1/2/4/7), und die belüfteten Fälle mit Frischluft, die von oben transportiert wird Durch die Belüftung kann das virenbeladene Aerosol abgeführt werden (im Fall 3/5/6/8). Die Definitionen von Grenzen in DPM sind Trap, Escape und Reflect. Bei der Einstellung „Falle“ werden die Flugbahnberechnungen beendet und die Tröpfchen setzen sich an der Wand ab; Unter der Bedingung „Reflektieren“ prallen die Tröpfchen von der Wand ab. Wenn Tröpfchen aus der Wand „entweichen“, werden ihre Flugbahnberechnungen gestoppt und ihre gesamte Masse wird aus dem Rechenbereich entfernt. Die statischen Teile (z. B. Bildschirm, umgebende Wand) werden als Wandgrenzen festgelegt, die bei der CFD-Auswahl als rutschfest behandelt werden. Sobald die Tröpfchen bei der DPM-Auswahl diese Wände berühren, wird der Fallenzustand ausgelöst und die DPM-Spur der Tröpfchenpartikel wird abgebrochen. Frühere Studien43,44 haben herausgefunden, dass die konvektive Wärmebelastung eines Menschen bei Vernachlässigung von Strahlung und latenter Wärme etwa 36 W beträgt, was einem Wärmefluss von 22,83 W/m\(^{2}\) entspricht. auf der Oberfläche des menschlichen Körpers angebracht. Laut Umfrage45 liegen etwa 85 % der Messungen der durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten am belüfteten Innenarbeitsplatz unter 0,3 m/s. Für die belüfteten Fälle wird der Boden des Klassenzimmers auf einen Geschwindigkeitseinlass (0,1 \({\mathrm{m/s}}\)) übertragen und die Decke des Klassenzimmers ist ein Druckauslass (101.325 \({\textrm{Pa}} \)). Gleichzeitig werden Tröpfchen unter der DPM-Spur am Einlass festgehalten und entweichen am Auslass. Es wird davon ausgegangen, dass Temperatur und Luftfeuchtigkeit mit der Hintergrundeinstellung übereinstimmen (293 K und 62 %).

Antiepidemiemaßnahmen. Die Figuren wurden in Adobe Illustrator (Version 16.0) gezeichnet.

Wir gingen davon aus, dass: die Speichelkerne unlöslich sind und während des Verdunstungsprozesses nicht kristallisieren würden; Tröpfchen bleiben unter dem Luftwiderstand kugelförmig; Die Temperatur eines einzelnen Tropfens ist gleichmäßig. Für den normalen Husten im Fall 1/3/4/6 wurden viele Experimente durchgeführt, um die Größenverteilung von Tröpfchen zu messen50,51,52. Die experimentellen Daten von Xie et al.53) wurden in der Nähe des Ursprungs der Injektion korrigiert, was zuverlässig ist5 und durch eine Rosin-Rammler-Verteilung im Bereich von 1–300 Mikrometer angepasst wird (Abb. 8). Es wurde festgestellt, dass das vorhergesagte Dampfkonzentrationsfeld frei von der Zahl war, wenn die Flugbahnzahl größer als 20.000 war49. Um das Szenario des Tragens einer Gesichtsmaske zu untersuchen, wird im Fall 2/5/7/8 ein Atemschutzgerät mit Gazefilter nachgeahmt und über dem Mund der Puppe positioniert, indem die realistische Filtereffizienz verwendet wird (wie in Abb . 954). Daher wird die Durchmesserverteilung von Tröpfchen bei normaler Hustendauer mit Werten im Bereich von 1 bis 40 \(\upmu\)m rekonstruiert (Abb. 10). Die zeitabhängige Massenflussrate eines Hustenverhaltens innerhalb einer Dauer von 0,5 s (diskret von Yan et al.48, basierend auf den experimentell gemessenen Daten in55) mit Rosin-Rammler-Verteilung wird durch benutzerdefinierte Funktionen implantiert und angepasst wie die rote Linie in Abb. 11. Darüber hinaus stellt die blaue gestrichelte Linie die Gesichtsmaskensituation dar und entspricht ungefähr \(10\%\) dem Wert in der Normalgruppe.

Anfängliche Größenverteilung der Speicheltröpfchen (im Bereich von 1 bis 300 Mikrometer).

Filtrationseffizienz der Mullmaske und verbleibende Tröpfchenmenge.

Größenverteilung der Speicheltröpfchen im Schnitt (Abschnitt von 1 bis 10 Mikrometer).

Massenflussrate eines einzelnen Hustens.

Experimentelle Validierung des CFD-Modells durch Änderung der Speicheltröpfchengröße56.

Dimensionslose Massenverluste von Wassertropfen bei RH = 96 %57.

Dimensionslose Massenverluste von Wassertropfen bei RH = 84 %57.

Für das CFD-Modell36 wird die Mehrphasenströmung mit Gas und Flüssigkeit durch einen Euler-Lagrange-Rahmen modelliert. Zur Simulation der Luftfeuchtigkeit ist die Umgebungsluft eine kontinuierliche Eulersche n-Gasphase und wird als Mehrkomponente aus trockener Luft und Wasserdampf ausgewählt. Als homogene Mischung werden die thermodynamischen Eigenschaften \(\phi _{mix}\) (\(C_p, \rho , \mu , \lambda , etc.\)) der Gasphase durch den Massenanteil der berechnet Mischungsartenbestandteile39:

Dabei sind \(Y_{Luft}\), \(Y_{H_2O}\) der Massenanteil der Spezies und \(\phi _{Luft}\), \(\phi _{H_2O}\) der Diffusionsfluss aus trockener Luft bzw. Wasserdampf.

