[论文解读] On the utility of cloth facemasks for controlling ejecta during respiratory events

Vivek Kumar, Sravankumar Nallamothu+6 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 28被引用 14

一句话总结

本研究利用计算流体动力学证明，即使是最简单的棉布口罩也能显著减少咳嗽或喷嚏时呼吸道飞沫的传播。通过扰乱湍流射流并在口罩表面捕获大颗粒飞沫，棉布口罩限制了大颗粒飞沫和气溶胶颗粒的传播范围，使病毒传播在模拟场景中减少高达88%。

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.

研究动机与目标

• 评估简单棉布口罩在控制咳嗽和喷嚏时呼吸道飞沫传播方面的有效性。
• 分析口罩材料和贴合度对气流动力学和飞沫扩散模式的影响。
• 量化感染者佩戴棉布口罩时病毒颗粒空间传播范围的减少程度。
• 评估口罩泄漏和孔径大小对飞沫封存效率的影响。
• 为呼吸道疾病暴发期间低成底、易获取口罩的实用性提供基于证据的见解。

提出的方法

• 对咳嗽或喷嚏期间的气流和飞沫传输进行三维计算流体动力学（CFD）模拟。
• 模拟人体口腔喷出的湍流射流，飞沫具有广泛的粒径分布。
• 模拟一种松散贴合的棉布口罩，孔径约为4微米，面部周围存在1毫米的间隙。
• 追踪不同粒径飞沫的轨迹，区分大颗粒飞沫（>125 µm）和细小气溶胶。
• 量化佩戴口罩与未佩戴口罩条件下，人物周围空气及表面的病毒载量。
• 使用标准CFD求解器，在真实呼吸道事件条件下求解纳维-斯托克斯方程和飞沫动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 棉布口罩在咳嗽或喷嚏过程中如何改变湍流射流的形成与传播？
• RQ2 棉布口罩在多大程度上减少了大颗粒飞沫和气溶胶颗粒的空间传播？
• RQ3 口罩泄漏（例如1毫米间隙）对飞沫封存效果有何影响？
• RQ4 棉布口罩的孔径大小如何影响呼吸道飞沫的过滤与扩散？
• RQ5 佩戴简单棉布口罩时，空气中和沉积物上的病毒载量减少的定量程度是多少？

主要发现

• 未佩戴口罩时，会形成湍流射流，粒径大于125 µm的飞沫在约2米内沉降，而细小气溶胶可被输运至约5米远。
• 松散贴合的棉布口罩（孔径约4 µm）可扰乱湍流射流，并消除下游气溶胶云。
• 约12%的吸入空气通过1毫米均匀间隙从口罩边缘泄漏，但此现象并未损害整体封存效果。
• 绝大多数大颗粒飞沫（>125 µm）被截留在口罩表面，显著减少了其向前传播距离。
• 病毒颗粒的空间传播范围显著减少，模拟结果表明周围空气中病毒载量最高可减少88%。
• 即使是最简单的棉布口罩，也能显著限制大颗粒飞沫的传播范围和细小气溶胶的扩散，支持其在公共卫生中的实用价值。