[논문 리뷰] On the utility of cloth facemasks for controlling ejecta during respiratory events

Vivek Kumar, Sravankumar Nallamothu외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 05.

Infection Control and Ventilation참고 문헌 28인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 기계적 유체역학을 활용하여 기침이나 재채기 시 단순한 면마스크가 호흡기 분비물의 확산을 어떻게 크게 줄이는지 입증한다. 난류 제트를 방해하고 큰 물방울을 마스크 표면에 갇히게 하여, 큰 물방울과 에어로졸 입자 모두의 범위를 제한함으로써, 시뮬레이션 조건에서 바이러스 전파를 최대 88% 감소시킨다.

ABSTRACT

The utility of wearing simple cloth face masks is analyzed using computational fluid dynamics simulations. We simulate the aerodynamic flow through the mask and the spatial spread of droplet ejecta resulting from respiratory events such as coughing or sneezing. Without a mask, a turbulent jet forms, and droplets with a broad size distribution are ejected. Large droplets (greater than about 125 μm in diameter) fall to the ground within about 2 m, while turbulent clouds transport a mist of small aerosolized droplets over significant distances (~ 5 m), consistent with reported experimental findings. A loosely fitted simple cotton cloth mask (with a pore size ~ 4 microns) qualitatively changes the propagation of the high velocity jet, and largely eliminates the turbulent cloud downstream of the mask. About 12\% of the airflow leaks around the sides of a mask, considering a uniform gap of only 1 mm all around, between the face and the mask. The spread of ejecta is also changed, with most large droplets trapped at the mask surface. We present the viral load in the air and deposited around the person, and show that wearing even a simple cloth mask substantially decreases the extent of spatial spread of virus particles when an infected person coughs or sneezes.

연구 동기 및 목표

• 기침이나 재채기 중 단순한 면마스크가 호흡기 분비물의 확산을 얼마나 효과적으로 제어하는지 평가하기 위해.
• 마스크 소재와 착용 방식이 기체 흐름과 물방울 분포 패턴에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 감염된 환자가 면마스크를 착용할 경우 바이러스를 함유한 입자의 공간적 확산이 얼마나 감소하는지 정량화하기 위해.
• 마스크 누출과 기공 크기가 물방울 봉쇄 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 호흡기 질환 유행 기간 동안 저비용으로 접근 가능한 마스크의 실용성에 대한 증거 기반 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 기침이나 재채기 중 공기 흐름과 물방울 이동을 시뮬레이션하기 위해 3차원 기계적 유체역학(CFD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 기침이나 재채기 중 인간 입에서 발생하는 난류 제트 흐름을 모델링하였으며, 물방울은 광범위한 크기 분포를 가진다.
• 기공 크기가 약 4 마이크론이고 얼굴 주변에 약 1 mm 간극이 있는 느슨하게 맞는 면마스크를 시뮬레이션하였다.
• 다양한 크기의 물방울 궤적을 추적하였으며, 큰 물방울(>125 µm)과 미세 에어로졸 간을 구분하였다.
• 사람 주변 공기 중 및 표면에 침착된 바이러스 부하를 비교 분석하기 위해 정량화하였다. 마스크 착용 및 미착용 조건을 대비하였다.
• 표준 CFD 솔버를 사용하여 실제 호흡기 사건 조건 하에서 나비에-스토크스 방정식과 물방울 역학을 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 면마스크는 기침이나 재채기 중 난류 제트의 형성과 전파 방식을 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 면마스크는 큰 물방울과 에어로졸 입자의 공간적 확산을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 마스크 누출(예: 1 mm 간극)은 물방울 봉쇄 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 면마스크의 기공 크기는 호흡기 분비물의 여과 및 확산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 단순한 면마스크 착용 시 공기 중 및 표면에 침착된 바이러스 부하의 정량적 감소는 얼마나 되는가?

주요 결과

• 마스크를 착용하지 않은 경우 난류 제트가 형성되며, 125 µm 이상의 물방울은 약 2미터 이내로 낙하하는 반면, 미세 에어로졸은 약 5미터까지 운반된다.
• 기공 크기가 약 4 µm인 느슨하게 맞는 면마스크는 난류 제트를 방해하고 후속 에어로졸 난류를 완전히 제거한다.
• 흡입 공기의 약 12%가 마스크 가장자리의 1 mm 균일 간극을 통해 누출되지만, 이는 총 봉쇄 효과에 영향을 주지 않는다.
• 대부분의 큰 물방울(>125 µm)은 마스크 표면에 갇히며, 이로 인해 전방으로의 확산이 크게 감소한다.
• 바이러스를 함유한 입자의 공간적 확산은 상당히 감소하였으며, 시뮬레이션 결과 주변 공기 중 바이러스 부하가 최대 88% 감소하는 것으로 나타났다.
• 심지어 단순한 면마스크라도 큰 물방울의 범위와 미세 에어로졸의 확산을 뚜렷이 제한하여 공중보건적 유용성을 뒷받침한다.