Évaluation quantitative des précautions contre le COVID

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22573 (2022) Citer cet article

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Dans ce travail, nous nous concentrons sur la dispersion des gouttelettes chargées de COVID-19 à l'aide de la modélisation et de la simulation de la dynamique des fluides computationnelle transitoire (CFD) du processus de toux des porteurs de virus dans une pièce fermée, dans le but de mettre en place le prototype de base des stratégies de précaution populaires, c'est-à-dire masque facial, ventilation vers le haut, écran de protection ou toute combinaison de ceux-ci, contre la transmission intérieure du COVID-19 et d'autres maladies hautement contagieuses à l'avenir. Un modèle de suivi des particules CFD eulérien-lagrangien à plusieurs composants avec des fonctions définies par l'utilisateur est utilisé dans 8 cas pour examiner les caractéristiques de la dispersion des gouttelettes concernant le transfert de masse et de chaleur, l'évaporation des gouttelettes, la flottabilité de l'air, la convection de l'air, le frottement des gouttelettes d'air et la dispersion turbulente. Le résultat montre que la mise en place d'une ventilation vers le haut est la mesure la plus efficace, suivie du port de masques faciaux. Les écrans de protection peuvent limiter le mouvement des gouttelettes de toux (bien qu'ils ne réduisent pas la charge virale). Cependant, l'application d'écrans de protection disposés avec du maigre peut être contre-productive pour empêcher la propagation du COVID-19 lorsqu'il est placé de manière inappropriée avec une ventilation. La solution la plus rationnelle est la combinaison du masque facial et de la ventilation ascendante, qui peut réduire la concentration infectieuse intérieure de près de 99,95 % par rapport à la valeur de référence sans aucune stratégie de précaution. Avec la reprise de l'école et du travail dans l'ère post-épidémique, cette étude fournirait des conseils d'amélioration de l'intelligence aux masses et aux décideurs pour freiner la pandémie.

La nouvelle maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) s'est propagée rapidement dans le monde entier, envoyant des milliards de personnes en confinement. À ce jour (12 août 2022), le COVID-19 a enregistré plus de 584 millions de cas et 6,41 millions de décès signalés à l'Organisation mondiale de la santé (OMS). La fermeture des établissements d'enseignement et des lieux de travail dans le but de contenir la propagation de la pandémie de COVID-19 a un impact sur des millions d'étudiants et d'employés. Cette pandémie a mis en évidence le rôle fondamental des gouttelettes et des aérosols en suspension dans l'air en tant que vecteurs viraux potentiels dans l'environnement intérieur. De là, de nombreuses stratégies prometteuses sont entrées en service contre la voie de transmission infectieuse, à la fois à courte et à longue portée1. Les masques faciaux, les écrans montés sur la tête et les écrans de protection sont trois stratégies courantes pour couper la transmission des gouttelettes à court terme, dont la limitation est principalement les fuites d'air dues à des défauts matériels et à une utilisation erronée2. Pour les précautions à longue distance, bien que la ventilation et la purification de l'air soient des moyens multifonctionnels d'améliorer la qualité de l'air et de contrôler la concentration de la contamination, leur efficacité serait tempérée en raison de la diversité des décorations et des types de maisons. Il est conseillé d'en utiliser simultanément pour s'affranchir de ces limitations de précautions. Cependant, il doit y avoir plus de conseils théoriques et une description quantitative du choix des stratégies combinées dans les scénarios intérieurs. Dans de telles circonstances, lorsque des activités sociales sont nécessaires, des précautions systématiques sont exigées de toute urgence pour construire plusieurs couches de protection dans le public intérieur.

La recherche actuelle a principalement mené l'efficacité de chaque stratégie séparément. Pour les précautions à court terme, Kahler3 a déclaré que tous les types de masques peuvent réduire le flux frontal du flux expiré, ce qui réduit les dommages en cas de face à face ; Ho4 a quantifié les risques d'exposition sous masque facial et visière ; Dbouk5 et Pendar6 ont analysé en détail la transmission des gouttelettes à travers un filtre de masque facial. Pour les précautions à longue distance, Yang7 a fait une comparaison élaborée de l'efficacité des méthodes avancées de distribution d'air pour éliminer les contaminants en suspension dans l'air ; Dai8 a estimé l'association entre la probabilité d'infection et le taux de ventilation sur la base du modèle Wells-Riley, dont la précision nécessite une discussion plus approfondie2 ; Alsaad9 a montré qu'une ventilation personnalisée pouvait pénétrer la couche limite thermique en forme de couronne pour envelopper le corps humain, fournissant de l'air pur pour l'inhalation ; Zhang10 a mené une étude paramétrique du taux de changement d'air par heure (ACH) et a conclu qu'un mouvement d'air plus fort empêcherait généralement l'inhalation directe d'aérosols. Cependant, aucune de ces études n'a adopté une combinaison de stratégies de contrôle plus infectieuses. La plupart d'entre eux ont appliqué un modèle de physique des fluides moins complet, ce qui a entraîné la déviation ou l'omission des caractéristiques naturelles de la toux et de l'environnement, par exemple, les matériaux non évaporables dans la salive5,11, la chaleur du corps humain6, la direction initiale de la toux9, la distribution de la taille des gouttelettes8 et le débit massique transitoire du nuage de gouttelettes4. Toutes les stratégies mentionnées ci-dessus se sont avérées modifier directement la transmission aérienne d'un nuage de toux. Cependant, les mécanismes dynamiques des fluides du transfert indirect d'agents pathogènes entre les personnes par le biais d'aérosols expirés restent mal compris12,13,14. Li et al.15 ont appliqué une combinaison du modèle VOF et du modèle DPM pour simuler l'écoulement des fluides et le mouvement des particules. Redrow et al.16 ont expliqué comment la composition de la gouttelette d'expectoration affecte directement son évaporation et sa condensation pendant la transmission. De nombreuses recherches menées sur l'évaporation17, la vitesse18 et la trajectoire11 des gouttelettes se sont limitées à la portée d'un modèle physique simplifié, comme le mécanisme de mouvement de la particule unique. Comme le montre la figure 1, l'évolution de chaque gouttelette est principalement sous la gouvernance de la force de gravité, de la flottabilité, de la résistance de l'air et des forces externes. Les grosses gouttelettes devraient se déplacer comme des projectiles avant de se déposer. En revanche, les gouttelettes plus petites peuvent amener le virus dans le flux d'air et donc provoquer des maladies infectieuses, et finalement en suspension dans l'air ou diffusées sur les murs plutôt que de tomber sur le sol. Cependant, en raison de la variance significative des données entre les différents sujets et les conditions d'essai, le schéma d'écoulement de base de l'essaim de gouttelettes est affecté et difficile à déterminer19.

Diffusion et sédimentation du nuage de gouttelettes de toux. La figure a été dessinée dans Adobe Illustrator (version 16.0) et Microsoft PowerPoint (version 16).