Bei der Eulerschen Beschreibung werden die Kontinuitätsgleichungen von trockener Luft und Wasserdampf getrennt gelöst, um die Transporteigenschaften des umgebenden Luftströmungsfeldes zu erhalten:

wobei \(\overrightarrow{U}_{mix}\) die massengemittelte Gemischgeschwindigkeit ist, \(S_{H_2O}\) die Massenquelle von Wasserdampf aufgrund der Verdunstung von Speicheltröpfchen ist, \(J_{H_2O}\ ) und \(D_{k}\) sind der Diffusionsfluss bzw. die kinematische Diffusionsfähigkeit von Wasserdampf im Luftgemisch.

Es wird angenommen, dass die ideale Mischung aus trockener Luft und Wasserdampf die gleiche lokale Geschwindigkeit, den gleichen Druck und die gleiche Temperatur aufweist. Daher werden die Erhaltungsgleichungen von Impuls und Energie zu der Mischungsform zusammengefasst:

Dabei ist \(\overrightarrow{F_{md}}\) die von den Tröpfchenpartikeln ausgeübte Grenzflächenkraft, \(\tau\) der durch den viskosen Effekt verursachte viskose Spannungstensor und \(S_{Buoy}\). die Impulsquelle aufgrund des Auftriebs. P, E, k, T und \(\mu _{mix}\) sind jeweils der Druck, die Energie, die Wärmeleitfähigkeit, die Temperatur und die Viskosität der Luftmischung. \(S_{h}\) ist die volumetrische Wärmequelle. Die ersten drei Begriffe auf der rechten Seite stehen für Wärmeleitung, Speziesdiffusion und viskose Dissipation.

Um den partikelbeladenen Fluss zu modellieren, wird DPM in ANSYS Fluent veranlasst, die Flugbahn jedes Speicheltröpfchenpartikels zu erfassen, das durch den Hustenprozess in jedem Zeitintervall erzeugt wird. DPM behandelt die diskrete Lagrange-Phase als Kontinuumsstruktur, sodass die transienten Eigenschaften von Partikeln (Geschwindigkeit, Masse und Position) durch Integration des Kräftegleichgewichts berechnet werden. Angesichts der beträchtlichen Tröpfchen-zu-Luft-Dichte sind die Grenzflächenkräfte aufgrund des Dichteverhältnisses vernachlässigbar klein. Gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz berücksichtigt die Bewegungsgleichung für Teilchen hauptsächlich die Wirkung der Schwerkraft, der Stokes-Cunningham-Widerstandskraft, der durch die Brownsche Bewegung induzierten Kraft und des Auftriebs, d. h.

wobei \(m_{dro}\), \(\overrightarrow{U_{dro}}\) und \(d_{dro}\) Tröpfchenmasse, -geschwindigkeit, -dichte bzw. -durchmesser sind. \(C_{c}\) ist der Cunningham-Korrekturfaktor58. Der Wert des Luftwiderstandsbeiwerts (\(C_{D}\)) hängt von der Reynolds-Zahl (\(R_e\))59 des Tropfens ab:

wobei \(a_{1}\), \(a_{2}\) und \(a_{3}\) Konstanten sind, die durch den Bereich von \(R_e\) bestimmt werden.

Es wird angenommen, dass die Tröpfchen beim Verdampfen kugelförmig bleiben. Gemäß49 in Tabelle 3 kommt man zu dem Schluss, dass die tatsächliche Keimgröße von der Tröpfchenzusammensetzung abhängt. Tröpfchenpartikel werden als Kombination aus reinem Wasser mit 98,2 % flüchtigem Gehalt und 1,8 % nichtflüchtigen festen Verbindungen (einschließlich des COVID-19-Virus) ausgewählt. Jede Komponente wird durch benutzerdefinierte Befehle in das Tropfenmodell implantiert. Nach der Messung von Silva et al.60 aus infizierten Speichelproben beträgt die durchschnittliche COVID-19-Viruslast von Männern und Frauen etwa 5,4 \(\hbox {log}_{10}\) GE (Virusgenomäquivalente)/ml und 6,2 \(\hbox {log}_{10}\) GE/ml, wobei 1 GE 6,6 Pikogramm DNA entspricht. Der Anteil des COVID-19-Virus in Speicheltröpfchen wird auf 6,6e−6 g/ml bei gleichem Molekulargewicht wie DNA geschätzt. Nach den von Lieber et al.35 gemessenen experimentellen Daten bewirken zwar die nichtflüchtigen Komponenten eine Verringerung des Dampfdrucks der Tröpfchen, die Verdunstungsraten von Tröpfchen aus reinem Wasser und Speichel sind jedoch in einer Dauer von 58 s nahezu identisch . Daher verdunstet nur der Wasseranteil, bis das Tröpfchenteilchen bei der Kondensation und Verdunstung in seine Kerne zerfällt. Der Stoffübergang zwischen Umgebungsdampf und reinem Wasser in Tröpfchen bestimmt die Verdunstungsrate:

Dabei ist \(k_{c}\) der Stoffübergangskoeffizient und \(A_{dro}\) die Oberfläche der Tröpfchenpartikel. \(Y_{dro, s}\) und \(Y_{dro, mix}\) sind der Gleichgewichts-Wasserdampf-Massenanteil an der Tröpfchenoberfläche und der lokale Wasserdampf-Massenanteil in der Luftmischung.

Angesichts der geringen Wärmeänderung innerhalb des Tröpfchens berücksichtigt die Energiebilanzgleichung nur die latente Wärme der Phasenänderung und wird ausgedrückt durch:

Dabei ist \(c_{dro}\) die Wärmekapazität des Tröpfchens, h der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient, \(T_{\infty }\) die Temperatur der umgebenden Luftmischung und \(h_{lH_{2}O }\) ist die latente Wärme.

