Hvilken væskedynamik kan forklare om COVID-19-spredning – og hvordan du beskytter dig selv

Folkesundhedsråd for at undgå luftvejssygdomme er stort set uændrede siden den spanske syge i 1918, en af ​​historiens mest dødelige pandemier. Hold sikker afstand til andre mennesker. Vask dine hænder ofte med sæbe og vand for at dræbe eventuelle bakterier, du måtte have opsamlet. Dæk din næse og mund til med en ansigtsmaske - selv en, der er lavet af en bandana, duer. En sådan vejledning er baseret på forståelsen af, at luftvejsinfektioner spredes gennem virusbærende dråber, der udstødes, når inficerede mennesker hoster, nyse, eller trække vejret.

Men mere end et århundrede efter den spanske syge dræbte 50 millioner mennesker verden over, hvordan disse væskedråber opfører sig, forbliver stort set et mysterium. Rajat Mittal, en professor i maskinteknik ved Whiting School of Engineering og en ekspert i computational fluid dynamics, mener, at yderligere forskning i luftvejssygdommes flowfysik vil være nøglen til at begrænse den nuværende coronavirus-pandemi.

Ideen opstod hos Mittal under et nyligt besøg i købmanden, hvor han bemærkede shoppere, der bar beskyttende ansigtsmasker. Hans sind gik derhen, hvor forskernes sind normalt går - til videnskaben.

"Jeg begyndte at spekulere på, om der er nogen data derude om aerodynamikken af ​​disse masker for at kvantificere, hvad de virkelig laver, " siger Mittal. "Da jeg begyndte at dykke ned i litteraturen, det blev klart, at væskedynamik krydser næsten alle aspekter af denne pandemi. Hvordan dråber dannes og transporteres, hvordan de smitter andre, de ventilatorer, vi bruger til at behandle patienter med denne sygdom, selv forebyggende foranstaltninger som ansigtsmasker - mange af disse problemer er i sidste ende relateret til væskeflow."

For at hjælpe med at anspore nytænkning og forskning på dette område, Mittal og et team af hans fakultetskolleger har udarbejdet en oversigt over den kendte væskedynamik i COVID-19, og hvilke spørgsmål der er tilbage. Denne rapport er offentliggjort i Journal of Fluid Mechanics .

Dykning i dråber

Luftvejsinfektioner spredes fra person til person gennem virusbærende dråber via luftbåren transmission eller ved kontakt med en overflade, der er forurenet med dråber. Inficerede personer udstøder ofte disse dråber ved at hoste eller nyse - et tegn på, at andre bør styre udenom for at undgå infektion. Men transmission afhænger faktisk af en lang række faktorer, inklusive antallet af dråber, deres størrelse, og deres hastighed under ekspiratoriske hændelser som hoste, nyser, og vejrtrækning.

Nysen, for eksempel, kan uddrive tusindvis af store dråber med en relativt høj hastighed, hvorimod hoste genererer 10-100 gange færre dråber. At tale udviser stadig betydeligt færre dråber, omkring 50 i sekundet, og de er mindre. Disse små dråber er mere tilbøjelige til at svæve i luften, rejse længere afstande, og overføre infektion, når de er inhaleret. Store dråber, på den anden side, er mere tilbøjelige til at forurene overflader og overføre infektioner ved berøring.

Som holdet bemærker i avisen, mange undersøgelser for nøjagtigt at måle, hvordan dråber genereres og transporteres, er allerede blevet udført. Imidlertid, konsensus om dråbeadfærd forbliver uhåndgribelig på grund af fænomenernes komplekse natur, samt vanskeligheden ved at foretage sådanne målinger.

Et område af interesse for yderligere forskning fokuserer på dannelsen af ​​små dråber under normale aktiviteter såsom vejrtrækning og tale. Dette kan kaste lys over, hvordan COVID-19 overføres af asymptomatiske bærere, der taler eller trækker vejret normalt.

"En hypotese er, at virussen bliver båret af meget fine luftbårne dråber, " siger flerfase-flowekspert Rui Ni, en adjunkt i maskinteknik og en bidragyder til papiret. "Lige nu, vi forstår ikke helt, hvordan denne fine tåge virker til at transportere virussen. Og det har store konsekvenser for social distancering, hvis vi kun baserer disse retningslinjer på en antagelse om, at dråber kan nå en vis afstand."