Bien que l'étude expérimentale soit le moyen le plus intuitivement fiable d'explorer le schéma d'écoulement de la toux, il est encore difficile de capturer l'ensemble du processus d'un événement de toux dans la quantification, qui libère des écoulements turbulents multiphases qui sont généralement composés d'air chaud et humide flottant et de gouttelettes en suspension de différentes tailles20. Les caractéristiques du débit d'air expiratoire (par exemple, la distance de portée maximale et la vitesse maximale) peuvent être influencées par des différences physiologiques individuelles telles que l'âge, le sexe et la capacité vitale21. Bourouiba22 a indiqué que tout événement d'expiration violent à l'intérieur (c'est-à-dire, tousser, éternuer, parler) pouvait propager des gouttelettes s'étendant jusqu'à 7 m à 8 m. Lee23 a adopté un calibreur de particules et un spectromètre optique de particules pour mesurer en temps réel la concentration de particules de toux de 10 patients présentant des symptômes de rhume. Les résultats ont montré que la transmission pouvait s'étendre sur plus de 3 m. Zhu24 s'est assuré que la salive est expulsée à des vitesses allant jusqu'à 22 m/s lors de chaque toux en utilisant un système de vitesse d'image de particules (PIV), tandis que Han25 a utilisé le PIV pour conclure à 15,2/13,1 m/s de vitesse maximale de l'homme/de la femme. En résumé, même si de nombreuses recherches expérimentales ont été consacrées à l'étude de la toux humaine, leurs données sur les caractéristiques de la toux doivent encore être cohérentes les unes avec les autres, ce qui crée des obstacles à la fixation des conditions initiales et des critères de vérification sur les études CFD.

Le CFD a un potentiel important pour aider les services de santé contre la transmission intérieure de la pandémie de COVID-19 lors d'activités sociales. Par rapport à l'étude expérimentale, la CFD est plus largement utilisée en raison de son coût inférieur et de son efficacité supérieure, ainsi qu'elle peut fournir un aperçu plus approfondi26,27 avec des résultats plus détaillés. Pour quantifier le processus de toux avec et sans prévention et contrôle des infections, les chercheurs ont adopté la «durée de vie des gouttelettes» et la «gamme de propagation»28,29 comme désignateurs de référence pour guider la distanciation sociale recommandée. Les Centers for Disease Control and Prevention (CDC) ont affirmé que les gens devraient rester à 6 pieds (\(\sim \hbox {1.8}\) m) des autres30, ce qui est bien insuffisant d'après des recherches récentes. Rosti31 a suivi la position et l'évaporation du flux d'air de toux par des simulations numériques massives de pointe. Ils ont découvert que les gouttelettes transmises par l'air peuvent parcourir moins de 2,5 m contre plus de 7,5 m horizontalement. Muthusamy32 a conclu qu'une fraction importante de la toux sans entrave se propage au-delà des 2 m. Même si lors du port de masques avec des flux d'air d'admission/d'échappement et d'autres caractéristiques du système de ventilation, il peut toujours y avoir un petit pourcentage (\(<0,5\%\)) de particules atteignant des distances dépassant le seuil de 2 m. Considérant que les gouttelettes contiennent des composants involatils, organiques et inorganiques, les noyaux de gouttelettes infectieuses peuvent suspendre pendant une longue période par l'entraînement du flux environnant. Issakhov33 a noté que la distance sociale intérieure de 2 m est effectuée pour une respiration simple mais pas suffisante dans des scénarios de toux ou d'éternuements. Van34 a étudié expérimentalement combien de temps le virus COVID-19 reste viable dans la salive ou les aérosols, ce qui a indiqué que la durée de vie des gouttelettes de survie est de 1,1 à 1,2 h pendant toute la durée d'observation de 3 h. Pendant une durée aussi longue, des noyaux infectieux pourraient se propager dans tout l'espace confiné35. À cette occasion, la distance sociale appropriée est toujours déterminée lorsque les gens restent à l'intérieur assez longtemps avec un faible échange d'air.

Dans ce travail, nous présentons un modèle de pulvérisation de gouttelettes eulérien-lagrangien modifié avec des caractéristiques de toux suffisantes, visant à décrire la transmission aérienne des particules de salive de la toux d'un infecteur assis dans une pièce fermée avec et sans diverses précautions. Les résultats expérimentaux valident bien le modèle proposé. En intégrant le modèle d'évaporation, nous pouvons évaluer la concentration infectieuse en analysant la phase lagrangienne discrète restante sur la distance et le temps via une simulation CFD précise. Les propriétés de la toux (implantées par des commandes définies par l'utilisateur) et les précautions sont basées sur des données largement utilisées ou généralement acceptées. La taille initiale des gouttelettes suit la distribution Rosin-Rammler. L'angle de toux, la direction, le débit massique transitoire, la fraction massique non évaporable et l'efficacité de filtration du masque proviennent d'études expérimentales à jour. La ventilation vers le haut est adoptée comme l'une des distributions d'air à volume total avancées (TVAD). L'écran de protection est simplifié sur la base du style couramment utilisé dans les bibliothèques scolaires ou les cantines. Bref, la modélisation du processus de toux transitoire est beaucoup plus complète que celles de la littérature actuelle.

Nos principaux apports sont :

Avec et sans stratégies de précaution populaires (c'est-à-dire masque facial, ventilation vers le haut, écran de protection ou toute combinaison de ceux-ci), nous calculons la distance de propagation et les caractéristiques de distribution des gouttelettes de toux pour comparer l'efficacité des stratégies de précaution. Des conseils prudents sur les dispositions de contrôle des infections et la distance sociale sont donnés pour les scénarios intérieurs fermés.

Un modèle de phase discrète multi-composants généralisé basé sur l'approche eulérienne-lagrangienne avec des commandes définies par l'utilisateur est proposé et utilisé pour réaliser une modélisation du mécanisme des bouffées de toux. À notre connaissance, le modèle proposé est équipé de la fonctionnalité transitoire améliorée de la progression de la toux et est plus complet pour caractériser l'évaporation et la dispersion des gouttelettes et des aérosols en suspension dans l'air pour un événement de toux.

En tant que problème d'écoulement dans une chambre fermée, des équations de Navier – Stokes tridimensionnelles, dépendant du temps, non isothermes et multiphases, en conjonction avec le modèle de turbulence de Navier – Stokes moyen de Reynolds (RANS), sont appliquées pour modéliser la transmission de la particule d'aérosol à l'intérieur, en prenant une salle de classe normale comme exemple dans cette étude. L'air est la phase eulérienne sous le contrôle des équations de gouvernance continues, tandis que la salive est la phase lagrangienne, les équations de gouvernance discrètes. La méthode du volume de fluide (VOF) est utilisée pour capturer l'interface fluide-fluide, dont la dynamique est explicitement décrite. Courant toute la gamme de l'évaporation des gouttelettes, de la flottabilité de l'air, de la convection de l'air, du frottement des gouttelettes d'air, de la dispersion turbulente, du mouvement brownien des noyaux et du tassement à la surface, notre étude vise à mettre en place le prototype de base des précautions populaires en décrivant quantitativement la transmission des gouttelettes chargées de virus de la toux humaine. ANSYS Fluent 2019 R236 est utilisé comme solveur CFD avec le générateur de maillage d'ANSYS Workbench.