Das dem Schlieren-Experiment zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass die auf den Brechungsindizes des Lichts basierende Schattengraphen-Bildgebungstechnik beim Durchgang durch warme Luft mit unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich ist. Wie in Abb. 15 dargestellt, ist das Licht einer LED in einem koinzidenten Doppeldurchgangsaufbau angeordnet, der aus einem konkaven Spiegel mit 203 mm Durchmesser und 750 m Brennweite und einer Kamera mit Bildraten von 30 bis 240 fps besteht. Die Testperson wird aus einer Entfernung von 0,1 m von der Mitte des Hohlspiegels zum Husten gebracht. Die Bewegung der Hustenwellenfront und die turbulenten Merkmale des Atemstoßes werden von der Kamera erfasst. Währenddessen wird die horizontale Fluggeschwindigkeit in 0,2 m Entfernung vom Testobjekt mit einem Hitzdraht-Anemometer gemessen, das eine Genauigkeit von \(\pm \, 5\%\) des Messwerts und einen Messbereich von 0,01–30 m aufweist /S.

Komponenten des Schlieren-Bildgebungssystems. Die Figur wurde in Adobe Illustrator (Version 16.0) gezeichnet.

Typischer Husten ohne CFD- und Schlieren-Experiment. Die Figur wurde mit Ansys Fluent (Version 2019 R2) verarbeitet und in Adobe Illustrator (Version 16.0) gezeichnet.

Typischer Husten mit einlagiger Mullmaske aus CFD- und Schlieren-Experiment. Die Figur wurde mit Ansys Fluent (Version 2019 R2) verarbeitet und in Adobe Illustrator (Version 16.0) gezeichnet.

Der Vergleich des Hustenausbreitungsbereichs zwischen dem CFD-Ergebnis der Fälle 1 (normaler Husten)/Fall 2 (Husten mit Mullmaske) und den experimentellen Schlieren-Ergebnissen.

Um das Verdunstungsmodell zu verifizieren, wird das frühere Lagrange-Verdunstungsmodell eines einzelnen Wassertropfens, der mit Luft in ANSYS Fluent interagiert, simuliert, um es mit zwei Reihen experimenteller Daten zu vergleichen. Typische Parameter im ersten Versuchsaufbau57 sind: \(\hbox {RH} = 35\%\), Lufttemperatur = 297 K, Freistromgeschwindigkeit = 0,203 m/s und anfänglicher Tröpfchendurchmesser = 1,05 mm. Die gleichen Bedingungen wiederholen sich in der CFD-Simulation. Während eines Zeitraums von 800 s wird die durch CFD vorhergesagte Änderung des Tröpfchendurchmessers aufgezeichnet und zusammen mit den experimentellen Ergebnissen in Abb. 12 dargestellt. Für das zweite Experiment57 beträgt die Umgebungslufttemperatur 298 K, die Luftströmungsgeschwindigkeit beträgt weniger als 0,1 m/s , der anfängliche Durchmesser des Tröpfchens beträgt 1337 \(\upmu \,\hbox {m}\), und die relative Luftfeuchtigkeit beträgt \(96\%\) (Abb. 13) und \(84\%\) (Abb. 14). Sowohl die Experimente als auch die Simulationen in Abb. 13 werden abgebrochen, wenn die Tröpfchen vollständig verdampft sind, aber die Tröpfchen behalten unter den Umständen \(\hbox {RH} = 96\%\) ungefähr die ganze Zeit über ihre Anfangsmassen bei. Es wird beobachtet, dass die Masse beider Wassertröpfchen unter Umständen mit hoher relativer Luftfeuchtigkeit ungefähr ihre Massen beibehält, wenn das Phasengleichgewicht an der Tröpfchenoberfläche erreicht ist. Zwischen den numerischen Ergebnissen dieser Studie und den in der Literatur berichteten experimentellen Daten wird eine zufriedenstellende Übereinstimmung erzielt. Die Abbildung zeigt auch, dass die Gesamtmasse der in der Luft befindlichen Tröpfchen empfindlich von den Umgebungsbedingungen abhängt. Die Krümmung der schwarzen Linie nimmt zu, was darauf hindeutet, dass größere Tröpfchen mit einer größeren spezifischen Oberfläche zu einer langsameren Durchmesserverringerung aufgrund der Verdunstung führen.

Die hintere Validierungsanalyse basiert auf den Bildern, die aus dem Schlieren-Experiment gewonnen wurden, dessen Einrichtungen in Abb. 15 dargestellt sind. Bei Innentemperatur und relativer Luftfeuchtigkeit (20 \(\circ \hbox {C}\) und \(48\% \)), der maximale sichtbare Ausbreitungsabstand von der Grenze der Graustufen-Schlierenbilder zur hustenden Wellenfront und der maximal sichtbare zweidimensionale Bereich des Puffs im Experiment haben beide eine geringere Ausdehnung als die numerischer Simulationen, während die Fluggeschwindigkeit kleiner ist als das CFD-Ergebnis. Die Vergleiche in Abb. Die Abbildungen 16 und 17 zeigen eine außergewöhnlich gute Präzision des oben genannten CFD-Modells für beide qualitativen Analysen des Transports von Hustentröpfchen.

