Ŀ   ¼

Chapter 1  Introduction 1 

1.1  Emerging Respiratory Pandemics. 1 

1.2  Transmission Modes. . 4 

1.3  From the Fluid Dynamics Perspective  9 

1.3.1  Exhalation  9 

1.3.2  Transport Characteristics in the Air. . 10 

1.3.3  Exposure and Inhalability 12 

1.3.4  Deposition in Human Respiratory System  13 

1.4  Research Method 14 

1.5  CFD Application to Transmission Control 21 

References 25 

Chapter 2  Bioaerosol Dynamics  32 

2.1  What is Bioaerosol  32 

2.2  Types of Bioaerosols  33 

2.3  Properties of Bioaerosol 36 

2.3.1  Size Distribution 36 

2.3.2  Kinetic Properties  39 

2.3.3  Biological Properties  40 

2.4  Motion in the Air 42 

2.5  Dynamic Size Distribution  47 

2.5.1  Evaporation and Condensation  47 

2.5.2  Influential Factors  48 

2.6  Deposition Mechanism  51 

2.7  Summary 53 

References 54 

Chapter 3  Respiratory-based Bioaerosol Infections 59 

3.1  Bioaerosol in the Air  59 

3.2  Bioaerosol Inhalation and Deposition in Human Respiratory System 61 

3.2.1  The Human Respiratory System 61

3.2.2  Concept and Physical Basis of Inhalability  63 

3.2.3  Definition and Physical Basis of Deposition 63 

3.2.4  Local and Total Respiratory Tract Deposition . 64 

3.2.5  Biological Mechanisms of Clearance and Redistribution  65 

3.3  Bioaerosol-related Infections. 66 

3.4  Chain Infection due to Bioaerosol Transmission. . 68 

3.5  Bioaerosol Infection Control 69 

3.6  Summary 71 

References 72 

Chapter 4  Computational Fluid Dynamics 76 

4.1  Introduction  76 

4.2  Principles of CFD and Equations. . 77 

4.3  Turbulent Flow and Models 81 

4.4  Bioaerosol Transport Models  85 

4.4.1  Lagrangian Model  86 

4.4.2  Eulerian Model . 87 

4.5  CFD Workflow and Scheme 89 

4.6  Current Status of CFD Software  93 

4.7  Summary 94 

References 95 

Chapter 5  Effects of Occupant's Micro-environment on Bioaerosol Transport 98 

5.1  Introduction  98 

5.2  Metabolic Body Heat and Thermal Plume 100 

5.2.1  Characteristic of the Thermal Plume for Sitting Posture  102 

5.2.2  Interactions between Thermal Plume and Respiratory Flow 103 

5.2.3  Plume Effect on the Contaminant Field 105 

5.3  Computational Thermal Manikins 106 

5.3.1  Four Simplification Approaches 107 

5.3.2  Case Study of the CTM Simplification Approaches in an Enclosed 

Chamber . 111 

5.4  Quantifiable Simplification Approach for CTMs  116 

5.4.1  Mesh Decimating Algorithm. . 116 

5.4.2  Effect of MDA Simplification on Global Airflow Field. 119 

5.4.3  Effect of MDA Simplification on Human Micro-environment. 120 

5.4.4  Case Study-Micro-environment of CTMs using Various 

Simplification Approaches  122

5.5  Thermal Airflow Field 127 

5.5.1  Case Study-An Enclosed Chamber. . 127 

5.5.2  Case Study-A Reduced-scale Cabin Environment  130 

5.6  Summary  135 

References  137 

Chapter 6  Bioaerosol Transport in Occupied Environments. . 140 

6.1  Introduction 140 

6.2  Tracking Models of Bioaerosol Transport 142 

6.2.1  The Lagrangian Approach. . 142 

6.2.2  The Eulerian Approach  145 

6.2.3  Bioaerosol Concentration and Distribution Transport 148 

6.2.4  Case Study-Bioaerosol Transport in a Small Chamber  149 

6.3  Impacts of Indoor Ventilation Scheme  155 

6.3.1  Case Study-Comparison of the Displacement and Mixing Ventilation 

in a Small Chamber 155 

6.3.2  Case Study-Effect of the Ventilation Layouts in a Conference Room 158 

6.4  Bioaerosol Transport in Densely Occupied Environment  162 

6.4.1  Case Study-A Typical Cabin Environment  163 

6.4.2  Case Study-A Public Transport Train Cabin  169 

6.4.3  Case Study-A Large-scale Airliner Cabin Environment 173 

6.5  Summary  179 

References  181 

Chapter 7  Influential Factors on Bioaerosol Transport. 184 

7.1  Introduction 184 

