Перукарня і вірус

Як інструменти керування потоком повітря зменшують поширення COVID-19 у закритих приміщеннях.

Прийнято вважати, що поширення вірусу SARS-CoV-2 в основному відбувається від людини до людини, через краплі та аерозолі, які утворюються людиною, яка кашляє, чхає або навіть розмовляє.

Автор Крішненду Сінха

Оскільки пандемія COVID-19 розгортається в Індії, увага приділяється розблокуванню та відкриттю економіки. Почалася сувора реальність: поки не будуть розроблені вакцини або нові методи лікування, нам доведеться навчитися жити з пандемією. Окрім змін у соціальній поведінці, таких як фізичне дистанціювання та використання масок, важливу роль у зниженні ризику передачі та поширення коронавірусу відіграватиме переобладнання робочих та громадських приміщень, таких як сусідні магазини, офісні будівлі та класні кімнати.

Прийнято вважати, що поширення вірусу SARS-CoV-2 в основному відбувається від людини до людини, через краплі та аерозолі, які утворюються людиною, яка кашляє, чхає або навіть розмовляє. Крапелька, зазвичай розміром менше міліметра або більше, швидко падає на землю після її викиду під дією сили тяжіння. Частинки аерозолю набагато менші (всього тисячну частину міліметра) і можуть залишатися у повітрі, потенційно переносячи з собою частинки інфекційного вірусу, і люди можуть вдихнути їх. Тому розуміння потоку повітря та вентиляції, особливо в закритих приміщеннях, де аерозолі, як правило, зберігаються, є ключовим аспектом контролю поширення інфекції.

Тепер виникає питання: як зменшити ризик зараження COVID-19 у закритих приміщеннях, таких як сусідній магазин чи перукарня? У перукарні є кілька унікальних проблем. Покупці в магазині залишаються на одному місці протягом стрижки, як правило, 10-15 хвилин. Що впливає на ризик зараження в цей період? Звичайно, важливий етикет маски, якого дотримуються перукарні та інші клієнти, як і фізична дистанція між клієнтами. Не менш важливим є питання: чи є достатня вентиляція для розсіювання повітряних крапель та аерозолів? Можливо, у самого перукаря виникає багато подібних питань. Зрештою, він проводить у цьому закритому просторі набагато більше часу, ніж клієнти.

Ми розглядаємо перукарню в кампусі IIT-Bombay, яку відвідують викладачі та студенти (більшість з яких у цей час продовжують освіту онлайн, вдома). Перукарня в кампусі має макет, який, можливо, схожий на те, що можна зустріти в більшості міських районів країни. Цех, як правило, містить закрите приміщення (у деяких випадках з кондиціонером — це стосується цеху кампусу) і, як правило, погано вентилюється. У ньому в будь-який момент часу є більше ніж кілька людей. Є клієнти, які приходять і виходять, і дотримуватись соціальної дистанції є складним завданням. У такому сценарії чи можна використовувати керування потоком повітря для покращення вентиляції та зниження ризику передачі повітряно-крапельним шляхом?

У технічному плані вивчення повітряного потоку називається механікою рідини і є важливим у багатьох галузях від аерокосмічної та машинобудівної техніки до астрофізики та навколишнього середовища. Механіка рідини вчить нас, як повітря тече в проходах і навколо перешкод. Математичні рівняння механіки рідини добре відомі, але розв’язувати їх дуже важко. Для прогнозування потоку повітря потрібні дуже складні комп’ютерні моделювання, і це є область дослідження, яка називається обчислювальною гідродинамікою. CFD може розповісти нам, як повітря рухається в перукарні і як інфекційні краплі розносяться потоками. Він також може розрахувати, як потік повітря може бути змінений вентиляторами, вікнами, кондиціонером та безліччю інших факторів.

CFD вже широко використовувався для вивчення потоків повітря в закритих приміщеннях, таких як залізничні купе, офісні приміщення та торгові центри. Кілька опублікованих досліджень стосуються покращення комфорту людини та зменшення споживання електроенергії, наприклад, завдяки кращому дизайну систем кондиціонування повітря. У ці часи, коли в нашому житті домінує COVID-19, дослідження CFD були зосереджені на впливі масок (показуючи, як маски зменшують кількість випущених крапель і відстань, яку вони долають) і повітряних потоків і передачі аерозолю в супер ринки. У звіті групи з Гонконгу показано, як інфекційні краплі з одного джерела можуть поширюватися на весь відсік швидкісної залізниці.

