Simulering af nys og hoste for at vise, hvordan COVID-19 spredes

To grupper af forskere ved Sandia National Laboratories har publiceret artikler om væskedråber, der sprøjtes af hoste eller nys, og hvor langt de kan rejse under forskellige forhold.

Begge hold brugte Sandias årtiers erfaring med avancerede computersimuleringer, der studerede, hvordan væsker og gasser bevæger sig i forbindelse med sin forvaltningsmission for nukleare lagre.

Deres fund forstærker vigtigheden af ​​at bære masker, opretholde social afstand, undgå dårligt ventilerede indendørs rum og vaske hænder ofte, især med fremkomsten af ​​nye, flere overførbare varianter af SARS-CoV-2, den virus, der forårsager COVID-19.

En undersøgelse brugte Sandia-udviklede højtydende computersimuleringsværktøjer til at modellere hoste med og uden leg og med og uden beskyttelsesbarrierer. Dette arbejde blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Atomisering og spray .

Stefan Domino, den førende computerforsker på papiret, sagde, at hans team fandt ud af, at mens beskyttende barrierer, såsom plexiglaspartitioner i dagligvarebutikker, tilbyde beskyttelse mod større dråber, meget små partikler kan forblive i luften i længere tid og rejse et stykke afhængigt af miljøforholdene.

Separat computermodelleringsforskning hos Sandia så på, hvad der sker med de mindre aerosoldråber under forskellige forhold, herunder når en person er iført en ansigtsbeklædning. Denne undersøgelse viste, at ansigtsmasker og skjolde holder selv de små dråber mod hoste fra at sprede store afstande, sagde forsker Cliff Ho, hvem der leder den indsats. Dette arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Anvendt matematisk modellering den 24. februar.

Simulering af hoste viser vedvarende partikler

I simuleringer kørt af Domino's team gennem Sandias højtydende computere, større dråber fra hoste uden sidevind og uden ansigtsbeklædning faldt højst cirka tre meter, eller cirka ni meter væk. De fandt også ud af, at de tørre "dråbe -kerner, "eller aerosoler, tilovers, efter at væsken fordampede fra en dråbe, der var tilbagelagt omtrent samme afstand, men holdt fast i luften i de to minutter, de modellerede.

Tilsæt en plexiglaspartition i blandingen, og deres computersimuleringer viste, at større dråber klamrer sig til barrieren, som reducerer risikoen for direkte transmission men de mindre dråbekerner vedvarer i luften, Sagde Domino.

Da de tilføjede en brise på 10 meter i sekundet bagfra til simuleringen uden barriere, de større dråber rejste op til 11 1/2 fod og dråbekernerne kørte længere.

Denne undersøgelse sætter ikke spørgsmålstegn ved den socialdistancerende standard på 6 fod anbefalet af Centers for Disease Control and Prevention designet til at forhindre direkte kontakt fra de fleste større dråber. Ved en typisk hoste fra en inficeret person, cirka 35% af dråberne kan have virussen til stede, men der udvikles stadig modeller for, hvor meget SARS-CoV-2 og dens varianter er nødvendige for at inficere en anden person, Sagde Domino.

"Et nyligt anmeldelsespapir om transmission af SARS-CoV-2, der optrådte i Annals of Internal Medicine antyder, at respiratorisk transmission er den dominerende vej for transmission. Som sådan, vi føler, at etablering af et troværdigt modellerings- og simuleringsværktøj til model af transport af patogenholdige dråber, der stammer fra hoste, og hvordan de vedvarer i offentlige rum, som vi alle bebor, repræsenterer et kritisk stykke af den nødvendige videnskab, "sagde han. Skillevægge, masker, social afstand, at blive hjemme, når du føler dig utilpas og blive vaccineret, er stadig vigtig for at hjælpe med at reducere smitte, især med de nye mere overførbare varianter.

Domino udførte også computermodellering af udendørs åbne rum og fandt ud af, at stående mennesker udsat for hoste fra en i knælende stilling havde relativt lav risiko for eksponering sammenlignet med mennesker, der sad. Dette var på grund af hvordan dråberne og aerosolerne interagerer med de komplekse briser, der bevæger sig rundt om mennesker. Dette arbejde blev offentliggjort i International Journal of Computational Fluid Dynamics den 1. april. Dominos simuleringer brugte over fire millioner timers computerbehandlingstid og blev kørt på mange computerprocessorer på samme tid.

