Twee groepen onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben artikelen gepubliceerd over de vloeistofdruppels die worden gesproeid door hoesten of niezen en hoe ver ze kunnen reizen onder verschillende omstandigheden.

Beide teams gebruikten Sandia's tientallen jaren ervaring met geavanceerde computersimulaties om te bestuderen hoe vloeistoffen en gassen zich verplaatsen voor hun missie voor het beheren van nucleaire voorraden.

Hun bevindingen versterken het belang van het dragen van maskers, sociale afstand bewaren, vermijd slecht geventileerde binnenruimtes en was regelmatig uw handen, vooral met de opkomst van nieuwe, meer overdraagbare varianten van SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt.

In één onderzoek werd gebruik gemaakt van door Sandia ontwikkelde krachtige computersimulatietools om hoesten met en zonder briesje en met en zonder beschermende barrières te modelleren. Dit werk is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Verneveling en sprays .

Stefan Domino, de leidende computerwetenschapper op het papier, zei dat zijn team ontdekte dat hoewel beschermende barrières, zoals plexiglas scheidingswanden in supermarkten, bieden bescherming tegen grotere druppels, zeer kleine deeltjes kunnen langere tijd in de lucht blijven en een bepaalde afstand afleggen, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden.

Afzonderlijk computermodelleringsonderzoek bij Sandia keek naar wat er onder verschillende omstandigheden met de kleinere aerosoldruppels gebeurt, ook wanneer een persoon een gezichtsbedekking draagt. Die studie toonde aan dat gezichtsmaskers en schilden ervoor zorgen dat zelfs de kleine druppeltjes van een hoest zich niet over grote afstanden verspreiden, zei onderzoeker Cliff Ho, wie leidt die inspanning. Dit werk is gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste wiskundige modellering op 24 februari.

Simulatie van hoest toont aanhoudende deeltjes

In simulaties uitgevoerd door Domino's team via Sandia's krachtige computers, grotere druppels van hoesten zonder zijwind en zonder gezichtsbedekking vielen maximaal ongeveer drie meter, of ongeveer negen voet afstand. Ze ontdekten ook dat de droge "druppelkernen, " of spuitbussen, die overblijft nadat de vloeistof is verdampt uit een druppel die ongeveer dezelfde afstand heeft afgelegd, maar gedurende de twee minuten die ze hebben gemodelleerd in de lucht bleef hangen.

Voeg een plexiglas scheidingswand toe aan de mix, en hun computersimulaties toonden aan dat grotere druppeltjes zich aan de barrière hechten, die het risico van directe overdracht verkleint, maar de kleinere druppelkernen blijven in de lucht, zei Domino.

Toen ze een briesje van 10 meter per seconde van achteren aan de simulatie toevoegden zonder barrière, de grotere druppeltjes reisden tot 11 1/2 voet en de druppelkernen reisden verder.

Deze studie doet geen afbreuk aan de norm voor sociale afstand van 1,8 meter die wordt aanbevolen door de Centers for Disease Control and Prevention en die is ontworpen om direct contact met de meeste grotere druppels te voorkomen. Bij een typische hoest van een geïnfecteerde persoon, ongeveer 35% van de druppeltjes kan het virus bevatten, maar modellen van hoeveel SARS-CoV-2 en zijn varianten nodig zijn om een ​​andere persoon te infecteren, worden nog steeds ontwikkeld, zei Domino.

"Een recent overzichtsartikel over de overdracht van SARS-CoV-2 dat verscheen in de... Annalen van de interne geneeskunde suggereert dat respiratoire transmissie de dominante route voor transmissie is. Als zodanig, we zijn van mening dat het opzetten van een geloofwaardige modellerings- en simulatietool om het transport van ziekteverwekkers-bevattende druppeltjes die afkomstig zijn van hoest te modelleren en hoe ze blijven bestaan ​​in openbare ruimtes die we allemaal bewonen, een cruciaal onderdeel is van de vereiste wetenschap, " zei hij. Partities, maskers, social distancing, thuisblijven als u zich onwel voelt en zich laten vaccineren zijn nog steeds belangrijk om de overdracht te verminderen, vooral met de nieuwe, meer overdraagbare varianten.

Domino voerde ook computermodellering uit van open ruimtes buiten en ontdekte dat staande mensen die werden blootgesteld aan een hoest van iemand in een geknielde positie, een relatief laag risico op blootstelling hadden in vergelijking met mensen die zaten. Dit kwam door de manier waarop de druppels en aerosolen interageren met de complexe briesjes die rond mensen bewegen. Dit werk werd op 1 april gepubliceerd in het International Journal of Computational Fluid Dynamics. Domino's simulaties gebruikten meer dan vier miljoen uur computerverwerkingstijd en werden tegelijkertijd op veel computerprocessors uitgevoerd.

