Investigadors del Departament d’Enginyeria Mecànica de la URV simulen el comportament de núvols de partícules derivats d’episodis respiratoris violents i en determinen el temps de dispersió en espais interiors

La tos i els esternuts són símptomes comuns de moltes malalties respiratòries. Quan es produeixen, generen núvols de partícules minúscules que poden transportar patògens de les persones infectades i esdevenir un important vector de transmissió. Un equip investigador del Departament d’Enginyeria Mecànica de la URV ha desenvolupat un model matemàtic per determinar el temps que tarda un núvol d’aerosols a dispersar-se en un espai tancat, en funció de la seva posició inicial. Donats els elevats recursos computacionals que requereixen aquest tipus d’estudis, les simulacions numèriques s’han dut a terme al Barcelona Supercomputing Center. Els resultats de la recerca suposen un salt qualitatiu respecte els mètodes que s’utilitzen actualment per simular el comportament d’aerosols en espais interiors.

El grup de recerca Experiments, Computació i Modelització en Mecànica de Fluids i Turbulència (ECOMMFIT) de la URV fa anys que estudia la dispersió dels aerosols a través de la tos i els esternuts —també anomenats episodis respiratoris violents— en espais tancats. En aquesta nova recerca han observat com es comporta un núvol de partícules en suspensió en una habitació cúbica de nou metres quadrats. “La dispersió dels núvols d’aerosols consta de dues etapes diferenciades”, explica Alexandre Fabregat, investigador del DEM. Primer, el procés està dominat per una corrent en jet, generada per la ràpida expulsió de l’aire a causa de l’episodi respiratori violent. Aproximadament dos segons més tard, es produeix la dispersió dels aerosols, conduïda pels corrents d’aire propis de cada localització. Aquests corrents poden ser causats per fenòmens naturals, per l’acció d’aparells de ventilació artificial o bé per les diferències de temperatura entre una massa d’aire i les parets d’un espai interior. 

Per conèixer detalladament el moviment de fluids, els investigadors empren models computacionals per resoldre les equacions de Navier-Stokes, combinades amb models de dispersió de partícules. Aquesta aproximació es diferencia d’estudis previs en que el moviment del fluid, l’aire de dins l’habitació, es resol amb tot el seu detall i permet determinar amb molta precisió a quin ritme els aerosols es dispersen dins d’un espai tancat, en funció de la localització de l’emissió. No obstant això, també requereix d’una gran capacitat de computació per a ser resolta en detall. L’equip investigador va tenir accés als equipaments del Barcelona Supercomputing Center durant gairebé un mes per dur a terme els càlculs pertinents. “Ara podem conèixer la velocitat, la temperatura i la pressió de l’aire en qualsevol punt de l’habitació en un moment determinat”, afirma Fabregat, coautor de la recerca i membre del grup de recerca ECOMMFIT.

Els càlculs van determinar que el temps que tarda un núvol d’aerosols a dissipar-se completament, ocupant tot el volum de la sala, varia en funció de la seva proximitat als vèrtex i a les parets de l’estança. En el cas d’estudi que proposen —una habitació cúbica de nou metres quadrats—, si el núvol és al centre de l’habitació tarda fins a cinc minuts a escampar-se; si es troba tocant les parets, en tarda tres. “En aquest cas particular, això passa degut a les diferències de temperatura entre les parets i la massa d’aire; quan l’aire que toca les parets es refreda, la seva densitat augmenta i genera corrents d’aire”, explica Fabregat.

La metodologia desenvolupada pel grup de recerca ECOMMFIT és útil a l’hora d’entendre la dispersió d’aerosols en espais tancats de forma precisa, sense simplificar-ne les condicions. Aquest coneixement pot ajudar a dissenyar sales, equipaments i sistemes de ventilació que minimitzin la transmissió de patògens per via aèria en entorns especialment sensibles, com ara escoles, hospitals, residències o laboratoris.   

Referència: Lavrinenko, A., Fabregat, A., Gisbert, F., & Pallares, J. (2024). Direct numerical simulation of pathogen-laden aerosol dispersion in buoyancy-driven turbulent flow within confined spaces. International Communications in Heat and Mass Transfer, 152, 107272. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107272