Huit schémas de contrôle infectieux, dont trois stratégies simples et leurs combinaisons, sont simulés pendant une durée de 60 s. Considérant qu'il y a beaucoup de gens qui portent les masques N95 de manière incorrecte ou portent les masques les moins prophylactiques dans la vraie vie, le masque de gaze est sélectionné ici pour être proche de la vie plutôt que la situation idéale de porter un masque N95 autant de recherches actuelles. En tant que l'un des TVAD avancés, la ventilation ascendante est couramment utilisée mais manque d'études par rapport aux autres. L'écran de protection après la conception révisée possédait un angle oblique vertical par rapport au jet de toux, visant à inciter la salive à se déplacer vers le haut et à s'éloigner de la plage d'activité humaine. Les résultats montrent que la stratégie la plus judicieuse est la combinaison du masque facial et de la ventilation ascendante.

Cette étude représente une situation typique de transmission de maladies respiratoires aéroportées : un infectant COVID-19 tousse à l'intérieur d'une salle de classe de taille normale d'une dimension de \(7 \fois 3,35 \fois 12\) m\(^{3}\), qui peut également représenter un espace de travail intérieur public fermé analogue. Les noms par défaut des limites principales avec maillage de calcul sont affichés à la Fig. 2. La personne infectée est assise au centre latéral de la salle de classe, ainsi qu'à 5 \({\textrm{m}}\) du mur d'enceinte arrière. Le domaine est divisé par deux en définissant un plan de symétrie horizontal pour réduire les coûts de calcul. La température ambiante est de 20 \(^{\circ }\)C, tandis que son humidité relative est de \(62\%\), qui sont les valeurs moyennes du relevé climatique hivernal autorisé de Washington DC37. Le processus de toux de l'infecteur est modélisé comme un spray atomisé en cône chargé de gouttelettes chargées de virus, qui sont libérées de la bouche d'ouverture de 2 \({\textrm{cm}}\) de diamètre6. Le domaine de calcul est discrétisé par des grilles de tétraèdre non structurées avec un nombre d'asymétrie moyen de 0,2 et une surface moyenne y+ proche de 3. Douze couches d'inflation avec un taux de croissance de 1,1 sont générées près de toutes les limites des murs pour capturer le changement détaillé du gradient de vitesse et de pression dans les régions proches des murs. Le raffinement appliqué au voisinage de la bouche est illustré à la Fig. 3. Le nombre de trajectoires de gouttelettes a également été analysé. Conformément aux conclusions de Dudalski38 et Busco39, l'angle entre la direction de la toux et le plan horizontal est \(\theta = 27,5^{\circ }\), et l'angle d'épandage du cône de toux est \(\alpha = 12,5^{\circ }\) (illustré à la Fig. 6). La durée simulée est de 60 \(\textrm{s}\) avec un pas de temps non uniforme pour la phase continue de \(\Delta t = 0,01\)–0,2 s. Le pas de temps de la phase discrète est \(\Delta t = 5 \times 10^{-3}\,{\textrm{s}} \sim 0.01 \,{\textrm{s}}\). Les équations 3D de Navier – Stokes moyennées par Reynolds (RANS) sont résolues avec les conditions aux limites et le modèle de turbulence RNG ke via ANSYS Fluent.

L'indice de convergence de grille (GCI)40 appliqué avec l'extrapolation de Richardson est utilisé dans l'étude d'indépendance de grille pour la phase eulérienne pour estimer l'erreur de raffinement causée par un espacement de grille distinct. La discrétisation spatiale du domaine en deux est effectuée à l'aide de maillages grossiers, moyens et fins de 75, 212 et 597 mille éléments avec un facteur de raffinement linéaire de \(\sqrt{2}\). La figure 4 montre les profils de la pression, de la température et de la vitesse moyennes du débit massique à neuf plans de coupe (illustrés à la figure 2) le long de la direction de la hauteur. Les valeurs calculées à partir de l'extrapolation de Richardson sont les valeurs théoriques d'un schéma de grille infiniment fine avec un espacement nul. Le GCI est calculé avec un facteur de sécurité de 1,25 entre deux grilles : \(\hbox {GCI}_{12}\) considère le passage de la grille fine à la grille moyenne et \(\hbox {GCI}_{23}\) de la grille moyenne à la grille grossière. Les résultats montrent une dépendance limitée de la pression, de la vitesse et de la température moyennées par le débit massique avec la valeur locale maximale \(\hbox {GCI}_{23}\) de 0,0034 %, 0,03 % et 0,0001 % au plan 3 (sur la Fig. 4a), le plan 1 (sur la Fig. 4b) et le plan 1 (sur la Fig. 4c), respectivement. Pour la validation du modèle lagrangien, la masse totale des gouttelettes de toux au fil du temps est calculée pour vérifier l'indépendance du maillage (sur la Fig. 5). Les résultats des maillages moyen et fin se chevauchent presque, tandis que la valeur prédite du maillage grossier est faible. Il est conclu que le maillage fin est suffisant pour extraire des données quantitatives pour les phases eulérienne et lagrangienne de la simulation.

Dans la Fig. 7, la ligne de base (cas 1) correspond à la situation dans laquelle les gouttelettes d'une toux régulière se propagent dans une zone fermée. Diverses précautions, à savoir, le masque facial (cas 2), l'application d'air (cas 3) et l'écran de protection (cas 4), sont placés séparément pour modifier le schéma original de la toux, réduisant davantage le risque d'infection. Les autres cas (cas 5 à 8) sont des combinaisons différentes de ceux-ci, comme indiqué dans le tableau 1.

Les dimensions du domaine de calcul et les plans verticaux. La figure a été dessinée dans Tecplot 360 (version 2016 R2) et Adobe Illustrator (version 16.0).

Maillage informatique avec raffinement près de la bouche. La figure a été dessinée dans Tecplot 360 (version 2016 R2) et Adobe Illustrator (version 16.0).

Etude d'indépendance de grille pour trois grilles uniformément raffinées.

Variation de la masse totale des gouttelettes de toux faisant varier le nombre de mailles.

Schéma de l'angle de propagation des particules de toux. La figure a été dessinée dans Tecplot 360 (version 2016 R2) et Adobe Illustrator (version 16.0).

Le modèle de phase discrète (DPM)41 intégré au modèle d'évaporation42 est adopté pour calculer le processus de transmission et d'évaporation des particules de gouttelettes discrètes sous l'air ambiant continu. Comme le montre le tableau 2, deux ensembles de conditions aux limites sont pris en compte : les cas généraux avec une ambiance intérieure au repos peuvent permettre aux gouttelettes de se diffuser librement (dans le cas 1/2/4/7), et les cas ventilés avec de l'air frais transporté depuis une ventilation vers le haut peuvent décharger l'aérosol chargé de virus (dans le cas 3/5/6/8). Les définitions des limites dans DPM sont trap, escape et reflect. Pour le réglage "piège", les calculs de trajectoire sont terminés, et les gouttelettes vont se déposer sur la paroi ; dans la condition "réfléchir", les gouttelettes rebondiront sur le mur ; lorsque les gouttelettes "s'échappent" de la paroi, leurs calculs de trajectoire sont arrêtés, et toute leur masse sera retirée du domaine de calcul. Les parties statiques (c'est-à-dire l'écran, le mur d'enceinte) sont définies comme des limites de mur, qui sont traitées comme sans glissement dans la sélection CFD. Lors de la sélection DPM, une fois que les gouttelettes entrent en contact avec ces parois, la condition de piège est déclenchée et la trace DPM des particules de gouttelettes s'arrête. Pour traiter les panaches humains, des études antérieures43,44 ont montré qu'en négligeant le rayonnement et la chaleur latente, la charge thermique convective d'un être humain est d'environ 36 W, ce qui équivaut à un flux de chaleur de 22,83 W/m\(^{2}\) à la surface du corps humain. En se référant à l'enquête45, environ 85 % des mesures de la vitesse moyenne du vent dans le lieu de travail intérieur avec ventilation sont inférieures à 0,3 m/s. Pour les cas ventilés, le sol de la salle de classe est transféré à une entrée de vitesse (0,1 \({\mathrm{m/s}}\)) et le plafond de la salle de classe est une sortie de pression (101 325 \({\textrm{Pa}}\)). Dans le même temps, les gouttelettes sous la trace DPM se piégeront à l'entrée et s'échapperont à la sortie. La température et l'humidité sont supposées être les mêmes que le réglage de fond (293 K et 62 %).