7.2  Effect of Dynamic Droplets Size Distribution in Indoor Spaces. . 185 

7.2.1  Droplets Size Distribution from Various Respiratory Behaviour  186 

7.2.2  Droplets Size Reduction due to Evaporation 189 

7.2.3  Case Study-Dynamic Size Reduction of Cough Released Bioaerosols 

and Droplets due to Evaporation. . 192 

7.2.4  Case Study-Interactions between Human Thermal Plume and Cough 

Released Droplets 200 

7.2.5  Delayed Droplets Deposition due to Evaporation 204 

7.3  Effect of Disease Active Time and Viability via Air Transmission 207 

7.3.1  Key Parameters of Infectious Diseases  208 

7.3.2  Mathematical Models for Quantitative Risk Assessment  210 

7.3.3  Integration of Mathematical Models into Numerical Modellings. . 215

7.3.4  Case study-Wells-Riley Based CFD Simulation. 216 

7.3.5  Case study-Dose-response Based CFD Simulation  219 

7.4  The Social Distancing and Capacity Effects in Indoor Environments 223 

7.4.1  Case Study-A Densely Occupied Meeting Room 224 

7.4.2  Ventilation Scheme and Room Arrangement 228 

7.4.3  Bioaerosol Release via Coughing and Speaking 231 

7.4.4  Occupants' Exposure and Infectious Risks over Distance and 

Capacity Changes 235 

7.5  Summary  238 

References  240 

Chapter 8  Case Studies of Bioaerosol Inhalation and Deposition. 243 

8.1  Introduction 243 

8.2  Bioaerosol Inhalability 244 

8.2.1  Case Study-Human-induced Wake Flow and Its Impact on 

Particle Inhalability. . 245 

8.2.2  Release Modes and Source of Particles  247 

8.2.3  Impacts of Freestream Velocity and Walking Speed . 249 

8.2.4  Particle Size Effects on Aspiration Efficiency During the Motion. 258 

8.3  Particle Deposition in Nasal Cavity  263 

8.3.1  Construction of Nasal Cavity Models. 263 

8.3.2  2D Surface Unwrapping over 3D Nasal Cavity Model 266 

8.3.3  Particle Deposition Patterns of Unwrapped Nasal Cavity 269 

8.4  Particle Deposition in the Lower Respiratory Airway 275 

8.4.1  Simplification of Respiratory Airways 275 

8.4.2  Particle Tracking Modelling in the Lower Airway. 278 

8.4.3  Deposition Analysis at Various Cross-sectional Studies. . 281 

8.5  From Indoors Release to Inhalation and Deposition in the 

Respiratory System  285 

8.5.1  Interpretation of the Bioaerosol Transmission Cycle using 

CFD Method. . 285 

8.5.2  Integrated Models of Indoor Space and Human Respiratory System. . 287 

8.5.3  Case study - Practical Application of the Integrated Model 291 

8.5.4  Case study - Further Practical Application of the All-in-one 

Respiratory Model . 295 

8.6  Summary  302 

References  304

Chapter 9  Health Risk Assessment and Prevention Recommendations. 306 

9.1  Introduction 306 

9.2  Passengers' Health Risk Assessment in Airliner Cabins 309 

9.2.1  Case Study-Modelling of Bioaerosol Transmission in a 7-row Cabin  309 

9.2.2  The Wells-Riley Framework  315 

9.2.3  Quantifiable Risk Assessment of Individual Passenger  316 

9.2.4  Case Study-Passenger Movement Impacts 319 

9.2.5  Case Study-Effects of the Personal Jets 323 

9.3  Emergency Indoor Ventilation Strategy  326 

9.3.1  Case Study-Formation of Fan-driven Indoor Tornado . 326 

9.3.2  Dynamic Core Region Identification Approaches 328 

9.3.3  Effect of Lift Angle and Vortex Intensity  332 

9.4  Other Case Studies on Pandemic Interventions 339 

9.4.1  Wearing Masks. 339 

9.4.2  Social Distance Rule 343 

9.5  Summary  348 

References  350 

Chapter 10  Advanced Modelling and Future Trend. 352 

10.1  Fast Fluid Dynamic on Disease Transmission Modelling 352 

10.2  Optimisation of Wells-Riley Framework and Infection Risk 

Assessment 355 

10.3  Advanced Modelling of Multiple Moving Occupants 358 

10.4  Virtual Platform for Infection Risk Assessment Enhanced by Machine 

Learning  360 

References  364