Der quantitative Vergleich im Ausbreitungsbereich des experimentellen Hustenstrahls mit oder ohne Maske in vertikaler, horizontaler und flächiger Dimension zwischen den Ergebnissen des Schieren-Experiments und CFD ist in Abb. 18 dargestellt. Begrenzt durch die Größe des Hohlspiegels, Das Schlierence-Experiment kann nur die ersten 65 ms während des normalen Hustenvorgangs und 50 ms mit einer einlagigen Mullmaske validieren. Wie in Abb. 18a–c dargestellt, zeigen die mit dem RNG-Ke-Turbulenzmodell simulierten Ergebnisse eine bessere Übereinstimmung und eine höhere Genauigkeit als die beiden anderen CFD-Ergebnisse von Standard-k-Omega und SST-k-Omega. Die Ergebnisse des normalen Hustens zeigen, dass das CFD-Ergebnis mit dem RNG-Ke-Turbulenzmodell niedriger ist als das experimentelle im vertikalen Bereich. Im Gegensatz dazu ist der horizontale Bereich größer, wobei der kombinierte Effekt das Flächenergebnis von CFD ist, das vergleichsweise gut mit dem experimentellen Ergebnis übereinstimmt. Für den maskierten Hustenstrahl (Abb. 18d–f) stimmen die CFD-Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen überein. Insgesamt sind die CFD-Ergebnisse auf Basis des RNG-Ke-Turbulenzmodells zuverlässig.

Draufsicht der kumulativen Zeitverteilung von Tröpfchenwolken in Fall 1. Die Tröpfchenverteilungen wurden mit ANSYS Fluent (Version 2019 R2) vorhergesagt. Die Figuren wurden von Matplotlib (Version 3.5.0) gezeichnet.

Seitenansicht der kumulativen Zeitverteilung von Tröpfchenwolken in Fall 1. Die Tröpfchenverteilungen wurden mit ANSYS Fluent (Version 2019 R2) vorhergesagt. Die Figuren wurden von Matplotlib (Version 3.5.0) gezeichnet.

Vorderansicht der kumulativen Zeitverteilung von Tröpfchenwolken in Fall 1. Die Tröpfchenverteilungen wurden mit ANSYS Fluent (Version 2019 R2) vorhergesagt und mit Matplotlib (Version 3.5.0) gezeichnet.

Die Abbildungen 19, 20 und 21 sind der Reihe nach Draufsicht, Seitenansicht und Vorderansicht der Tröpfchenverteilung im Klassenzimmer, um die räumliche Verteilung der Tröpfchenwolke für einen normalen Husten in quasi ruhender Luft zu analysieren. Für Fall 1 ergibt sich das Grundlinienmuster eines regelmäßigen Hustens bei \(\Delta \hbox {t} = 0,5\) s, was sich vom angenommenen konischen Strahl unterscheidet. Zu diesem Zeitpunkt sind alle Speicheltröpfchen, die mit Viren behaftet sind, aus dem Mund ausgeschieden und ein Teil davon hat bereits begonnen zu verdunsten. Die soeben versprühten Tröpfchen bewegen sich alleine geradeaus, weil sie Impuls und Energie von der Hustenstrahlquelle erhalten. Im Gegensatz dazu verloren die frühen Resttröpfchen schnell ihren Impuls und ihre kinetische Energie und begannen sich unter der Wirkung der Widerstandskraft peripher aufzulösen. 5 Sekunden nach Beginn des Hustens lagern sich die größeren Tröpfchen (D \(\ge\) 100 \(\upmu \,\hbox {m}\)) unter der Wirkung der Schwerkraft auf dem Boden ab, die kleineren Tröpfchen weiter aufgrund von Turbulenzen zerstreut. Während der Zeit von 10 bis 50 s bildete sich Aerosol, das mit der thermischen Wolke vom menschlichen Körper zur Decke aufstieg, sich dann zerstreute und in die Umgebung ausbreitete. Schließlich besteht das Aerosol aus nichtflüchtigen Kernen (D < 0,5 \(\upmu \,\hbox {m}\)) und kleineren Tröpfchen (0,5 \(\upmu \,\hbox {m}\) \(\le \) \(\hbox {D} < 10\) \(\upmu \,\hbox {m}\)) bleibt lange genug in der gesamten halboberen Luft schweben, mit einigen größeren Tröpfchen (10 \(\upmu \hbox {m} \le\) D < 100 \(\upmu \hbox {m}\)) verhinderte das Absetzen. Während des gesamten Prozesses bleiben die Werte der Stokes-Zahl des Speichels deutlich unter 1, was bedeutet, dass der Trägheitseffekt eines Partikels schwach ist und die Trägheitsabsenkung folglich nicht im Vordergrund steht.

Die Gesamtmasse der in der Luft befindlichen Tröpfchen variiert mit der Zeit.

Die Gesamtzahl der Tröpfchen variiert mit der Zeit.

Die Gesamtmasse (\(m_{dro,t}\)) luftgetragener Tröpfchen als quantitativer Parameter der Übertragung und Dissipation der Tröpfchen in der Luft ist definiert durch:

Dabei ist \(m_{dro, i}\) die Masse eines einzelnen Teilchens, \(m_{v, i}\) und \(m_{nonv, i}\) die Masse der Wasserkomponente und die nichtflüchtige Spezies in einem Partikel. \(m_{v, i}\) nimmt im Laufe der Zeit aufgrund des in Gl. beschriebenen Stofftransfereffekts allmählich ab. (12), während \(m_{nonv, i}\) mit der Zeit invariant ist und durch die \(1,8\%\) Anfangsmasse eines einzelnen Tröpfchens bestimmt wird. Abbildung 22 zeigt die zeitliche Änderung von \(m_{dro,t}\) luftgetragener Tröpfchen für die acht Fälle. Die durchgezogene violette Linie stellt Fall 1 dar, der typischerweise einen Abwärtstrend im Laufe der Zeit anzeigt. Der Abstieg ist in den ersten 5 s steil, dann flacher. Zwei Tröpfchenbewegungen verursachen dieses Phänomen: Verdunstung und Absetzen. Seine Geschwindigkeit wird stark von den thermischen Umgebungsbedingungen und nur schwach von der turbulenten Vermischung zur Verdunstung beeinflusst. Dadurch wird der Verdampfungsprozess von anderen Mechanismen entkoppelt und die Gesamtmasse verringert sich weiter. Bei der Besiedlung gleichen sich in den frühen 5 s die Gravitations- und Trägheitsbeschleunigung mit der Widerstandskraft und dem Auftrieb aus und dominieren den schnellen Fall größerer Tröpfchen. Sobald sich das Tröpfchen absetzt, wird seine Masse aus dem Rechenbereich entfernt. Danach ist die Diffusions- und Trägheitssedimentation im Tröpfchenaerosol ausgeprägter, was zu einer geringeren Entfernung der gesamten Tröpfchenmasse führt.

Die Gesamtmasse der Tröpfchen in der unteren Hälfte des Klassenzimmers variiert mit der Zeit.

In dieser Studie werden die in Fall 2 bis Fall 8 getroffenen Vorsichtsmaßnahmen vor dem Hustenvorgang angewendet, sodass in allen Fällen unterschiedliche, stabile Ausgangsbedingungen in der Luft herrschen. Die Handhabung der vollständig verdampften Tröpfchen wird in dieser Arbeit als nichtflüchtige feste Kerne betrachtet, um die Verteilungen des restlichen Speichels zu analysieren. Wir vergleichen die Wirkung von Präventionsstrategien, einschließlich Gesichtsmasken, Aufwärtsbelüftung und Schutzschirmen.

Gemäß dem mathematischen Modell von Wells-Riley zur Infektionswahrscheinlichkeit spielen Aerosoldichte und -entfernung eine wesentliche Rolle für das Infektionsrisiko. Ihre Gesamtmasse und Gesamtzahl können die Dichte von Atemtröpfchen analysieren. Für die Gesamtmasse zeigt Abb. 22, dass Fall 5 und Fall 8 das geringste Infektionsrisiko aufweisen. Viele große Tröpfchen werden durch die Wirkung der Schwerkraft schnell abgelagert, und kleine Tröpfchen werden durch den Sog der Belüftung beschleunigt. Die mittleren Tröpfchen bleiben jedoch länger in der Luft, da die Schwerkraft, der Auftrieb und die Widerstandskraft, denen sie ausgesetzt sind, dem Sog durch die Belüftung entgegenwirken. Eine Gesichtsmaske (Fall 2/5/7/8) mit Filterwirkung kann im Anfangsstadium die Gesamtmasse der Hustenwolke und die Anzahl großer Tröpfchen reduzieren. Da im Fall 2/5/7/8 die mittleren Tröpfchen mit der längeren Suspensionszeit vorherrschen, folgt die Änderung der Gesamtmasse in diesen vier Fällen, die hauptsächlich durch Verdampfung verursacht wird, fast der gleichen Kurve und unterscheidet sich von den anderen vier Fällen vor 45 s. Nach 45 s wandern die schwebenden Tröpfchen in Fall 5 und Fall 8 zur Decke und werden aus dem Lüftungsauslass ausgestoßen, während die Tröpfchen in Fall 2 und Fall 7 weiterhin schweben. Für die Gesamtzahl zeigt das Liniendiagramm in Abb. 23, dass in Fall 3 und Fall 5 die Tröpfchenzahl in den frühen 20 s sinkt, da das Entlüftungssystem den Tröpfchenimpuls erhöht. Alle belüfteten Fälle (Fall 3/5/6/8) reduzieren die Anzahl der Tröpfchen beim letzten Mal im Klassenzimmer. Das Aufwärtslüftungsmuster in Innenräumen ist die wirksamste Strategie und für den Schutz vor COVID-19 unerlässlich.

Im täglichen Leben ist die untere Hälfte des Klassenzimmers der Hauptaktivitätsraum für Menschen. Abbildung 24 zeigt die Gesamtmasse der Tröpfchen in der unteren Hälfte des Klassenzimmers (\(m_{lh}\)). Im Fall 1 nimmt \(m_{lh}\) zunächst ab, steigt leicht an und sinkt wieder. Der zwischenzeitliche Anstieg ist auf die Ablagerung des schwebenden Aerosols zurückzuführen. Nach dem Tragen der Gesichtsmaske (Fall 2/5/7/8), insbesondere in der Anfangsphase des Hustens, ist die Konzentration der Tröpfchen mit COVID-19 stark reduziert. Darüber hinaus entfällt bei den belüfteten Fällen (Fall 3/6) der Zwischenanstieg. Es wird darauf hingewiesen, dass alle Vorsichtsmaßnahmen das Risiko einer direkten Inhalation pathogener Tröpfchen im Aktivitätsraum des Klassenzimmers verringern können.

Abbildung 25 zeigt die Ausbreitungsreichweite in den drei Dimensionen aus der räumlichen Verteilung der diskreten Tröpfchenwolke unter der Perspektive des Lagrange-Ansatzes. Abbildung 25B zeigt den maximalen Bereich der seitlichen Penetration, der mit der Zeit variiert. Die Reichweite im Fall 1/2/4/7 vergrößert sich allmählich, um die gesamte seitliche Spannweite des Klassenraums abzudecken, während die Fälle, die durch die Aufwärtsbelüftung implementiert werden (Fall 3/5/6/8), geringere Ausbreitungsbereiche aufweisen (soweit ... 1m). Dies bestätigt eine der Schlussfolgerungen von Lieber35: Für ein Innenszenario ohne ausreichende Belüftung kann kein Sicherheitsabstand definiert werden – Tröpfchen verteilen sich im gesamten Raum.