Mesures anti-épidémiques. Les figures ont été dessinées dans Adobe Illustrator (version 16.0).

Nous avons supposé que : les noyaux de la salive sont insolubles et ne cristalliseraient pas pendant le processus d'évaporation ; les gouttelettes restent sphériques sous la traînée ; la température d'une seule gouttelette est uniforme. Pour la toux normale dans le cas 1/3/4/6, de nombreuses expériences ont été menées pour mesurer la distribution de taille des gouttelettes50,51,52. Les données expérimentales de Xie et al.53) ont été corrigées près de l'origine de l'injection, ce qui est fiable5 et ajusté par une distribution de Rosin-Rammler de l'ordre de 1 à 300 micromètres (Fig. 8). Il a été constaté que lorsque le nombre de trajectoires était supérieur à 20 000, le champ de concentration de vapeur prédit était exempt du nombre49. Afin d'étudier le scénario du port d'un masque facial, un masque respiratoire filtrant à gaze est imité pour être positionné au-dessus de la bouche du mannequin dans le cas 2/5/7/8 en utilisant l'efficacité de filtration réaliste (comme illustré à la Fig. 954). Par conséquent, la distribution du diamètre des gouttelettes dans une durée de toux normale est reconstruite avec des valeurs allant de 1 à 40 \(\upmu\)m (Fig. 10). Le débit massique dépendant du temps d'un comportement de toux sur une durée de 0,5 s (discret par Yan et al.48, basé sur les données mesurées expérimentalement dans55) avec la distribution Rosin-Rammler est implanté par des fonctions définies par l'utilisateur et est ajusté comme la ligne rouge sur la Fig.

Distribution initiale de la taille des gouttelettes de salive (allant de 1 à 300 micromètres).

Efficacité de filtration du masque de gaze et quantité de gouttelettes résiduelles.

Distribution de la taille des gouttelettes de salive en coupe (interceptant de 1 à 10 micromètres).

Débit massique d'une seule toux.

Validation expérimentale du modèle CFD par changement de taille des gouttelettes de salive56.

Pertes de masse sans dimension des gouttelettes d'eau à HR = 96%57.

Pertes de masse sans dimension des gouttelettes d'eau à HR = 84%57.

Pour le modèle CFD36, l'écoulement multiphasique avec gaz et liquide est modélisé par un cadre eulérien-lagrangien. Pour simuler l'humidité, l'air ambiant est une phase gazeuse continue eulérienne n et est sélectionné comme un multi-composant d'air sec et de vapeur d'eau. En tant que mélange homogène, les propriétés dynamiques thermiques \(\phi _{mix}\) (\(C_p, \rho , \mu , \lambda , etc.\)) de la phase gazeuse sont calculées par la fraction massique des composants des espèces du mélange39 :

où \(Y_{air}\), \(Y_{H_2O}\) sont la fraction massique de l'espèce, et \(\phi _{air}\), \(\phi _{H_2O}\) sont le flux de diffusion de l'air sec et de la vapeur d'eau, respectivement.

Avec la description eulérienne, les équations de continuité de l'air sec et de la vapeur d'eau sont résolues séparément pour obtenir les caractéristiques de transport du champ d'écoulement d'air ambiant :

où \(\overrightarrow{U}_{mix}\) est la vitesse moyenne du mélange en masse, \(S_{H_2O}\) est la source massique de vapeur d'eau due à l'évaporation des gouttelettes de salive, \(J_{H_2O}\) et \(D_{k}\) sont respectivement le flux de diffusion et la diffusivité cinématique de la vapeur d'eau dans le mélange d'air.

Le mélange idéal entre l'air sec et la vapeur d'eau est supposé partager la même vitesse, pression et température locales. Par conséquent, les équations de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie sont combinées sous la forme de mélange :

où \(\overrightarrow{F_{md}}\) est la force interfaciale subie par les particules de gouttelettes, \(\tau\) est le tenseur de contrainte visqueux causé par l'effet visqueux, et \(S_{Buoy}\) est la source d'impulsion due à la flottabilité. P, E, k, T et \(\mu _{mix}\) sont respectivement la pression, l'énergie, la conductivité thermique, la température et la viscosité de l'air mélangé. \(S_{h}\) est la source de chaleur volumétrique. Les trois premiers termes du côté droit représentent la conduction thermique, la diffusion des espèces et la dissipation visqueuse.

Afin de modéliser le flux chargé de particules, DPM dans ANSYS Fluent est amené à capturer la trajectoire de chaque particule de gouttelette de salive produite par le processus de toux à chaque intervalle de temps. DPM traite la phase lagrangienne discrète comme une structure continue de sorte que les propriétés transitoires des particules (vitesse, masse et position) sont calculées en intégrant l'équilibre des forces. Compte tenu de la densité importante des gouttelettes dans l'air, les forces interfaciales dues au rapport de densité sont négligeables. Suivant la deuxième loi de Newton, l'équation du mouvement des particules tient principalement compte de l'effet de la gravité, de la force de traînée de Stokes-Cunningham, de la force induite par le mouvement brownien et de la flottabilité, c'est-à-dire

où \(m_{dro}\), \(\overrightarrow{U_{dro}}\) et \(d_{dro}\) sont respectivement la masse, la vitesse, la densité et le diamètre des gouttelettes. \(C_{c}\) est le facteur de correction de Cunningham58. La valeur du coefficient de traînée (\(C_{D}\)) dépend du nombre de Reynolds de la goutte (\(R_e\))59 :

où \(a_{1}\), \(a_{2}\) et \(a_{3}\) sont des constantes déterminées par la plage de \(R_e\).