Simuleringer understøtter social afstand, masker

Ho brugte en kommercielt tilgængelig væskedynamik -computermodel til at simulere forskellige hændelser, der bortviser fugtig væske, såsom hoste, nysen, taler og endda trækker vejret, at forstå, hvordan de påvirker transport og transmission af luftbårne patogener. Han antog, at virale patogener blev aerosoliseret i små dråber, og at patogenfordelingen og koncentrationen kunne repræsenteres ved koncentrationen af ​​den simulerede udåndede damp.

"Jeg introducerede rumlige og tidsmæssige koncentrationer i modelleringen for at udvikle kvantificerede risici for eksponering baseret på adskillelsesafstand, eksponeringsvarighed og miljøforhold, såsom luftstrøm og ansigtsbeklædninger, "sagde Ho." Jeg kunne derefter bestemme sandsynligheden for infektion baseret på rumlige og tidsmæssige aerosolkoncentrationer, viral belastning, infektionshastighed, viral levedygtighed, sandsynlighed for lungeaflejring og inhalationshastighed. "

Modellen bekræftede også, at iført ansigtsmaske eller ansigtsskærm reducerede fremadrettet eksponering af damp og eksponeringsrisiko betydeligt med cirka ti gange. Imidlertid, dampkoncentrationerne nær ansigtet vedvarede længere end uden ansigtsbeklædning.

Samlet set, modellen viste, at social distancering signifikant reducerede eksponeringsrisikoen for aerosoler med mindst ti gange og gav tid til fortynding og spredning af den udåndede virale plume. Andre modeller kvantificerede graden af, at op- eller sidevind af kilden til hosten reducerede risikoen for eksponering, og graden af ​​direkte modvind af hosten øgede eksponeringsrisici.

Eksponeringsrisikoen faldt med stigende afstand, men den største stigning i ydelse var på tre fod. Ho's modeller kvantificerede også graden af, at iført maske reducerer eksponeringsrisici på forskellige afstande.

Kort sagt, computermodelleringen bekræftede vigtigheden af ​​social afstand og iført masker. Ud over, holde sig i vinden og øge friskluftsventilation på steder som købmandsforretninger, restauranter og skoler kan bidrage til at reducere eksponeringsrisikoen.

Ho gennemførte også computermodellering af skolebusser og fandt ud af, at åbning af vinduer på skolebusser øgede ventilation og reducerede eksponeringsrisici. Specifikt, for at opnå tilstrækkelig ventilation, mindst to sæt vinduer skal åbnes, en nær bussens forside og en nær bagsiden af ​​bussen.

Sandias forvaltningsarbejde hjælper med simuleringer

Sandia -forskere var i stand til at anvende mange af de samme beregningsværktøjer, der blev brugt i deres nukleare lagerforvaltningsmission til at simulere dråber fra hoste og nys, samt Sandias avancerede højtydende computerressourcer. Til nuklear afskrækkelsesmission, disse værktøjer studerer ting som hvordan turbulente jetfly, fjer og drivbrande reagerer under forskellige forhold.

"Vi kan implementere vores simuleringsværktøjskapacitet til andre applikationer, "Sagde Domino." Hvis du ser på fysikken i en hoste eller et nys, den indeholder egenskaber ved denne fysik, som vi normalt studerer på Sandia. Vi kan simulere dråbernes bane, og hvordan de interagerer i miljøet. "

Disse miljøforhold kan omfatte variabler, såsom temperatur, fugtighed, lanceringsbane, og sidevindstyrke og retning. De kan også omfatte naturlige og menneskeskabte barrierer.

Sammen med undersøgelser foretaget af andre om hostespray, Sandias computersimuleringsfunktioner tilføjer værdien af ​​at se, hvordan dråber fra en hoste vil reagere på forskellige forhold. Sandias simuleringsværktøjer kombinerer massen, momentum og energi fra dråberne til at fange detaljeret fordampningsfysik, der understøtter evnen til at skelne mellem dråber, der aflejres, og dem, der vedvarer i miljøet.