Die Ausbreitungsreichweite der Tröpfchenwolke variiert mit der Zeit. (a) Gezeichnet in Tecplot 360 (Version 2016 R2) und Adobe Illustrator (Version 16.0).

Abbildung 25C zeigt die horizontale Durchdringung der Tropfenwolke. Auch hier werden die Tröpfchen in Fall 1 und Fall 4 schließlich auf die gesamte horizontale Spannweite des Raums projiziert, während sowohl Fall 5 als auch Fall 8 Tröpfchen auf den Höhepunkt von 3 m ihrer Reichweite bei \(\Delta t = 15\) projizieren können. s nimmt dann ab und ist schließlich ungefähr gleich 0 m. Der Vergleich zeigt, dass Fall 5 und Fall 8 das geringste Infektionsrisiko aufweisen.

Abbildung 25D zeigt das Ausmaß der vertikalen Durchdringung. In allen Fällen ist die Tendenz ihrer Reichweiten während 0,5–20 Sekunden ähnlich (Anstieg auf die maximale Höhe des Klassenzimmers – 3,35 m). Die folgenden größeren Unterschiede werden jedoch durch die verschiedenen Präventionsstrategien hervorgerufen. Im Allgemeinen weisen die Fälle (Fall 5/6/7/8) mit der Kopplungswirkung von zwei oder drei Strategien eine geringere Ausbreitungsreichweite auf. Fall 5 stellt mit einer Reichweite von weniger als 0,5 m das Optimum am Zielort dar. Im Vergleich zu Case 5 ist Case 8 suboptimal, da sein zusätzlicher Schutzschirm das Luftstromfeld negativ beeinflusst: Der Schirm blockiert die Entlüftungsluft und einige Tröpfchen mit geringem Impuls bleiben im Rezirkulationsstrom auf dem Schirm hängen.

Da sich der Speichel in einem Raum ohne Belüftung letztendlich im gesamten Raum ausbreitet, macht der empfohlene soziale Abstand in einem so begrenzten geschlossenen Raum wenig Sinn. In Tabelle 4 sind die Richtlinien zur sozialen Distanzierung anlässlich der vier Fälle mit Beatmung dargestellt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für einen gut belüfteten Raum (Fall 3) der empfohlene soziale Abstand 6 m beträgt; Der Schutzschirm in Kombination mit der Aufwärtslüftung (Fall 6) kann den horizontalen sozialen Abstand um 3 m verringern; Bei gleichzeitiger Verwendung einer Gesichtsmaske und Beatmung (Fall 5 und Fall 8) beträgt der soziale Abstand sowohl horizontal als auch vertikal 3 m.

PDF variiert mit der Zeit.

Durch Verdunstung und Absetzen ändert sich die Tröpfchengröße in der Luft mit der Zeit, wenn die Tröpfchen durch die Luft wandern. Die Tröpfchengrößenverteilung wird an die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) des Rosin-Rammler-Ansatzes angepasst, basierend auf den Berechnungsergebnissen für die 8 Fälle, wie in Abb. 26 dargestellt. In allen Fällen nehmen Intervall und Modus der PDF mit der Zeit ab Zeit. Die großen Tröpfchen (D \(\ge\) 100 \(\upmu \,\hbox {m}\)) fallen in Fällen ohne Masken (Fall 1/3/4/6) gleichzeitig auf den Boden Intervall (weniger als 20 s). Wie bereits erwähnt, dominiert im Frühstadium zwar die Gravitationsablagerung, doch die Verdunstung wirkt ständig und überwindet schließlich die Ablagerung, wodurch die Abnahme der Tröpfchengröße dominiert wird. In den Gesichtsmasken-Szenarien (Fall 2/5/7/8) nimmt die Größe der Tröpfchen ab und die gravitative Setzung verschwindet, da die PDF zu diesem Zeitpunkt hauptsächlich durch den Massentransfer aufgrund der Verdunstung (und auch der Belüftung) beeinflusst wird Fälle 5 und 8).

Nachfolgend sind die Funktionen und Einschränkungen der Aufwärtsbelüftung und des Schutzschirms mit und ohne Maske aufgeführt. Ohne Maske sorgt das Belüftungsszenario (Fall 3) für eine beschleunigte Geschwindigkeit im Gegensatz zur Erdbeschleunigung, um winzigen Tröpfchen das Entweichen von der Decke zu erleichtern, was durch die beschleunigte Schrumpfung der PDF-Verteilung im späteren Zeitraum (von 20 s bis 20 s) belegt wird 45 s). Die alleinige Verwendung eines Schutzschirms (Fall 4) verhindert wirksam, dass weit verbreitete Tröpfchen mit höherem Anfangsimpuls nach oben zur Decke zurückprallen. Durch die kombinierte Wirkung einer Maske werden die großen Tröpfchen gefiltert und es bleiben nur mittlere und kleine Tröpfchen übrig. Somit wird der Vorteil der Belüftung (Fall 5/6/8) dadurch deutlich, dass sie den Ausstoß von Tröpfchen erhöht. Bei den kombinierten Fällen mit Maske und Bildschirm (Fall 7 und Fall 8) führt die geringere Reichweite des Hustenstrahls jedoch dazu, dass der Bildschirm sinnlos ist.

