人の咳によるCOVID-19の室内伝播に対する予防策の定量的評価

Quantitative evaluation of precautions against the COVID-19 indoor transmission through human coughing.

抄録

本研究では，COVID-19を含む飛沫の拡散に着目し，密閉された部屋でのウイルス保有者の咳の過渡的な数値流体力学（CFD）モデリングとシミュレーションを行い，将来的にCOVID-19や他の高伝染性疾患の室内感染に対する予防策，すなわちマスク，上昇換気，防護スクリーン，またはそれらの任意の組み合わせに対する基本プロトタイプを設定することを目指しています。ユーザー定義関数を用いた多成分オイラー・ラグランジュ型CFD粒子追跡モデルを用い，質量・熱移動，液滴蒸発，空気浮力，空気対流，空気-液滴摩擦，乱流拡散に関する液滴拡散の特性を8ケースにおいて検討した．その結果、上向き換気の実施が最も効果的であり、次いでマスクの着用が有効であることが示された。防護柵は咳の飛沫の移動を制限することができる（ただし、ウイルス量を減らすことはできない）。しかし，防護柵を無駄なく配置することは，換気と不適切に配置した場合，COVID-19の拡散防止に逆効果になることがある．最も健全な解決策は、フェイスマスクと上向き換気の組み合わせで、予防策を取らないベースラインと比較して、室内の感染濃度を99.95%近く低減することができます。流行後の学校と仕事の再開に伴い、この研究は大衆とルールメーカーにパンデミックを抑制するための知性を高める助言を提供することになる。

In this work, we focus on the dispersion of COVID-19-laden droplets using the transient computational fluid dynamics (CFD) modeling and simulation of the coughing process of virus carriers in an enclosure room, aiming to set up the basic prototype of popular precautionary strategies, i.e., face mask, upward ventilation, protective screen, or any combination thereof, against the indoor transmission of COVID-19 and other highly contagious diseases in the future. A multi-component Eulerian-Lagrangian CFD particle-tracking model with user-defined functions is utilized under 8 cases to examine the characteristics of droplet dispersion concerning the mass and heat transfer, droplet evaporation, air buoyancy, air convection, air-droplet friction, and turbulent dispersion. The result shows that implementing upward ventilation is the most effective measure, followed by wearing face masks. Protective screens can restrict the movement of the coughing droplets (though it will not reduce viral load). However, applying protective screens arranged with lean can be counterproductive in preventing the spread of COVID-19 when it is inappropriately placed with ventilation. The soundest solution is the combination of the face mask and upward ventilation, which can reduce the indoor infectious concentration by nearly 99.95% compared with the baseline without any precautionary strategies. With the resumption of school and work in the post-epidemic era, this study would provide intelligence-enhancing advice for the masses and rule-makers to curb the pandemic.