On suppose que les gouttelettes restent sphériques pendant l'évaporation. Selon49 dans le tableau 3, la conclusion est que la taille réelle des noyaux dépend de la composition des gouttelettes. Les particules de gouttelettes sont sélectionnées comme une combinaison de 98,2 % d'eau pure à teneur volatile et de 1,8 % de composés solides non volatils (y compris le virus COVID-19). Chaque composant est implanté dans le modèle de gouttelettes via des commandes définies par l'utilisateur. Selon la mesure de Silva et al.60 à partir d'échantillons de salive infectés, la charge virale moyenne de COVID-19 des hommes et des femmes est d'environ 5,4 \(\hbox {log}_{10}\) GE (équivalents du génome viral)/ml et 6,2 \(\hbox {log}_{10}\) GE/ml, où 1 GE équivaut à 6,6 picogrammes d'ADN. La proportion de virus COVID-19 dans les gouttelettes de salive est supposée être de 6,6e−6 g/ml avec le même poids moléculaire que l'ADN. D'après les données expérimentales mesurées par Lieber et al.35, bien que les composants non volatils provoquent une diminution de la pression de vapeur des gouttelettes, les vitesses d'évaporation des gouttelettes constituées d'eau pure et de salive sont quasiment identiques en une durée de 58 s. Par conséquent, seul le composant eau s'évapore jusqu'à ce que la particule de gouttelette se réduise à ses noyaux pendant la condensation et l'évaporation. Le transfert de masse entre la vapeur ambiante et l'eau pure en gouttelettes résout le taux d'évaporation :

où \(k_{c}\) est le coefficient de transfert de masse, \(A_{dro}\) est la surface des particules de gouttelettes. \(Y_{dro, s}\) et \(Y_{dro, mix}\) sont la fraction massique de vapeur d'eau à l'équilibre à la surface des gouttelettes et la fraction massique de vapeur d'eau locale dans l'air du mélange.

Compte tenu du changement de chaleur mineur à l'intérieur de la goutte, l'équation du bilan énergétique ne prend en compte que la chaleur latente de changement de phase qui s'exprime par :

où \(c_{dro}\) est la capacité thermique des gouttelettes, h est le coefficient de transfert de chaleur par convection, \(T_{\infty}\) est la température de l'air environnant et \(h_{lH_{2}O}\) est la chaleur latente.

Le principe sous-jacent à l'expérience de Schlieren est que la technique d'imagerie par ombroscopie basée sur les indices de réfraction de la lumière sera différente lors du passage dans de l'air chaud à différentes températures. Comme le montre la Fig. 15, la lumière d'une LED est disposée dans une configuration coïncidente à double passage composée d'un miroir concave de 203 mm de diamètre et de 750 m de distance focale et d'une caméra avec des fréquences d'images allant de 30 à 240 ips. Le sujet de test est amené à tousser à une distance de 0,1 m du centre du miroir concave. Le mouvement du front d'onde de la toux et les caractéristiques turbulentes de la bouffée sont capturés par la caméra. Pendant ce temps, la vitesse horizontale à 0,2 m du sujet de test est mesurée à l'aide d'un anémomètre à fil chaud, qui a une précision de \(\pm \, 5\%\) de la valeur mesurée et une plage de mesure de 0,01 à 30 m/s.

Composants du système d'imagerie Schlieren. La figure a été dessinée dans Adobe Illustrator (version 16.0).

Toux typique sans expérience CFD et Schlieren. La figure a été traitée par Ansys Fluent (version 2019 R2) et dessinée dans Adobe Illustrator (version 16.0).

Toux typique avec masque de gaze monocouche de l'expérience CFD et Schlieren. La figure a été traitée par Ansys Fluent (version 2019 R2) et dessinée dans Adobe Illustrator (version 16.0).

La comparaison de la plage de propagation de la toux entre le résultat CFD des cas 1 (toux normale)/cas 2 (toux avec masque de gaze) et les résultats expérimentaux de Schlieren.

Afin de vérifier le modèle d'évaporation, le modèle d'évaporation Lagrangien antérieur d'une seule goutte d'eau interagissant avec l'air dans ANSYS Fluent est simulé pour comparer avec deux séries de données expérimentales. Les paramètres typiques de la première configuration expérimentale57 sont : \(\hbox {HR} = 35\%\), température de l'air = 297 K, vitesse du courant libre = 0,203 m/s et diamètre initial des gouttelettes = 1,05 mm. Les mêmes conditions sont répétées dans la simulation CFD. Pendant une période de 800 s, le changement prédit par CFD du diamètre des gouttelettes est enregistré et tracé avec les résultats expérimentaux sur la Fig. 12. Pour la deuxième expérience57, la température de l'air ambiant est de 298 K, la vitesse du flux d'air est inférieure à 0,1 m/s, le diamètre initial de la gouttelette est de 1337 \(\upmu \,\hbox {m}\) et l'HR est de \(96\%\) (Fig. 13) et \( 84\%\) (Fig. 14), respectivement. Les expériences et les simulations de la Fig. 13 sont interrompues lorsque les gouttelettes sont totalement évaporées, mais les gouttelettes conservent à peu près leurs masses initiales tout le temps dans les circonstances \(\hbox {RH} = 96\%\). On observe que la masse des deux gouttelettes d'eau dans les circonstances avec une HR élevée maintiendra approximativement leurs masses lorsque l'équilibre de phase est atteint à la surface des gouttelettes. Un accord satisfaisant est obtenu entre les résultats numériques de cette étude et les données expérimentales rapportées dans la littérature. La figure révèle également que la masse totale des gouttelettes en suspension dans l'air est sensible aux conditions ambiantes. La courbure de la ligne noire augmente, ce qui déclare que les gouttelettes plus grosses avec une surface spécifique plus grande entraînent une réduction plus lente du diamètre en raison de l'évaporation.

The posterior validation analysis is based on the images acquired from the Schlieren experiment, whose facilities are shown in Fig. 15. At the indoor temperature and RH condition (20 \(\circ \hbox {C}\) and \(48\%\)), the maximum visible propagation distance from the boundary of the grayscale Schlieren images to the coughing wavefront and the maximum visible 2-dimensional area of puff in the experiment both have a small extension than that of numerical simulations, while the airspeed is smaller than the CFD result. Les comparaisons des Fig. 16 et 17 montrent une précision exceptionnellement bonne du modèle CFD mentionné ci-dessus pour les deux analyses qualitatives du transport des gouttelettes de toux.

La comparaison quantitative de la plage de propagation du jet de toux expérimental avec ou sans masque dans les dimensions verticales, horizontales et surfaciques entre les résultats de l'expérience Schieren et CFD est illustrée à la Fig. 18. Limitée par la taille du miroir concave, l'expérience Schlierence ne peut valider que les 65 premières ms pendant le processus de toux normal et 50 ms avec un masque de gaze monocouche. Comme le montrent les Fig. 18a à c), les résultats simulés à partir du modèle de turbulence RNG ke montrent une meilleure correspondance et une plus grande précision que les deux autres résultats CFD de Standard k-omega et SST k-omega. Les résultats de la toux normale montrent que le résultat CFD avec le modèle de turbulence RNG ke est inférieur à celui expérimental sur la plage verticale. En revanche, la plage horizontale est plus grande, dont l'effet combiné est le résultat surfacique de la CFD qui correspond relativement bien à celui expérimental. Pour le jet de toux masqué (Fig. 18d – f), les résultats CFD sont cohérents avec les résultats expérimentaux. Dans l'ensemble, les résultats CFD basés sur le modèle de turbulence RNG ke sont fiables.

Vue de dessus de la distribution temporelle cumulative des nuages de gouttelettes dans le cas 1. Les distributions de gouttelettes ont été prédites à l'aide d'ANSYS Fluent (version 2019 R2). Les figures ont été dessinées par Matplotlib (version 3.5.0).

Vue latérale de la distribution temporelle cumulative des nuages de gouttelettes dans le cas 1. Les distributions de gouttelettes ont été prédites à l'aide d'ANSYS Fluent (version 2019 R2). Les figures ont été dessinées par Matplotlib (version 3.5.0).