Die Bedeutung von ACH besteht darin, dass es die Konzentration und Ausbreitung von Tröpfchen stark beeinflussen kann, was ein wichtiger Parameter bei der Festlegung vorsorglicher Leitlinien für geschlossene Innenszenarien ist. Wie aus früheren Untersuchungen hervorgeht, wirkt sich eine Erhöhung des ACH von 4 auf 12 ACH kaum auf das Infektionsrisiko aus61, und die stärkere Luftbewegung (ACH = 40) kann die Ausbreitung des Hustenaerosols wirksamer verhindern10. Konditionierte Luft ist bei verschiedenen spezifizierten Betriebsanforderungen unterschiedlich62, zum Beispiel 6–20 ACH für Klassenzimmer, 10–50 ACH für Präzisionsfertigung usw. Die vorliegende Forschung untersucht die Wirkung von ACH auf die Konzentration und Ausbreitung von Tröpfchen durch Reduzierung der Luftgeschwindigkeit am Einlass im Fall 3 (ACH \(\ approx\) 100) bis 0,002 m/s (ACH \(\ approx\) 2), 0,005 m/s (ACH \(\ approx\) 5), 0,01 m/ s (ACH \(\ungefähr) 10) bzw. 0,05 m/s (ACH \(\ungefähr) 50). Wie in Abb. 27 dargestellt, führt die Verringerung von ACH zu einer Verringerung der Gesamtmasse der Tröpfchen im letzten Schritt der Simulation. Im Vergleich zum Fall von ACH \(\ approx\) 0 (Fall 1) treten die bemerkenswerten Konzentrationsreduzierungen durch die Beatmung (ACH \(\ge\) 0) nach 10 Sekunden auf. Die Gesamtmasse der Hustentröpfchen unter Beatmung wird in verschiedenen Zeiträumen durch drei physikalische Hauptmechanismen charakterisiert: Absetzen, Verdunsten und Entweichen. Drei typische Zeitpunkte von 2,5 s, 22,5 s und 52,5 s repräsentieren das frühere Stadium (Gravitationsbesiedlungsbereich, kombiniert mit Verdunstung), das mittlere Stadium (Verdunstung und Fluchtbereich, kombiniert mit der schwächeren Gravitationsbesiedlung) und das spätere Stadium (Fluchtbereich). , kombiniert mit der schwächeren Verdunstung, Diffusion und Trägheitsabsetzung), schneiden die numerische Dauer durch gestrichelte Linien ab. Bei 2,5 s fallen die Linien 0–50 zusammen, die Gesamtmasse ist jedoch bei 100 am größten. Da die Aufwärtsbelüftung mit der höchsten Geschwindigkeit die gravitative Besiedlung der Tröpfchen mit größerem Durchmesser abschwächt, verursachen die zurückbleibenden größeren Tröpfchen im Fall von 10 eine höhere Gesamtmasse. Bei 22,5 s und 52,5 s beträgt die Gesamtmasse der Tröpfchen in den Fällen mit der niedrigere ACH (ACH \(\ungefähr) 2, 5 und 10) ist am geringsten. Darüber hinaus funktionieren die Fälle 2 und 5 bei 22,5 s etwas besser als der Fall 10, während der Fall 10 bei 52,5 s die beste Wirkung erzielt. Der höhere ACH-Wert wird in den früheren und mittleren Stadien einen negativen Effekt hervorrufen, aber der größere ACH hat eine größere Effizienz bei der Erschöpfung der Tröpfchen, wenn die Gravitationsablagerung verschwindet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 10 der empfohlene ACH-Wert ist, der sich langfristig am besten auf die Verringerung der Tröpfchenkonzentration auswirkt.

Gesamtmasse luftgetragener Tröpfchen unter verschiedenen ACH.

Wie in Abb. 28 dargestellt, sind die horizontalen und seitlichen Bereiche (Abb. 28a, b) des Hustenstrahls bei ACH \(\ca.) 2, 5, 10 und 50 breiter als bei ACH \(\ca \) 100. Der größere ACH kann die Ausbreitungsreichweite verringern, aber wenn der ACH \(\le\) 10 ist, sind die Werte und Tendenzen der Ausbreitungsbereiche ähnlich. Für die vertikalen Bereiche (Abb. 28c) nimmt die Kurve von 100 nach 30 s allmählich ab und wird nach 60 s niedriger als andere. Da der ACH von 100 Tröpfchen mit einer größeren vertikalen Geschwindigkeit infundiert, begrenzt dies die horizontale und seitliche Diffusion und beschleunigt den vertikalen Ausstoß der Tröpfchen. Insgesamt wird für die Aufwärtslüftung ein größerer ACH empfohlen, um die Ausbreitungsreichweite von Hustentröpfchen in Innenräumen zu verringern.

Die Ausbreitungsreichweite der Tröpfchenwolke variiert mit der Zeit.

In dieser Studie wird ein mehrkomponentiges Euler-Lagrange-CFD-Partikelverfolgungsmodell mit benutzerdefinierten Funktionen vorgeschlagen, um die Verdunstung und Ausbreitung von mit COVID-19 beladenen Tröpfchen in einem geschlossenen Raum quantitativ zu beschreiben. Das Modell zeichnet sich durch Massen-, Impuls- und Wärmeübertragung zwischen einzelnen Hustentröpfchen und kontinuierlicher Hintergrundluft aus. Die benutzerdefinierten Funktionen verstärken den vorübergehenden Charakter des Hustenfortschritts. Die Modellvorhersagen stimmen gut mit den experimentellen Daten überein. Kritische Auswirkungen fallspezifischer Vorsichtsmaßnahmen (z. B. Gesichtsmaske, Aufwärtsbelüftung, Schutzschirm und Kombinationen) werden fokussiert und bewertet. Die Schlussfolgerungen aus dieser Studie lauten wie folgt:

