[論文レビュー] Host-to-Host Airborne Transmission As a Multiphase Flow Problem For Science-Based Social Distance Guidelines

S. Balachandar, Stéphane Zaleski+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 95被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、呼吸器病原体の飛沫による宿主間空気感染を、多相流問題として定式化し、飛沫生成、蒸発、パフの力学的挙動、乱流拡散をモデル化することで、社会的距離の科学的根拠を導くフレームワークを構築する。呼吸、会話、咳、くしゃみの状況下で、環境条件が異なる場合の時間的・空間的変動を考慮した、簡略化された理論的モデルを提示し、飛沫および残留物濃度の推定を可能にし、状況別リスク評価を可能にする。

ABSTRACT

COVID-19 pandemic has strikingly demonstrated how important it is to develop fundamental knowledge related to generation, transport and inhalation of pathogen-laden droplets and their subsequent possible fate as airborne particles, or aerosols, in the context of human to human transmission. It is also increasingly clear that airborne transmission is an important contributor to rapid spreading of the disease. In this paper, we discuss the processes of droplet generation by exhalation, their potential transformation into airborne particles by evaporation, transport over long distances by the exhaled puff and by ambient air turbulence, and final inhalation by the receiving host as interconnected multiphase flow processes. A simple model for the time evolution of droplet/aerosol concentration is presented based on a theoretical analysis of the relevant physical processes. The modeling framework along with detailed experiments and simulations can be used to study a wide variety of scenarios involving breathing, talking, coughing and sneezing and in a number of environmental conditions, as humid or dry atmosphere, confined or open environment. Although a number of questions remain open on the physics of evaporation and coupling with persistence of the virus, it is clear that with a more reliable understanding of the underlying flow physics of virus transmission one can set the foundation for an improved methodology in designing case-specific social distancing and infection control guidelines.

研究の動機と目的

• 人間の呼気における飛沫およびエアロゾルの伝播の流体力学的理解を、物理学的根拠に基づいたフレームワークとして構築すること。
• 従来の飛沫モデルの限界を克服し、乱流呼気パフの役割と、それが空気中雲へと進化するプロセスを組み込むこと。
• 飛沫の大きさ、蒸発、環境条件、乱流が、時間的・空間的変動に及ぼす影響を定量化すること。
• 受動的宿主の位置における飛沫残留物濃度を推定する、簡略化されたが予測可能なモデルを提供すること。
• 流体力学および多相流の物理学に基づいた、状況別に設計された社会的距離および感染制御ガイドラインの策定を支援すること。

提案手法

• 呼気を、飛沫の連続体を運ぶ乱流的で浮力を有するガスパフとしてモデル化し、初期飛沫サイズ分布および不揮発性成分を主な入力とする。
• 飛沫の蒸発、重力沈降、および混合および抵抗によるパフの減速に関する理論的分析を適用し、時間に依存する濃度変化を導出する。
• 式 (31)、(32)、および (38) を用いて、飛沫径および時間の関数としての空気中飛沫および残留物濃度の簡略化モデルを導入する。
• 乱流拡散の後期段階における飛沫残留物の拡散に、環境空気の乱流および平均流れの効果を、ランダム飛行モデルの手法で考慮する。
• 粒子サイズに依存するマスクのろ過効率を組み込み、保護効果を評価する。
• 高精度なシミュレーションおよび実験を用いて、環境条件（湿潤／乾燥、開放的／閉鎖的）が異なる状況下での理論的フレームワークの妥当性を検証し、その情報を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流呼気パフは、最大8メートルの距離にわたって、ウイルスを含む飛沫の輸送および拡散にどのように影響するか？
• RQ2 液体飛沫から空気中飛沫残留物への遷移は、何によって決定され、蒸発速度は伝播範囲にどのように影響するか？
• RQ3 パフ内における乱流の空間的非均一性および間欠的性質は、飛沫分布および被曝リスクにどのように影響するか？
• RQ4 パフの整合性が失われた後の飛沫残留物の後期拡散は、環境空気の流れおよび乱流によってどの程度支配されるか？
• RQ5 受動的宿主の位置におけるウイルスを含む残留物の濃度は、時間、飛沫サイズ、環境条件の関数として、どのように予測できるか？

主な発見

• モデルは、乱流パフの力学的挙動および環境空気の流れのおかげで、呼気由来の飛沫残留物が8メートルを超える距離にわたり、空中に保持され拡散し続けると予測している。
• 急速に蒸発する小さな飛沫（≤100 μm）は、不揮発性残留物に変化し、沈降速度が低くなるため、環境乱流によって長距離輸送が可能になる。
• 理論的式 (31)、(32)、および (38) は、時間的・サイズ的依存性を持つ空気中残留物濃度の予測を可能にし、状況別リスク評価を可能にする。
• パフ内での飛沫分布が一様であるという仮定は顕著な簡略化であり、乱流の非均一性および間欠的性質は中心部の濃度を低下させ、被曝パターンを変化させる。
• 蒸発速度は、蒸発が遅い条件下で特に重要であり、飛沫が空中に留まる時間および感染性が持続する期間に影響を与える。
• マスクの効果は粒子サイズに依存し、本モデルは飛沫／残留物径に応じたろ過効率を関数として拡張可能である。