A software model of airborne propagation SARS-COV-2 in the air

Abstract

Передача вирусного заболевания COVID обусловлена распространением выдыхаемого инфицированным человеком воздуха, содержащего вирус. Моделирование распространения вирусного облака дает возможность оценить условия ограничения его распространения. Для визуализации динамической картины распространения вирусного облака применяется математическое и компьютерное моделирование. В работе представлены результаты компьютерного моделирования распространения вируса SARS-COV-2 в воздухе в виде аэрозоля из частиц слюны <5 мкм, содержащих вирус, образующихся при дыхании инфицированного человека. Приведены сравнительные размеры частиц аэрозоля выдыхаемой воздушно-капельной смеси и частиц дыма, тумана в воздухе. Сделан вывод о термодинамическом конвекционном процессе распространения аэрозольного облака в воздухе. Компьютерная модель разработана на основе уравнения Лапласа с нулевыми граничными условиями и начальными условиями – мгновенный источник в центре объема. Проведено моделирование и сделаны выводы о влиянии температуры на затухание вспышки. Вынесены предположения о необходимости применения поглощающего материала для сокращения времени затухания вспышки. С теоретической и практической точек зрения определено, что процесс распространения SARS-COV-2 в воздухе обусловлен диффузией и конвекцией потока частиц воздушно-капельной смеси в воздухе. Такой поток аналогичен распространению в воздухе дыма и тумана. В исследовании показано, что распространение вируса в воздухе происходит по законам термодинамики и может быть описано средствами математического моделирования физических явлений конвекции и диффузии в газовой среде. Компьютерная модель распространения аэрозольного вирусного облака позволяет визуально оценить масштаб и скорость распространения вируса, выдыхаемого инфицированным человеком, при различных параметрах окружающей среды. The danger of the spread of the COVID virus disease is due to the propagation of the exhaled virus cloud in the natural conditions of human habitation. Modeling the transmission of a viral cloud of airborne droplets makes it possible to assess the conditions for limiting its spread. Mathematical tools and software modeling tools are used to obtain a dynamic picture of the mongering of the virus cloud. The results of software modeling of SARS-COV-2 virus spread in air aerosolized saliva particles <5 microns formed by an infected person breathing are presented. The comparative sizes of aerosol particles of the exhaled air-drop mixture and smoke particles in the air are given. A conclusion is made about the thermodynamic convection process of aerosol-cloud propagation in the air. The software model is developed based on the Laplace equation with zero boundary conditions and initial conditions – an instantaneous source in the center of the volume. The simulation is carried out and conclusions are drawn about the influence of temperature on flash attenuation. Assumptions are made about the need to use an absorbing material to reduce the flash attenuation time. From theoretical and practical points of view, it is determined that the process of SARS-COV-2 propagation in the air is caused by the diffusion and convection process of the air-drop mixture flow in the air. Such a flow is similar to the spread of smoke and fog in the air. The study takes into account physical phenomena such as diffusion and convection in the air. Keywords: SARS-COV-2, software modeling of diffusion, airborne propagation, virus, convective diffusion, mathematical tools.