Bei einem normalen Husten wird die Entwicklung der Hustentröpfchen hauptsächlich durch zwei Mechanismen beeinflusst: Verdunstung und Ablagerung. In den frühen Stadien überwiegt die Setzung durch Gravitation, insbesondere bei größeren Wassertröpfchen. Im Gegensatz dazu überwiegt im mittleren und späteren Stadium die mit Trägheitsabsenkung gekoppelte Diffusion, die bei kleineren Wassertröpfchen stärker ausgeprägt ist. Die Verdunstung erfolgt im Laufe der Dauer an Tröpfchen aller Größen, sodass die größeren Tröpfchen kleiner werden und in der Luft befindliche Tröpfchen klein genug werden, um in den höheren Atemwegen zu schweben.

In Fällen, in denen eine einzelne Vorsichtsmaßnahme umgesetzt wird, ist die Belüftung nach oben die wirksamste Maßnahme, gefolgt von der Gesichtsmaske und dann dem Schutzschirm. Die Aufwärtsbelüftung zwingt die Tröpfchenwolke dazu, der entweichenden Luft zu folgen, und verringert insgesamt das Infektionsrisiko. Eine Gesichtsmaske kann die Ausbreitung des Hustenstrahls von der Quelle steuern und größere Tröpfchen filtern. Ein Schutzschirm kann die Schwerkraftablagerung verhindern und die Hustenwolke vom menschlichen Aktivitätsraum zur Decke leiten.

Fall 5 (Maske + Beatmung) und Fall 8 (Maske + Beatmung + Bildschirm) funktionieren gleich gut, beide sind also relativ optimale Lösungen. In diesen beiden Fällen kann die Anzahldichte der Tröpfchen in der Luft und die Massenkonzentration des inhalierbaren Aerosols erheblich verringert werden (um \(\sim \,99,95\%\) in der Anzahl und \(\sim \,99,95\%\) in Masse im Vergleich zu Fall 1), was zu einer kürzeren Ausbreitungsstrecke und einem geringeren Infektionsrisiko im menschlichen Aktivitätsraum führt. Es wurde auch festgestellt, dass der Schutzschirm bei Verwendung mit einer Gesichtsmaske entbehrlich wird.

mit der besten Wirkung auf die Reduzierung der Tröpfchenkonzentration

Das Aufwärtslüftungsmuster in Innenräumen spielt die wichtigste Rolle beim Schutz vor COVID-19. Die Belüftung mit einem ACH von 10 senkt die Tröpfchenkonzentration am effektivsten, und ein höherer ACH wird empfohlen, um die Ausbreitungsreichweite von Hustentröpfchen in Innenräumen zu verringern. Für den Einzelnen scheint das Tragen von Gesichtsmasken die bequemste und effizienteste Lösung zu sein, um die Ausbreitung von COVID-19 einzudämmen. Tatsächlich tragen viele Menschen ihre Masken nicht richtig oder tragen Masken mit schwacher Filterfähigkeit. In diesen Fällen könnte der Schutzschirm der sekundäre Schutz sein, um das Infektionsrisiko von COVID-19 zu senken.

Gesichtsmaske und Schutzschirm reduzieren den vorderen Strahlfluss, was bei direkten Kontakten weniger Schaden anrichtet; Im Heizbetrieb wird eine Aufwärtsbelüftung eingesetzt, um eine vollständige Durchmischung zu vermeiden. Der empfohlene soziale Abstand für ein Klassenzimmerszenario mit der Kombination aus Maske und Belüftung beträgt 3 m, horizontal und vertikal.

Weitere Forschung ist erforderlich, um effektivere Lüftungs- und Abschirmungsstrategien zu entwickeln, die neue Technologien wie KI nutzen können, wobei detaillierte Szenarien berücksichtigt werden, wie zum Beispiel Tische, die Adsorptionsmaterialien beschichten, Fenster, um die Luft auf natürliche Weise zu zirkulieren, und Menschen, die falsch maskiert sind, zum Besseren Reaktion auf zukünftige epidemische Krankheiten.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze und Materialien sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wird von der National Natural Science Foundation of China unter Grant 52175237 und von der Tsinghua Precision Medicine Foundation unter Grant 2022TS009 unterstützt.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Zhenguo Nie und Yunzhi Chen.

Fakultät für Maschinenbau, Tsinghua-Universität, Peking, 100084, China

Zhenguo Nie & Yunzhi Chen

Staatliches Schlüssellabor für Tribologie in fortschrittlicher Ausrüstung, Peking, 100084, China

Zhenguo Nie

Beijing Key Lab für Präzisions-/Ultrapräzisionsfertigungsgeräte und -steuerung, Peking, 100084, China

Zhenguo Nie

Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian, 116026, Liaoning, China

Yunzhi Chen

Staatliches Schlüssellabor für Vegetation und Umweltveränderungen, Institut für Botanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, 100093, China

Meifeng Deng

Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, 100049, China

Meifeng Deng

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ZN konzipierte und gestaltete die Studie. YC führte das Experiment durch und führte die Simulationen durch. YC und MD analysierten die Ergebnisse und verfassten den Artikel. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Zhenguo Nie.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nie, Z., Chen, Y. & Deng, M. Quantitative Bewertung von Vorsichtsmaßnahmen gegen die Übertragung von COVID-19 in Innenräumen durch menschlichen Husten. Sci Rep 12, 22573 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26837-0

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Eingegangen: 14. August 2022

Angenommen: 21. Dezember 2022

Veröffentlicht: 30. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26837-0

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