Зокрема, в контексті перукарні CFD можна використовувати для розробки рішень для модернізації, щоб мінімізувати поширення інфекції, що передається повітряно-крапельним шляхом. Прості заходи, такі як встановлення витяжних вентиляторів або навіть простого вентилятора на п’єдесталі та відкриття задніх дверей (на щастя, у нас є така в перукарні IITB), можуть мати велике значення. Ідея полягає в тому, щоб швидко розсіяти краплі з потенційного джерела всередині кімнати назовні, щоб мінімізувати ризик для перукаря та інших клієнтів. Прості розрахунки вже можуть сказати нам розмір і потужність, необхідну для витяжних вентиляторів. Наприклад, якщо припустити типовий розмір перукарні 10 футів на 15 футів на 10 футів, якщо ми хочемо замінювати повітря в кімнаті щохвилини, для цього знадобляться вентилятори, які можуть висмоктувати 1500 кубічних футів повітря за хвилину, або 1500 куб. футів в хвилину, як це вказано в характеристиках витяжного вентилятора. Щоб зробити це вдвічі швидше, ми можемо встановити або два таких вентилятора, або один витяжний вентилятор на 3000 куб/хв.

Хоча прості розрахунки є хорошою відправною точкою, для ретельного аналізу потрібен детальний CFD. Витяжні вентилятори можуть як посилити природну циркуляцію повітря в кімнаті, так і перешкодити їй. Тому знання точних моделей потоку, створених витяжним вентилятором, стає критичним. Наприклад, можуть бути вторинні потоки повітря, іноді відомі як мертві зони, де повітряні осередки можуть залишатися в пастці протягом тривалого часу. Природно, це не випускає повітря з приміщення, і людина, що сидить у такій мертвій зоні, більш схильна вдихнути стійкі аерозолі. Розміщення вентиляторів і вентиляційних отворів, щоб уникнути таких мертвих зон у перукарні, має вирішальне значення для управління повітряним потоком. Нам потрібні моделі CFD, щоб визначити мертві зони в кімнаті, а також дати оцінку того, як довго повітря затримується в таких кишенях. Використовуючи CFD, ми можемо влаштувати вентилятори та вентиляційні отвори в комп’ютерній моделі приміщення, щоб знайти найкраще рішення.

Також можна розрахувати сценарії, коли потік повітря змінюється, коли клієнт входить або виходить через двері, або коли є раптовий протяг теплого повітря ззовні. CFD також може передбачити, як зміниться в залежності від погоди або географічного розташування. Однак рівняння механіки рідини не поступаються так легко навіть сучасним комп’ютерам, оскільки проблеми стають дедалі складнішими. Наприклад, відповідаючи на просте запитання, наприклад, що відбувається з мільйонами волосся на підлозі? може розширити межі суперкомп’ютерів. Знання цього дійсно допоможе, оскільки ніхто не хоче, щоб вони почали плавати.

Рішення для модернізації, розроблені з використанням CFD, можуть бути поширені на інші закриті приміщення, як-от продуктові магазини на кутку, невеликі закусочні та лікарні. Кожен може мати свій спосіб керувати потоком повітря, щоб зменшити інфекцію. CFD може допомогти розробити рішення для модернізації, що відповідають їхнім потребам. Для більших установок, таких як лекційні зали, театри та торгові центри, нам доведеться мати справу з набагато більшою кількістю людей і кількома місцями входу та виходу. Розмір проблеми більший, але наука та ж. Нам знадобиться більше і більше вентиляторів і вентиляційних отворів, і CFD може підказати нам, де їх найефективніше розмістити. Розумні рішення з даними в реальному часі, можливо, можуть бути налаштовані на кількість людей, присутніх у певний момент часу. Це потенційно може бути більш ефективним з точки зору використання електроенергії та встановлення.

Група індійських дослідників під назвою Fluid Mechanics Research for COVID-19 (FMRC) об’єдналася, щоб вирішити проблеми потоку рідини, викликані відновленням економіки. До цієї групи входять дослідники з різних IIT (IIT-Bombay, IIT-Madras, IIT-Roorkee) і з промисловості, і прагне використовувати передові інструменти моделювання, щоб запропонувати модернізовані рішення, які допоможуть знизити ризик передачі інфекції. Особливий інтерес для цієї групи представляють питання, що стосуються потоків рідини в закритих приміщеннях, громадському транспорті і, звичайно, класних кімнатах.

Письменник є професором аерокосмічної інженерії, IIT Bombay