Please use this identifier to cite or link to this item: https://doi.org/10.15480/882.2775.2
Publisher DOI: 10.47176/jafm.13.06.31812
Title: Analytical and numerical investigation of the airflow in face masks used for protection against COVID-19 virus : implications for mask design and usage
Language: English
Authors: Peric, Robinson 
Perić, Milovan 
Keywords: Computational Fluid Dynamics (CFD);Filtering Face Piece (FFP) masks;respirators;airflow;self-made masks;surgical masks;leakage;virus transmission;COVID-19
Issue Date: 2020
Publisher: Physical Society of Iran
Source: Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 13, No. 6, pp. 1911-1923, 2020
Journal or Series Name: Journal of applied fluid mechanics 
Abstract (german): Der Einsatz von Atemschutzmasken für die breite Öffentlichkeit wurde in der Literatur als ein möglicher Ansatz vorgeschlagen, um die Virusausbreitung während der weltweiten COVID-19 Pandemie zu reduzieren. Allerdings deuten Literaturdaten darauf hin, dass viele Atemschutzmasken keinen verlässlichen Schutz vor einer Infektion bieten. Dieser Artikel untersucht die Hypothese, dass der Hauptgrund für diese eingeschränkte Schutzwirkung der nicht-passgenaue Sitz der Masken ist, wodurch Virus-transportierende Tröpfchen mit dem Luftstrom durch Spalte zwischen Dichtung und Gesicht eintreten oder austreten können. Hierzu wird die Strömung in Atemschutzmasken mittels analytischer und numerischer Berechnungen untersucht. Es wird gezeigt, dass die Strömung zufriedenstellend vorhergesagt werden kann, sowohl anhand vereinfachter eindimensionaler Strömungsmodelle, als auch mittels zwei- sowie dreidimensionaler Strömungssimulationen. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits Spalthöhen ab 0.1mm dazu führen können, dass die Maske nicht mehr FFP2- oder FFP3-Standards erfüllt. Schon Spalthöhen ab 1mm können dazu führen, dass ein Großteil des Luftstroms und der darin enthaltenen Tröpfchen ungefiltert durch den Spalt ein- oder austritt. Die Konsequenzen dieser Ergebnisse werden diskutiert und Verbesserungen für existierende Designs von Atemschutzmasken vorgeschlagen.
Abstract (english): The use of face masks for the general public has been suggested in literature as a means to decrease virus transmission during the global COVID-19 pandemic. However, literature findings indicate that most mask designs do not provide reliable protection. This paper investigates the hypothesis that the impaired protection is mainly due to imperfect fitting of the masks, so that airflow, which contains virus-transporting droplets, can leak through gaps into or out of the mask. The fluid dynamics of face masks are investigated via analytical and numerical computations. The results demonstrate that the flow can be satisfactorily predicted by simplified analytical 1D-flow models, by efficient 2D-flow simulations and by 3D-flow simulations. The present results show that already gap heights larger than 0.1mm can result in the mask not fulfilling FFP2 or FFP3 standards, and for gap heights of ca. 1mm most of the airflow and droplets may pass through the gap. The implications of these findings are discussed and improvements to existing mask designs are suggested.
URI: http://hdl.handle.net/11420/6167.2
DOI: 10.15480/882.2775.2
ISSN: 1735-3645
Institute: Fluiddynamik und Schiffstheorie M-8 
Type: (wissenschaftlicher) Artikel
License: CC BY-NC-ND 4.0 (Attribution-NonCommercial-NoDerivatives) CC BY-NC-ND 4.0 (Attribution-NonCommercial-NoDerivatives)
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2 doi:10.15480/882.2775.2 2020-08-13 16:08:54.369 A reference to the peer-reviewed journal article was added.
1 doi:10.15480/882.2775 2020-05-18 16:39:16.0

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