Vue de face de la distribution temporelle cumulative des nuages de gouttelettes dans le cas 1. Les distributions de gouttelettes ont été prédites à l'aide d'ANSYS Fluent (version 2019 R2) et dessinées par Matplotlib (version 3.5.0).

Les figures 19, 20 et 21 sont, dans l'ordre, une vue de dessus, une vue de côté et une vue de face de la distribution des gouttelettes dans la salle de classe pour analyser la dispersion spatiale du nuage de gouttelettes pour une toux normale dans un air quasi-quiescent. Pour le cas 1, le modèle de base d'une toux régulière est obtenu à \(\Delta \hbox {t} = 0,5\) s, ce qui est différent du jet conique présupposé. À ce moment, toutes les gouttelettes de salive chargées de virus ont été libérées de la bouche et une partie d'entre elles a déjà commencé à s'évaporer. Ces gouttelettes qui viennent d'être pulvérisées voyagent seules en ligne droite parce qu'elles ont obtenu l'élan et l'énergie de la source du jet de toux. En revanche, les premières gouttelettes résiduelles ont rapidement perdu leur quantité de mouvement et leur énergie cinétique et ont commencé à se dissiper périphériquement sous l'effet de la force de traînée. Cinq secondes après le début de la toux, les plus grosses gouttelettes (D \(\ge\) 100 \(\upmu \,\hbox {m}\)) se sont déposées sur le sol sous l'action de la gravité, et les plus petites gouttelettes se sont dissipées davantage en raison de la turbulence. Pendant le temps de 10 à 50 s, l'aérosol s'est formé et est monté au plafond avec le panache thermique du corps humain, puis s'est dispersé et s'est propagé à l'environnement. Finalement, l'aérosol constitué de noyaux non volatils (D < 0,5 \(\upmu \,\hbox {m}\)) et de gouttelettes plus petites (0,5 \(\upmu \,\hbox {m}\) \(\le\) \(\hbox {D} < 10\) \(\upmu \,\hbox {m}\)) reste en suspension dans tout l'air à mi-hauteur assez longtemps, avec quelques gouttelettes plus grosses (10 \(\ upmu \hbox {m} \le\) D < 100 \(\upmu \hbox {m}\)) a gêné la sédimentation. Pendant tout le processus, les valeurs du nombre de Stokes de la salive restent bien inférieures à 1, ce qui signifie que l'effet d'inertie d'une particule est faible et, par conséquent, le tassement d'inertie n'est pas important.

La masse totale des gouttelettes en suspension dans l'air varie avec le temps.

Le nombre total de gouttelettes varie avec le temps.

La masse totale (\(m_{dro,t}\)) des gouttelettes en suspension dans l'air en tant que paramètre quantitatif de la transmission et de la dissipation des gouttelettes dans l'air est définie par :

où \(m_{dro, i}\) est la masse d'une particule individuelle, \(m_{v, i}\) et \(m_{nonv, i}\) sont respectivement la masse du composant eau et les espèces non volatiles d'une particule. \(m_{v, i}\) diminue progressivement au fil du temps en raison de l'effet de transfert de masse décrit dans l'équation. (12), tandis que \(m_{nonv, i}\) est invariant avec le temps et est déterminé par la masse initiale \(1,8\%\) d'une gouttelette individuelle. La figure 22 montre l'évolution de \(m_{dro,t}\) des gouttelettes en suspension dans le temps pour les huit cas. La ligne violette pleine représente le cas 1, qui indique généralement une tendance à la baisse au fil du temps. La descente est raide dans les 5 premières s, puis aplatie. Deux mouvements de gouttelettes provoquent ce phénomène : l'évaporation et le tassement. Sa vitesse est fortement affectée par les conditions thermiques ambiantes et faiblement par le mélange turbulent pour l'évaporation. Par conséquent, le processus d'évaporation est découplé des autres mécanismes et continue de réduire la masse totale. Pour le tassement, au début des 5 s, l'accélération gravitationnelle et inertielle s'équilibre avec la force de traînée et la flottabilité, dominant la chute rapide des gouttelettes plus grosses. Une fois que la gouttelette se dépose, sa masse est retirée du domaine de calcul. Par la suite, la sédimentation par diffusion et par inertie est prononcée parmi l'aérosol de gouttelettes, ce qui entraîne une élimination moindre de la masse totale des gouttelettes.

La masse totale de gouttelettes dans la moitié inférieure de la salle de classe varie avec le temps.

Dans cette étude, les précautions adoptées dans les cas 2 à 8 sont appliquées avant le processus de toux, de sorte que tous les cas ont des conditions aériennes initiales stables différentes. La manipulation des gouttelettes complètement évaporées dans cet article est considérée comme des noyaux solides non volatils pour analyser les distributions de salive résiduelle. Nous comparons l'effet des stratégies préventives, y compris les masques faciaux, la ventilation vers le haut et l'écran de protection.

Conformément au modèle mathématique de Wells-Riley pour la probabilité d'infection, la densité et la distance des aérosols jouent un rôle essentiel dans le risque d'infection. Leur masse totale et leur nombre total permettent d'analyser la densité des gouttelettes respiratoires. Pour la masse totale, la Fig. 22 indique que les cas 5 et 8 ont le moins de risque d'infection. De nombreuses grosses gouttelettes se déposent rapidement sous l'action de la gravité, et les petites gouttelettes sont accélérées par l'aspiration de la ventilation. Cependant, les gouttelettes moyennes resteront en suspension dans l'air plus longtemps car la gravité, la flottabilité et la force de traînée dont elles souffrent contrecarreront l'aspiration de la ventilation. Le masque facial (cas 2/5/7/8) avec effet de filtration peut réduire la masse totale du nuage de toux et le nombre de grosses gouttelettes au stade initial. Par conséquent, les gouttelettes moyennes avec le temps de suspension plus long dominant dans les cas 2/5/7/8, le changement de masse totale dans ces quatre cas principalement causé par la vaporisation suit presque la même courbe et diffère des quatre autres cas avant 45 s. Après 45 s, les gouttelettes en suspension dans les cas 5 et 8 se déplacent vers le plafond et seront expulsées de la sortie de ventilation, tandis que les gouttelettes dans les cas 2 et 7 continueront à se suspendre. Pour le nombre total, le graphique linéaire de la Fig. 23 indique que les cas 3 et 5 plongent le nombre de gouttelettes au début des 20 s car le système de ventilation augmente l'élan des gouttelettes. Tous les boîtiers ventilés (Cas 3/5/6/8) réduisent le nombre de gouttes lors du dernier passage en classe. Le modèle de ventilation intérieure vers le haut est la stratégie la plus efficace et est essentiel pour se protéger contre le COVID-19.

Dans la vie quotidienne, la moitié inférieure de la salle de classe est le principal espace d'activité pour les êtres humains. La figure 24 montre la masse totale des gouttelettes dans la moitié inférieure de la classe (\(m_{lh}\)). Dans le cas 1, \(m_{lh}\) diminue initialement, augmente légèrement et diminue à nouveau. L'augmentation intermédiaire est due au tassement de l'aérosol en suspension. Après avoir porté le masque facial (cas 2/5/7/8), en particulier au début de la toux, la concentration de gouttelettes de COVID-19 est fortement réduite. De plus, les boîtiers ventilés (Cas 3/6) éliminent l'augmentation intermédiaire. Il est indiqué que toutes les stratégies de précaution peuvent réduire le risque d'inhalation directe de gouttelettes pathogènes dans l'espace d'activité de la classe.

