著者: Geoff Sheard, President, AGS Consulting, LLC

新型コロナウィルス (COVID-19)パンデミックは、呼吸器系ウイルスの感染メカニズムを理解する必要性を浮き彫りにしました。感染メカニズムを理解するためには、ウイルスの感染経路の特定、ウイルスがどのように循環するかの確立、そして感染・循環モデルの実験的検証という3つの大局的な研究が必要となります。COVID-19の感染拡大に先立ち、予期されていたインフルエンザのパンデミックに備えて、科学界は短距離のエアロゾル経路が重要であることを示してきましたが、しばしば軽視されてきました。

業界団体は、エアロゾル粒子が建物内をどのように循環するかについてのガイドラインを作成するために協力しています。業界団体は、作業を支援するために、パーティクルカウンターメーカーと協力して研究グループから提供されたデータを研究しています。クリーンルーム、研究所、手術室で空気中の浮遊粒子数を測定するために通常使用されるパーティクルカウンターは、エアロゾルの挙動を判断するのに役立つ技術として登場しています。

パーティクルカウンターメーカーが取り組んでいる課題は、COVID-19ウイルスを運ぶエアロゾル粒子の特性評価です。感染者がくしゃみ、咳、呼吸をすると、水のエアロゾル粒子が排出されます。ウイルスはこの粒子の中を浮遊して移動します。これらは水の粒子であるため、時間の経過とともに蒸発し、粒子径が変化します。そのため、パーティクルカウンターの製造業者は、特に粒子のサイズが変化する際に、粒子の数を測定することが課題となっています。

COVID-19ウイルスを含むエアロゾル粒子の数とサイズを正確に測定することは、あらゆる感染または循環モデルの検証に不可欠です。これを受けて、マサチューセッツ州ストウトンにあるエンジニアリングおよび製造会社であるParticles Plus®は、数値流体力学（CFD）および単一粒子追跡シミュレーションを適用して、パーティクルカウンター内の流れ場の解析を模索しました。同社は、製品設計と最適化で定評のあるAGS Consulting, LLCをパートナーに選びました。NUMECA社は、実世界の製品性能を正確に予測するシミュレーションツールに定評があるため、CFD解析の実行にNUMECA社を選択しました。

Particles Plus®は、AGS Consulting, LLCおよびNUMECAと協力して、次世代のパーティクルカウンターの開発を開始しました。

方法論

採用した数値計算プロセスは、2つのステップで構成されています。1つ目は、粒子の支持媒体を構成する粒子カウンターの流れ場をモデル化すること、2つ目は、粒子が粒子カウンターを通過する際の粒子の軌跡を計算することです。

形状が複雑なため、NUMECAのエンジニアは、FINE™/Open with OpenLabsを使用して、Hexpress™の非構造メッシング機能を使用して作業することを選択しました。まず、実験結果と比較するために、FINE™/Openで流れ場シミュレーションを実行して、パーティクルカウンターを通る圧力降下を予測しました。ここでは、圧力ベースソルバーが使用されており、非圧縮性の流れ場シミュレーションではより速く、より高精度です。

図1：パーティクルカウンターの中心を通る2つの平面上に表示される粒子の軌跡 - 粒子の軌跡を示す3次元流線

単一粒子追跡は、パーティクルカウンターを通過する異なるサイズの粒子の軌道を予測するために使用されました。粒子は入口から送り出され、粒子がパーティクルカウンターチャンバーを通過する際の軌道が計算されました。

軌道を計算する際に2つの仮定がなされました:

• 粒子の軌道はパーティクルカウンター内の流れ場によって駆動されますが、粒子は流れ場に大きな影響を与えません。粒子対空気比は、この一方向結合アプローチが有効であると仮定するには十分に低いと考えられます。
• 粒子間の相互作用は無視されます。ここでも、粒子対空気比は、このアプローチが有効であると仮定するには十分に低いと考えられます。

図2: 断面1(左)と断面2(右)の各クラスの粒子の予測軌道

シミュレーション結果

粒子カウンターを通る水平および垂直切断面が定義され、粒子の軌道が各平面上にマッピングされました。クラス1、2、3の粒子の軌道を垂直面上で調査し、各クラスの粒子が異なる挙動を示しました:

• クラス1(5.0マイクロメートル)粒子はチャンバーを通過しました。
• クラス3(0.3マイクロメートル)粒子はチャンバー出口付近で再循環しました。しかし、それらは再びチャンバー本体に戻ることはありません。
• クラス2(1.0マイクロメートル)の粒子は、両方ともチャンバー出口付近で再循環し、チャンバー本体に戻りました。

粒子の軌道を水平切断面上で調査したところ、クラス2粒子を除いて、粒子の軌道は類似していると結論づけられました。クラス２の粒子は、チャンバーの出口でより強い再循環を示しました。この再循環の強さは、クラス2粒子のチャンバー本体への回帰移動を促していると暫定的に結論づけられました。

表1：粒子追跡シミュレーションで使用したクラス1、クラス2、クラス3粒子（それぞれ直径5.0、1.0、0.3μm）の定義。粒子径が小さくなるにつれて、粒子数は対数的に増加する。

結論

AGS Consulting, LLCとNUMECAは、Particles Plus®と共同で、パーティクルカウンター内の流れ場の実験的に検証されたCFDシミュレーションを開発しました。このシミュレーションは、大型、中型、小型の粒子がパーティクルカウンターを通過する際に異なる挙動を示すことを確認するために使用されました。1.0マイクロメートルの粒子が入口ジェットから出口再循環へ、そして出口再循環からメインチャンバ再循環へと2段階で移動することは予想されていませんでした。

粒子カウンターの流れ場に関するこの洞察と、粒子カウンター内での関連する物理的メカニズムは、再循環を起こしやすい重要な粒子サイズを特定し、再循環を最小化するための粒子カウンター形状の最適化を目的とした現在進行中のプロジェクトの基礎をParticles Plus®に提供しています。