Simulaties ondersteunen social distancing, maskers

Ho gebruikte een in de handel verkrijgbaar computermodel voor vloeistofdynamica om verschillende gebeurtenissen te simuleren die vochtige vloeistof verdrijven, zoals hoesten, niezen, praten en zelfs ademen, om te begrijpen hoe ze het transport en de overdracht van ziekteverwekkers in de lucht beïnvloeden. Hij nam aan dat virale ziekteverwekkers in kleine druppeltjes werden verneveld en dat de verspreiding en concentratie van de ziekteverwekker kon worden weergegeven door de concentratie van de gesimuleerde uitgeademde damp.

"Ik heb ruimtelijke en temporele concentraties in de modellering geïntroduceerd om gekwantificeerde blootstellingsrisico's te ontwikkelen op basis van scheidingsafstand, blootstellingsduur en omgevingsomstandigheden, zoals luchtstroom en gezichtsbedekkingen, " zei Ho. "Ik zou dan de kans op infectie kunnen bepalen op basis van ruimtelijke en temporele aerosolconcentraties, virale lading, besmettelijkheidsgraad, virale levensvatbaarheid, kans op longafzetting en inademingssnelheid."

Het model bevestigde ook dat het dragen van een gezichtsmasker of gelaatsscherm de voorwaartse beweging van uitgeademde damp en het blootstellingsrisico met ongeveer tien keer aanzienlijk verminderde. Echter, de dampconcentraties nabij het gezicht hielden langer aan dan zonder gezichtsbedekking.

Algemeen, het model toonde aan dat sociale afstand het blootstellingsrisico van aërosolen aanzienlijk verminderde met ten minste het tienvoudige en dat er tijd was voor verdunning en verspreiding van de uitgeademde virale pluim. Andere modellen kwantificeerden de mate waarin wind of zijwind van de bron van de hoest de blootstellingsrisico's verminderde, en de mate waarin de hoest direct tegen de wind in ligt, verhoogde de blootstellingsrisico's.

De blootstellingsrisico's namen af ​​met toenemende afstand, maar de grootste toename van het voordeel was bij drie voet. Ho's modellen kwantificeerden ook de mate waarin het dragen van een masker blootstellingsrisico's op verschillende afstanden vermindert.

Kortom, de computermodellering bevestigde het belang van sociale afstand en het dragen van maskers. In aanvulling, tegen de wind in blijven en de ventilatie van frisse lucht verhogen in plaatsen zoals supermarkten, restaurants en scholen kunnen het blootstellingsrisico helpen verminderen.

Ho voerde ook computermodellering uit van schoolbussen en ontdekte dat het openen van ramen op schoolbussen de ventilatie verhoogde en de blootstellingsrisico's verminderde. specifiek, voldoende ventilatie te realiseren, ten minste twee sets vensters moeten worden geopend, één aan de voorkant van de bus en één aan de achterkant van de bus.

Sandia's voorraadbeheer helpt simulaties

Sandia-onderzoekers waren in staat om veel van dezelfde rekenhulpmiddelen toe te passen die werden gebruikt in hun nucleaire voorraadbeheermissie om druppeltjes van hoesten en niezen te simuleren, evenals Sandia's geavanceerde high-performance computerbronnen. Voor de nucleaire afschrikkingsmissie, deze tools bestuderen zaken als hoe turbulente jets, pluimen en drijfbranden reageren in verschillende omstandigheden.

"We kunnen onze simulatietools inzetten voor andere toepassingen, "Zei Domino. "Als je kijkt naar de fysica van hoesten of niezen, het bevat attributen van deze fysica die we normaal bij Sandia bestuderen. We kunnen het traject van druppeltjes simuleren en hoe ze op elkaar inwerken in de omgeving."

Die omgevingsomstandigheden kunnen variabelen omvatten, zoals temperatuur, vochtigheid, lanceringstraject, en zijwind sterkte en richting. Ze kunnen ook natuurlijke en door de mens gemaakte barrières bevatten.

Samen met onderzoeken van anderen over hoestspray, Sandia's computersimulatiemogelijkheden voegen de waarde toe om te zien hoe druppeltjes van een hoest zullen reageren op verschillende omstandigheden. Sandia's simulatietools combineren de massa, momentum en energie van de druppeltjes om gedetailleerde verdampingsfysica vast te leggen die het vermogen ondersteunt om onderscheid te maken tussen druppeltjes die zich afzetten en druppeltjes die in de omgeving blijven bestaan.