La figure 25 montre la plage de propagation dans les trois dimensions à partir de la distribution spatiale du nuage de gouttelettes discrètes sous la perspective de l'approche lagrangienne. La figure 25B montre la plage maximale de pénétration latérale variant avec le temps. La portée des cas 1/2/4/7 augmente progressivement pour couvrir toute la portée latérale de la salle de classe, tandis que les cas mis en œuvre par la ventilation vers le haut (cas 3/5/6/8) ont des portées de dispersion moindres (jusqu'à 1 m). Cela confirme l'une des conclusions de Lieber35 : une distance de sécurité ne peut pas être définie pour un scénario intérieur sans une ventilation suffisante : les gouttelettes se répandront dans toute la pièce.

La plage de propagation du nuage de gouttelettes varie avec le temps. (a) Dessiné dans Tecplot 360 (version 2016 R2) et Adobe Illustrator (version 16.0).

La figure 25C montre la pénétration horizontale du nuage de gouttelettes. Encore une fois, les gouttelettes dans les cas 1 et 4 sont finalement projetées sur toute la portée horizontale de la pièce, alors que les cas 5 et 8 peuvent projeter des gouttelettes jusqu'au sommet de 3 m de leur portée à \(\Delta t = 15\) s puis décroît, et enfin approximativement égal à 0 m. La comparaison montre que le cas 5 et le cas 8 ont le moins de risque d'infection.

La figure 25D montre l'amplitude de la pénétration verticale. Dans tous les cas, la tendance de leurs portées est similaire (augmentant jusqu'à la hauteur maximale de la salle de classe - 3,35 m) pendant 0,5 à 20 s. Cependant, les différences plus élevées suivantes sont induites par les différentes stratégies préventives. En général, les cas (Cas 5/6/7/8) avec l'effet de couplage de deux ou trois stratégies ont une portée de propagation plus petite. Le cas 5 est l'optimum à destination, avec une portée inférieure à 0,5 m. Par rapport au cas 5, le cas 8 est sous-optimal car son écran de protection supplémentaire affecte négativement le champ d'écoulement d'air : l'écran bloque l'air de ventilation et quelques gouttelettes à faible impulsion sont bloquées dans le flux de recirculation sur l'écran.

Étant donné que la salive se répandra finalement dans tout l'espace d'une pièce sans ventilation, la distance sociale recommandée n'a guère de sens dans un espace clos aussi limité. Dans le tableau 4, des conseils de distanciation sociale sont présentés à l'occasion des quatre cas avec ventilation. En résumé, pour une pièce bien ventilée (Cas 3), la distance sociale recommandée est de 6 m ; l'écran de protection associé à une ventilation vers le haut (Cas 6) peut réduire la distance sociale horizontale de 3 m ; lors de l'utilisation simultanée d'un masque facial et d'une ventilation (cas 5 et cas 8), la distance sociale est de 3 m à la fois horizontalement et verticalement.

Le PDF varie avec le temps.

En raison de l'évaporation et de la sédimentation, la taille des gouttelettes dans l'air change avec le temps lorsque les gouttelettes se déplacent dans l'air. La distribution de la taille des gouttelettes est ajustée à la fonction de densité de probabilité (PDF) de l'approche Rosin-Rammler basée sur les résultats de calcul pour les 8 cas, comme illustré à la Fig. 26. Pour tous les cas, l'intervalle et le mode de la PDF diminuent avec le temps. Les grosses gouttelettes (D \(\ge\) 100 \(\upmu \,\hbox {m}\)), dans les cas sans masques (Cas 1/3/4/6), tombent sur le sol dans le même intervalle de temps (moins de 20 s). Comme mentionné ci-dessus, bien que le tassement gravitationnel soit dominant au début, l'évaporation fonctionne tout le temps et finit par surmonter le tassement, dominant la diminution de la taille des gouttelettes. Dans les scénarios de masque facial (Cas 2/5/7/8), la taille des gouttelettes diminue et le tassement gravitationnel disparaît, car la PDF est principalement affectée par le transfert de masse dû à l'évaporation à ce moment (et aussi la ventilation dans les Cas 5 et 8).

Les fonctions et limitations de la ventilation vers le haut et de l'écran de protection avec et sans masque sont présentées ci-dessous. Sans le masque, le scénario de ventilation (Cas 3) fournit une vitesse accélérée contrairement à l'accélération gravitationnelle pour aider les minuscules gouttelettes à s'échapper du plafond, ce qui est prouvé par le rétrécissement accéléré de la distribution PDF au cours de la période ultérieure (de 20 s à 45 s). L'utilisation d'un écran de protection seul (cas 4) est efficace pour empêcher les gouttelettes largement diffusées avec une impulsion initiale plus élevée en les faisant rebondir vers le plafond. Sous l'action combinée d'un masque, les grosses gouttelettes sont filtrées, et il ne reste que des gouttelettes moyennes et petites. Ainsi, le bénéfice de la ventilation (Cas 5/6/8) devient prédominant en augmentant l'expulsion des gouttelettes. Pour les cas combinés avec masque et écran (cas 7 et cas 8), cependant, la moindre portée du jet de toux entraîne la futilité de l'écran.

L'importance de l'ACH est qu'elle peut fortement affecter la concentration et la propagation des gouttelettes, qui est un paramètre important lors de la désignation de conseils de précaution pour les scénarios intérieurs fermés. Comme suggéré par des recherches antérieures, l'augmentation de l'ACH de 4 à 12 ACH a peu d'impact sur le risque d'infection61, et le mouvement d'air plus fort (ACH = 40) peut empêcher plus efficacement la propagation de l'aérosol de toux10. L'air conditionné à diverses exigences de fonctionnement spécifiées est différent62, par exemple, 6–20 ACH pour les salles de classe, 10–50 ACH pour la fabrication de précision, etc. approx\) 5), 0,01 m/s (ACH \(\approx\) 10) et 0,05 m/s (ACH \(\approx\) 50), respectivement. Comme le montre la figure 27, la diminution de l'ACH conduit à la réduction de la masse totale des gouttelettes dans l'étape finale de la simulation. Par rapport au cas de l'ACH \(\approx\) 0 (Cas 1), les remarquables diminutions de concentration provoquées par la ventilation (ACH \(\ge\) 0) apparaissent après 10s. La masse totale des gouttelettes de toux sous ventilation est caractérisée à différentes périodes par trois mécanismes physiques principaux : sédimentation, évaporation et fuite. Trois points de temps typiques de 2,5 s, 22,5 s et 52,5 s représentent le stade antérieur (domaine de tassement gravitationnel, combiné à l'évaporation), le stade moyen (domaine d'évaporation et d'échappement, combiné avec le tassement gravitationnel plus faible) et le stade ultérieur (domaine d'échappement, combiné avec l'évaporation, la diffusion et le tassement inertiel plus faibles), respectivement, interceptent la durée numérique par des lignes pointillées. À 2,5 s, les lignes 0 à 50 coïncident, mais la masse totale dans le cas de 100 est la plus grande. Étant donné que la ventilation ascendante avec la vitesse la plus élevée affaiblit le tassement gravitationnel des gouttelettes de plus grand diamètre, les gouttelettes restées plus grosses entraînent une masse totale plus élevée dans le cas de 10. À 22,5 s et 52,5 s, la masse totale des gouttelettes dans les cas avec l'ACH inférieur (ACH \(\approx\) 2, 5 et 10) est la plus faible. De plus, le cas de 2 et le cas de 5 fonctionnent légèrement mieux que le cas de 10 à 22,5 s, tandis que le cas de 10 a le meilleur effet à 52,5 s. L'ACH plus élevé entraînera un effet négatif aux stades précoce et moyen, mais l'ACH plus grand a une plus grande efficacité pour épuiser les gouttelettes lorsque le tassement gravitationnel disparaît. En résumé, 10 est la valeur recommandée d'ACH avec le meilleur effet sur la réduction de la concentration de gouttelettes à long terme.

