[논문 리뷰] Turbulence dictates the fate of virus-containing liquid droplets in violent expiratory events

Rosti Me, Mattia Cavaiola외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 12.

COVID-19 epidemiological studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 직접 수치 시뮬레이션을 사용하여 기침과 재채기에서 발생하는 난류가 바이러스를 함유한 물방울의 증발, 확산 및 범위에 결정적인 영향을 미친다는 것을 입증한다. 연구 결과는 난류 소용돌이가 전통적인 사회적 거리두기 지침을 초월해 물방울의 이동 거리를 크게 연장시킴을 보여주며, 난류 흐름 가정에 기반한 현재의 공중보건 권고사항을 도전한다.

ABSTRACT

Violent expiratory events, such as coughing and sneezing, are highly nontrivial examples of two-phase mixture of liquid droplets dispersed into an unsteady humid turbulent fluid phase. Understanding the physical mechanisms determining the fate of droplets is becoming a priority given the global COVID-19 emergency caused by the SARS-CoV-2 infection. By means of state-of-the-art fully resolved direct numerical simulations we contribute to solve this issue by identifying the key role of turbulence on the fate of exhaled droplets. Our results impact the current notion of social distance.

연구 동기 및 목표

• 기침과 재채기와 같은 폭력적인 호기성 사건 동안 바이러스를 함유한 물방울의 운명을 규정하는 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 비정상적이고 습도가 높으며 난류가 있는 유동에서 탈출한 물방울의 이동, 증발 및 확산에 있어 난류의 역할을 조사하기 위해.
• 난류가 물방울 역학에 미치는 영향을 정량화하여 현재의 사회적 거리두기 권고사항을 도전하고 개선하기 위해.
• 호기성 사건 상황에서 물방울 행동을 예측하기 위한 물리 기반의 고정밀 시뮬레이션 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 액체 물방울의 이상태 흐름을 난류가 있고 습도가 높은 기체 환경에서 모델링하기 위해 완전히 해상된 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 사용하기 위해.
• 모든 크기의 물방울과 난류 소용돌이 및 열 기울기와의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해.
• 소규모 난류와 물방울 척도의 증발 역학을 포함한 모든 관련 운동 척도를 해상하기 위해.
• 비정상적이고 3차원적이며 다상유동 행동을 포착하기 위해 고정밀 수치 유체역학을 사용하기 위해.
• 물방울 증발과 주변 공기의 습도 및 온도 사이의 열역학적 결합을 통합하기 위해.
• 물방울 확산에 대한 알려진 물리 원리와 실험 관측 결과에 기반해 시뮬레이션 프레임워크를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 호기 유동의 난류가 바이러스를 함유한 물방울의 증발 속도와 궤적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 난류 소용돌이가 난류 흐름 모델이 예측한 거리 이외로 물방울의 범위를 어느 정도 연장하는가?
• RQ3 물방울 크기, 초래 속도 및 환경 습도가 난류와 상호작용하여 전파 가능성을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 폭력적인 호기성 사건 동안 물방울 확산에 있어 비정상적이고 일시적인 유동 구조의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 난류는 물방울의 확산을 크게 향상시켜 표준 사회적 거리두기 지침에서 가정하는 1~2미터 범위를 초월해 물방울의 이동 거리를 증가시킨다.
• 작은 물방울은 난류 소용돌이에 휘감겨 더 오랫동안 공기 중에 머물러 있어 더 멀리 떨어진 곳에서의 흡입 위험을 증가시킨다.
• 물방울의 증발 역학은 국소적 난류에 의해 강하게 조절되며, 소용돌이 강도와 습도 기울기의 영향을 받아 더 빠르거나 더 느리게 탈수될 수 있다.
• 난류의 존재로 인해 물방울의 공간 분포가 넓어져 잠재적 노출 영역이 증가한다.
• 시뮬레이션 결과는 현실적인 난류 조건 하에서는 현재의 사회적 거리두기 권고사항이 부족할 수 있음을 시사한다.