Faktisk, en undersøgelse citeret i deres papir viser, at store dråber udstødt fra nys kan rejse 20 fod eller mere, så 6 fod er måske ikke tilstrækkeligt til at eliminere risikoen for overførsel. Ifølge holdet, andre problemer, der berettiger en dybere analyse, er dråbefordampning og indånding, hvordan dråber opfører sig i indendørs kontra udendørs miljøer, og hvordan temperatur og luftfugtighed påvirker transmissionshastigheder.

Simulering af løsninger

Indeslutningsstrategier for COVID-19 er baseret på, hvad politikere tror, ​​de ved om flowfysik. Men Mittal og Ni advarer om, at meget af det er baseret på forældede oplysninger.

"Vi slår til lyd for bedre kvantificering, for virkelig at sætte tal bag disse ideer, " siger Mittal. "Noget af det, vi gør nu for at bekæmpe COVID-19 i 2020, er baseret på videnskab fra artikler udgivet i 1930'erne. Vi har lært så meget siden da men politikken skal indhentes."

For eksempel, selv måneder inde i pandemien, mange spørgsmål omgiver stadig brugen af ​​ansigtsmasker. Ansigtsmasker er ofte designet til at beskytte den person, der bærer masken - tænk på en bygningsarbejder, der forsøger at undgå at indånde farligt støv, for eksempel. Men ansigtsmasker til bekæmpelse af COVID-19-smitte bør tilbyde både indre og ydre beskyttelse, at beskytte andre lige så meget som det beskytter bæreren.

Forskere kan bedre forstå, hvordan man forbedrer beskyttelsen udad ved at simulere strømningslækagen forårsaget af huller omkring næse og mund, siger Jung-Hee Seo, forskningslektor i maskinteknik. Han arbejder sammen med Mittal og Koroush Shoele fra Florida State University på state-of-the-art simuleringer for at analysere luftstrøm og dråbespredning i ansigtsmasker. Deres simuleringer tager højde for forskellige ansigtsformer og maskestrukturer, giver dem mulighed for at evaluere effektiviteten af ​​forskellige maskedesigns.

Undersøgelsen er i sine meget tidlige stadier, men i sidste ende, disse simuleringer kunne informere bedre designs til ansigtsmasker, især til de symasker derhjemme, tilføjer Mittal.

"Hvis nogen laver en ansigtsmaske derhjemme, kan vi fortælle dem et enkelt trin for at gøre ansigtsmasken bedre til, hvad den skal gøre?" spørger han.

Væskedynamik i aktion

Som så mange videnskabsmænd – og politikere og offentligheden, for den sags skyld – holdet tænker allerede frem til en tid, hvor livet vil vende tilbage til en følelse af normalitet. De undrer sig:Hvordan kan det gøres, mens de stadig minimerer nye transmissioner?

Beslutninger om genåbning vil drage fordel af nye resultater om flowfysikken i COVID-19-transmission, siger forskerne. "Tænk på studerende, der vender tilbage til et universitetscampus. Hvis vi ved mere om dråbebevægelsens aerodynamik, vi kunne potentielt redesigne HVAC-systemer for at reducere spredningen af ​​dråber i en sovesal, for eksempel, " siger Ni. "Den samme idé kunne fungere med plejehjem. Hvis vi alle bærer masker, hvordan påvirker det praksis med social distancering? Hvis vi sætter mere videnskab bag denne tankegang, vi kan åbne landet på en mere sikker måde."

Den nye coronavirus er en udviklende og kompleks udfordring, og forskere inden for hver disciplin kan kun behandle et lille aspekt af krisen. Stadig, Mittal ser en enorm mulighed for dem inden for væskedynamikområdet til at bidrage til en løsning.

"Dette er front og centrum i vores ekspertiseområde, " siger han. "Vi kan give indsigt og værktøjer, der sikrer, at vi er bedre forberedt til at tackle det næste udbrud af COVID-19 eller lignende sygdom."