Masse totale des gouttelettes en suspension dans l'air sous divers ACH.

Comme le montre la Fig. 28, les plages horizontales et latérales (Fig. 28a,b) du jet de toux dans les cas d'ACH \(\approx\) 2, 5, 10 et 50 sont élargies à celles d'ACH \(\approx\) 100. L'ACH plus grand peut diminuer la plage de propagation, mais lorsque l'ACH \(\le\) 10, les valeurs et les tendances des plages de propagation sont similaires. Pour les portées verticales (Fig. 28c), la courbe de 100 diminue progressivement après les 30 s et devient plus basse que les autres à 60 s. Puisque l'ACH de 100 infuse les gouttelettes avec une plus grande vitesse verticale, ce qui limite la diffusion horizontale et latérale et accélère l'épuisement vertical des gouttelettes. Dans l'ensemble, un ACH plus grand est recommandé pour la ventilation vers le haut afin de réduire la plage de propagation intérieure des gouttelettes de toux.

La plage de propagation du nuage de gouttelettes varie avec le temps.

Un modèle de suivi des particules CFD eulérien-lagrangien à plusieurs composants avec des fonctions définies par l'utilisateur est proposé dans cette étude pour décrire quantitativement l'évaporation et la dispersion des gouttelettes chargées de COVID-19 dans une pièce fermée. Le modèle présente un transfert de masse, de quantité de mouvement et de chaleur entre des gouttelettes de toux discrètes et un air de fond continu. Les fonctions définies par l'utilisateur renforcent la caractéristique transitoire de la progression de la toux. Les prédictions du modèle sont en bon accord avec les données expérimentales. Les effets critiques des précautions spécifiques à chaque cas (par exemple, masque facial, ventilation vers le haut, écran de protection et combinaisons) sont ciblés et évalués. Les conclusions qui ressortent de cette étude sont les suivantes :

En termes de toux normale, l'évolution des gouttelettes de toux est principalement affectée par deux mécanismes : l'évaporation et la sédimentation. Le tassement gravitationnel prédomine dans les premiers stades, en particulier pour les grosses gouttelettes d'eau. En revanche, la diffusion couplée à la décantation inertielle prédomine aux stades intermédiaire et ultérieur, plus prononcée pour les gouttelettes d'eau plus petites. L'évaporation se produit sur des gouttelettes de toutes tailles pendant toute la durée, de sorte que les plus grosses gouttelettes diminuent de taille et que les gouttelettes en suspension dans l'air deviennent suffisamment petites pour se suspendre dans les voies respiratoires supérieures.

Pour les cas où une seule précaution est mise en œuvre, la ventilation vers le haut est la mesure la plus efficace, suivie du masque facial puis de l'écran de protection. La ventilation vers le haut force le nuage de gouttelettes à suivre l'air de ventilation et réduit globalement le risque d'infection. Un masque facial peut contrôler la diffusion du jet de toux depuis la source et filtrer les gouttelettes de plus grande taille. Un écran de protection peut empêcher le tassement gravitationnel et diriger le nuage de toux loin de l'espace d'activité humaine vers le plafond.

Le cas 5 (masque + ventilation) et le cas 8 (masque + ventilation + écran) fonctionnent aussi bien, donc les deux sont des solutions relativement optimales. Dans ces deux cas, la densité numérique des gouttelettes en suspension dans l'air et la concentration massique des aérosols inhalables peuvent être significativement diminuées (de \(\sim \,99,95\%\) en nombre et de \(\sim \,99,95\%\) en masse, par rapport au cas 1), ce qui entraîne une distance de propagation plus courte et un risque d'infection plus faible dans l'espace d'activité humaine. On constate également que l'écran de protection devient superflu lorsqu'il est utilisé avec un masque facial.

avec le meilleur effet sur la réduction de la concentration de gouttelettes

Le modèle de ventilation intérieure vers le haut joue le rôle le plus important dans la protection contre le COVID-19. La ventilation avec un ACH de 10 réduit la concentration de gouttelettes le plus efficacement possible, et un ACH plus grand est recommandé pour réduire la plage de propagation intérieure des gouttelettes de toux. Pour un particulier, le port du masque apparaît comme la solution la plus pratique et la plus efficace pour limiter la propagation du COVID-19. En effet, de nombreuses personnes ne portent pas correctement leur masque ou portent des masques à faible capacité de filtrage. Dans ces cas, l'écran de protection pourrait être la protection secondaire pour réduire le risque infectieux de COVID-19.

Le masque facial et l'écran de protection réduisent le débit du jet avant, ce qui cause moins de dommages en cas de face à face ; une ventilation vers le haut est utilisée en mode chauffage pour éviter un mélange complet. La distance sociale recommandée pour un scénario de classe avec la combinaison du masque et de la ventilation est de 3 m, horizontalement et verticalement.

Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour parvenir à des stratégies de ventilation et d'écran plus efficaces qui peuvent tirer parti des nouvelles technologies comme l'IA, avec des scénarios détaillés pris en compte, tels que des tables recouvrant des matériaux d'adsorption, des fenêtres pour convecter l'air naturellement et des humains mal masqués, pour une meilleure réponse aux futures maladies épidémiques.

Les ensembles de données et les matériaux utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail est soutenu par la National Natural Science Foundation of China sous Grant 52175237 et par Tsinghua Precision Medicine Foundation sous Grant 2022TS009.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Zhenguo Nie et Yunzhi Chen.

Département de génie mécanique, Université Tsinghua, Pékin, 100084, Chine

Zhenguo Nie et Yunzhi Chen

State Key Laboratory of Tribology in Advanced Equipment, Pékin, 100084, Chine

Zhenguo Nie

Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control, Beijing, 100084, Chine

Zhenguo Nie

Marine Engineering College, Université maritime de Dalian, Dalian, 116026, Liaoning, Chine

Yunzhi Chen

State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100093, Chine

Meifeng Deng

Université de l'Académie chinoise des sciences, Pékin, 100049, Chine

Meifeng Deng

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ZN a conçu et conçu l'étude. YC a mené l'expérience et effectué les simulations. YC et MD ont analysé les résultats et rédigé l'article. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Zhenguo Nie.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Nie, Z., Chen, Y. & Deng, M. Évaluation quantitative des précautions contre la transmission intérieure du COVID-19 par la toux humaine. Sci Rep 12, 22573 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26837-0

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Reçu : 14 août 2022

Accepté : 21 décembre 2022

Publié: 30 décembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-26837-0

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