[논문 리뷰] Host-to-Host Airborne Transmission As a Multiphase Flow Problem For Science-Based Social Distance Guidelines

S. Balachandar, Stéphane Zaleski외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 13.

Infection Control and Ventilation참고 문헌 95인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 호흡기 병원체의 호스트 간 공기 전파를 다상유동 문제로 공식화하여, 기침, 말하기, 재채기, 숨 쉬는 동안의 기체 방출, 증발, 흐름 역학, 난류 확산을 모델링함으로써 과학 기반의 사회적 거리 두기 프레임워크를 도출한다. 이는 시간과 거리에 따른 공기 중 기체 및 잔류물 농도를 단순화된 이론적 모델로 예측하여 환경 조건이 다양한 상황에서의 감염 위험 평가를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인간의 탈출 과정 동안 기체 및 에어로졸 전파의 유체역학을 이해하기 위한 물리 기반 프레임워크를 개발하는 것.
• 기존 기체 모델의 한계를 보완하기 위해 난류 탈출 흐름과 그가 공기 중 기체로 진화하는 과정의 역할을 통합하는 것.
• 기체 크기, 증발, 주변 조건, 난류가 시간과 거리에 따라 전파 위험에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 수신 호스트 위치에서 공기 중 잔류물 농도를 추정하기 위한 단순화되었지만 예측 가능한 모델을 제공하는 것.
• 유체역학 및 다상유동 물리학에 기반한 사례별 사회적 거리 두기 및 감염 통제 지침 설계를 지원하는 것.

제안 방법

• 기체 방출을 난류성이고 부력이 있는 기체 흐름으로 모델링하며, 초기 기체 크기 분포와 비증발성 성분을 핵심 입력으로 사용한다.
• 기체 증발, 중력 침강, 유동 흡입 및 저항으로 인한 흐름 감속의 이론적 분석을 적용하여 시간에 따라 변화하는 농도의 진화를 유도한다.
• 식 (31), (32), 및 (38)을 사용하여 기체 직경과 시간에 따라 공기 중 기체 및 잔류물 농도를 단순화된 모델로 제시한다.
• 후기 시기의 기체 잔류물 확산에 대해 주변 공기 난류와 평균 유동 효과를 고려하기 위해 무작위 이동 모델 접근법을 사용한다.
• 입자 크기에 따라 변하는 마스크 여과 효율성을 통합하여 보호 수준을 평가한다.
• 고정밀 시뮬레이션과 실험을 통해 다양한 환경 조건(humid/dry, open/confined)에서 이론적 프레임워크의 타당성과 정보를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류 탈출 흐름이 8미터 이내의 거리에서 바이러스를 함유한 기체의 이동 및 확산에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 액체 기체에서 공기 중 기체 잔류물로의 전이를 결정짓는 요소는 무엇이며, 증발 속도는 전파 범위에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 흐름 내부의 난류의 공간적 비균일성과 간헐성은 기체 분포와 노출 위험에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 흐름의 일관성이 상실된 후 주변 공기 기류와 난류가 기체 잔류물의 후기 시기 확산을 얼마나 지배하는가?
• RQ5 시간, 기체 크기, 환경 조건에 따라 수신 호스트 위치에서 바이러스를 함유한 잔류물의 농도를 어떻게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 탈출 흐름의 난류 역학과 주변 공기 기류로 인해 기체 잔류물이 8미터를 초월하는 거리까지 공기 중에 남아 확산될 수 있음을 예측한다.
• 빠르게 증발하는 작은 기체(≤100 μm)는 비증발성 잔류물이 되며, 낮은 침강 속도로 인해 주변 난류에 의해 장거리 이동이 가능하다.
• 이론적 식 (31), (32), 및 (38)은 시간과 크기에 따라 공기 중 잔류물 농도를 예측할 수 있게 하여 사례별 위험 평가를 가능하게 한다.
• 흐름 내부의 기체가 균일하게 분포되어 있다는 가정은 중대한 단순화이며, 난류의 비균일성과 간헐성은 중심 농도를 감소시키고 노출 패턴을 변화시킨다.
• 느린 증발 조건에서는 증발 속도가 매우 중요하며, 완전한 증발이 이루어지지 않으면 기체가 공기 중에 머무르고 감염성이 유지되는 시간이 영향을 받는다.
• 마스크의 효과는 입자 크기에 따라 달라지며, 모델은 기체/잔류물 직경에 따라 여과 효율을 함수로 포함시킬 수 있다.