化学者は気流をシミュレートし、ブラスバンドを移植しました

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Anonim
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ブラスバンドを演奏するときのエアロゾル粒子の流れ

アメリカの化学者は、ユタ州の2つのコンサートホールでブラスバンドを演奏するときの気流の分布をモデル化しました。近代的な空調システムを備えた大きなホールでは、ミュージシャンの最適な座席と開いたサイドドアがエアロゾル粒子の濃度を1000分の1に減らすのに役立ちましたが、古い空調システムを備えた小さなホールでは、開いたドアはそうではありませんでした十分-追加のエアダクトが必要でした。記事はジャーナルScienceAdvancesに掲載されました。

ワシントン州のスカジット郡合唱団の予定されたリハーサルが2020年3月10日に行われました。 2時間半の間、61人のミュージシャンが参加し、そのうち53人が数日で共感したことがわかりました。そのうち3人は入院し、2人が死亡した。このような結果は、リハーサル中にくしゃみや咳をしたことのない感染者を1人だけ見つけたことが原因でした。この事件は、私たちの資料「TheScariestMan」で話した超増殖の例の1つでした。

コロナウイルス粒子の拡散は、咳、くしゃみ、会話、歌、管楽器の演奏、および汚染された表面との直接接触によって発生する可能性があります。この場合、粒子はエアロゾルと一緒に、発生源から8メートル以上離れて飛ぶことができ、やがて最大14分間空気中にとどまることができます。そして、社会的距離の助けを借りて、汚染された表面との直接接触を防ぐことが可能である場合、空中の液滴によるウイルスの拡散に対抗するために、粒子がどのように飛んでいくか、そしてこれを制御できるかどうかを理解する必要があります。科学者たちは最近、管楽器を演奏する際のエアロゾル粒子の放出を調査しました。最も安全なのはチューバで、エアロゾル粒子の伝播のリスクが最も高い楽器はトランペット、バストロンボーン、オーボエです。

管楽器のエアロゾルがステージ全体にどのように広がるか、およびその影響ゾーンを減らす方法を学ぶために、ユタ大学のTonySaadとJamesC。Sutherlandらは、管楽器を歌ったり演奏したりするためのエアロゾル粒子のダイナミクスを計算しました。同時に、彼らの作品では、観客を考慮せずに、パフォーマンスの参加者のみに焦点を当てていました。

舞台として、科学者たちはアブラバネルホールとキャピトルシアターを選びました。これらはしばしば管楽器の参加によるイベントを主催します。アブラバネルホールは、楽器を持った85人のミュージシャンを収容できる大きさです。現在、建物には5列のエアダクトのシステムがあり、毎分240立方メートルの空気のスループットを実現するように設計されています。キャピトルシアターでは、ステージの端に8つのエアダクトがあり、毎分550立方メートルの空気を供給します。

リスク軽減戦略には、ステージ全体にミュージシャンを再配分し、ドアを開けて追加の要素を導入することで気流の軌道を変更することが含まれます。科学者たちは、ミュージシャンの能力が異なる両方のコンサートホールについて、合計で3つのオプションを検討しました。基準点として、研究者は2メートルの社会的距離を持つミュージシャンの通常の配置を選択しました。他の2つのオプションは、ステージでドアを開閉するミュージシャンの最適な座席の場合(Abravanel Hallの場合)と、キャピトルシアターの場合は排気換気ダクトの有無にかかわらずドアを開く場合でした。

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(左)アブラバネルホールの標準座席、(右)ブラスバンドに最適な座席

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(左)キャピトルシアターの標準構成、(右)オプションのダクト

アブラバネルホールの気流を調べたところ、科学者たちは2つの渦を発見しました。1つはステージの後壁に沿っており、もう1つはステージの端にある弱い渦です。これらの渦はエアロゾル粒子の再循環に関与し、曝露時間を増加させます。ミュージシャンの初期構成の開いたドアは、ステージの中央で再循環する流れを弱めました。これは、流れが最も効率的に通気口に向けられるミュージシャンの座席配置を選択するのに役立ちました。

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エアロゾル粒子の生成に応じたブラスバンド移植

科学者たちはステージの中央に、楽器がエアロゾル粒子を放出しないミュージシャン(ピアノとパーカッション)を配置しました。同時に、演奏時にエアロゾル粒子を最も多く放出するファゴットがドアに配置されていました。残りの機器は、エアロゾル放出のレベルを考慮して、換気ユニットのできるだけ近くに配置されました。また、新しい配置によりエアロゾル粒子の濃度を1桁減らすことができましたが、この配置でも、ウッドウィンド機器は1リットルあたり1粒子の濃度のエアロゾルジェットを生成します。これは、隣接する近隣に到達してそれらを維持するのに十分です。与えられた気流の中で。一方、ドアを開けると、ほとんどのスペースの濃度をさらに2桁、1リットルあたり0.001粒子まで減らすことができます。科学者は、感染の可能性を評価する際に、感染性病原体の濃度に線形に関連する近似を使用しました。これは、感染の可能性がほぼ1000分の1に減少することを意味します。

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粒子濃度分布:(左)標準座席の場合、(中央)閉じたドアのある最適な座席の場合、(右)開いたドアのある最適な座席の場合

youtube-// www.youtube.com/embed/ByiM-oWjA9Y?enablejsapi=1&origin=https%3A%2F%2Fnplus1.ru

国会議事堂劇場ではそのような再循環の問題は見つかりませんでしたが、汚染の可能性は依然として重大でした。扉がステージから3メートル上にあるので、扉を開けてもミュージシャンの周りの空気の流れはほとんど変わりませんでした。この問題を解決するために、科学者たちはミュージシャンの後ろに排気ダクトを追加しました。これは、ゲーム中に生成されたエアロゾル粒子を吹き飛ばします。このアプローチは、古い空調システムのある部屋のシーンに役立ちます。

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エアロゾルの粒子濃度分布:(左)標準構成、(中央)開いたドア、(右)開いたドアと追加のエアダクト

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同じ場合の等濃度線。 (上)側面図、(下)上面図

管楽器の出口のいくつかの寸法は、格子の解像度よりも小さかったため、計算のために大きくしました。この場合、ブロー速度が低下したため、流量は同じままでした。さらに、科学者たちは、彼らのモデルが温度勾配、相対湿度、およびジェット揚力の影響を考慮していないことに注意しています。これらの詳細は、ウイルス粒子の伝播に大きな影響を与えますが、新しい作業により、広い部屋の空気の流れの分布を検討し、より正確な計算や代替方法(置換など)を使用して改善できる最適な構成を提案することができました。発生率の異なるフォグマシンを備えた機器で、エアロゾル粒子の分布をはっきりと確認できます。

パンデミック時には、ミュージシャンの座席をロボットに置き換えることができます。数年前、ニュージーランドのミュージシャンが産業用ロボットにピアノ、ベースギター、ドラムキットの演奏を教えました。同じ年、YuMiロボットは指揮者の動きを模倣し、フィルハーモニー管弦楽団の運営に成功しました。

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