코로나19 예방조치 정량적 평가

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22573(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 연구에서는 과도 전산유체역학(CFD) 모델링과 밀폐실에서 바이러스 보균자의 기침 과정 시뮬레이션을 사용하여 코로나19가 포함된 비말의 확산에 중점을 두고 대중적인 예방 조치의 기본 프로토타입을 설정하는 것을 목표로 합니다. 향후 COVID-19 및 기타 전염성이 높은 질병의 실내 전염에 대비하기 위한 안면 마스크, 상향 환기, 보호 스크린 또는 이들의 조합 등 전략을 수립합니다. 사용자 정의 기능을 갖춘 다성분 Eulerian-Lagrangian CFD 입자 추적 모델을 8가지 경우에 활용하여 질량 및 열 전달, 액적 증발, 공기 부력, 공기 대류, 공기 액적 마찰과 관련된 액적 분산의 특성을 조사합니다. 그리고 난류 분산. 그 결과, 상향 환기를 실시하는 것이 가장 효과적인 조치인 것으로 나타났으며, 그 다음으로는 마스크 착용이 가장 효과적인 것으로 나타났습니다. 보호막은 기침하는 비말의 움직임을 제한할 수 있습니다(단, 바이러스 부하를 줄이지는 못합니다). 그러나 경사지게 배열된 보호 스크린을 적용하는 것은 환기가 잘 되지 않는 위치에 배치될 경우 코로나19 확산 방지에 역효과를 낳을 수 있습니다. 가장 건전한 해결책은 안면 마스크와 상향 환기를 결합하는 것이며, 이는 어떠한 예방 조치 없이도 기준치에 비해 실내 감염 농도를 거의 99.95%까지 줄일 수 있습니다. 전염병 이후 시대에 학교와 직장이 재개됨에 따라 이 연구는 대중과 규칙 입안자들에게 전염병을 억제하기 위한 지능 강화 조언을 제공할 것입니다.

새로운 코로나바이러스 질병 2019(COVID-19)는 전 세계적으로 빠르게 확산되어 수십억 명의 사람들을 봉쇄했습니다. 현재(2022년 8월 12일)까지, 세계보건기구(WHO)에 보고된 코로나19 확진자 수는 5억 8,400만 명, 사망자 수는 641만 명을 넘었습니다. 코로나19 팬데믹 확산을 막기 위한 교육 기관 및 직장 폐쇄로 인해 수백만 명의 학생과 직원이 영향을 받고 있습니다. 이번 팬데믹으로 인해 실내 환경에서 잠재적인 바이러스 운반체로서 공기 중의 물방울과 에어로졸의 근본적인 역할이 명확해졌습니다. 이를 통해 단거리 및 장거리 모두에서 감염성 전염 경로에 대응하는 많은 유망한 전략이 활용되었습니다1. 안면 마스크, 머리 장착형 실드 및 보호 스크린은 단기적으로 비말 전송을 차단하기 위한 세 가지 일반적인 전략이며, 그 제한은 주로 재료 결함 및 잘못된 사용으로 인한 공기 누출입니다2. 장거리 예방조치의 경우 환기와 공기정화는 공기질을 개선하고 오염농도를 조절하는 다기능 방법이지만, 다양한 장식과 주택 유형으로 인해 효율성이 둔화될 수 있습니다. 이러한 예방 조치의 한계를 극복하려면 일부를 동시에 사용하는 것이 좋습니다. 그러나 실내 시나리오에서 결합된 전략의 선택에 대한 더 많은 이론적 지침과 정량적 설명이 필요합니다. 이러한 상황에서 사회적 활동이 필요한 경우 실내 공공에 대한 다층적인 보호 구축을 위한 체계적인 예방 조치가 시급히 요구됩니다.

현재 연구에서는 주로 각 전략의 유효성을 개별적으로 진행해 왔다. 단기 예방 조치로 Kahler3는 모든 유형의 마스크가 호기 흐름의 전면 통과 흐름을 줄여 대면 상황에서 피해를 줄일 수 있다고 선언했습니다. Ho4는 안면 마스크와 안면 보호대 아래의 노출 위험을 정량화했습니다. Dbouk5와 Pendar6은 모두 안면 마스크 필터를 통한 물방울의 투과를 자세히 분석했습니다. 장거리 예방 조치를 위해 Yang7은 공기 중 오염 물질을 제거하는 데 있어 첨단 공기 분배 방법의 효율성을 정교하게 비교했습니다. Dai8은 Wells-Riley 모델을 기반으로 감염 확률과 환기율 사이의 연관성을 추정했으며, 그 정확성은 추가 논의가 필요합니다2; Alsaad9는 맞춤형 환기 장치가 코로나 모양의 열 경계층을 관통하여 인체를 감싸 흡입을 위한 깨끗한 공기를 제공할 수 있음을 보여주었습니다. Zhang10은 시간당 공기 변화(ACH) 비율에 대한 매개변수 연구를 수행했으며, 더 강한 공기 이동이 일반적으로 직접적인 에어로졸 흡입을 방지할 것이라는 결론을 내렸습니다. 그러나 이들 연구 중 어느 것도 더 많은 감염성 통제 전략의 조합을 채택하지 않았습니다. 대부분은 덜 포괄적인 유체 물리학 모델을 적용하여 자연적인 기침 및 주변 특성(예: 타액의 비증발성 물질5,11, 인체 열6, 기침 초기 방향9, 물방울 크기 분포8 및 물방울 구름의 일시적인 질량 유량4. 위에서 언급한 모든 전략은 기침 구름의 공기 전파를 직접적으로 변화시키는 것으로 입증되었습니다. 그러나 호기 에어로졸을 통한 사람 간의 간접적인 병원체 전달의 유체 역학 메커니즘은 아직 잘 이해되지 않았습니다12,13,14. Li et al.15은 유체 흐름과 입자의 움직임을 시뮬레이션하기 위해 VOF 모델과 DPM 모델의 조합을 적용했습니다. Redrow 등16은 가래 방울의 구성이 전송 중 증발 및 응축에 직접적으로 어떻게 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 제공했습니다. 액적 증발17, 속도18 및 궤적11에 대해 수행된 많은 연구는 단일 입자의 운동 메커니즘인 단순화된 물리적 모델의 범위로 제한되었습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 각 물방울의 진화는 주로 중력, 부력, 공기 저항 및 외부 힘의 지배하에 있습니다. 큰 물방울은 정착되기 전에 발사체처럼 움직일 것으로 예상됩니다. 반면, 작은 물방울은 바이러스를 공기 흐름으로 유입시켜 전염병을 일으킬 수 있으며, 결국 땅에 떨어지지 않고 공기 중에 부유하거나 벽으로 확산될 수 있습니다. 그러나 다양한 피험자와 시험 조건 간의 데이터의 상당한 차이로 인해 물방울 떼의 기본 흐름 패턴이 영향을 받고 결정하기 어렵습니다.