10/07/2024

Desarrollan un modelo matemático que describe la dispersión de aerosoles en espacios interiores

Investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la URV simulan el comportamiento de nubes de partículas derivadas de episodios respiratorios violentos y determinan su tiempo de dispersión en espacios interiores

La tos y los estornudos son síntomas comunes de muchas enfermedades respiratorias. Cuando se producen, generan nubes de partículas minúsculas que pueden transportar patógenos de las personas infectadas y convertirse en un importante vector de transmisión. Un equipo investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica de la URV (DEM) ha desarrollado un modelo matemático para determinar el tiempo que tarda una nube de aerosoles en dispersarse totalmente en un espacio cerrado en función de su posición inicial. Dados los elevados recursos computacionales que requieren este tipo de estudios, las simulaciones numéricas se han realizado en el Barcelona Supercomputing Center. El estudio supone un salto cualitativo respecto a los métodos que se utilizan actualmente para simular el comportamiento de aerosoles en espacios interiores. 

El grupo de investigación Experimentos, Computación y Modelización en Mecánica de Fluidos y Turbulencia (ECOMMFIT) de la URV lleva años estudiando la dispersión de aerosoles, más concretamente aquellos provocados por la tos y los estornudos —también llamados episodios respiratorios violentos— en espacios cerrados. En esta nueva búsqueda han observado cómo se comporta una nube de partículas en suspensión en una habitación cúbica de nueve metros cuadrados. «La dispersión de las nubes de aerosoles consta de dos etapas diferenciadas», explica Alexandre Fabregat, investigador del DEM. Primero, el proceso está dominado por una corriente en jet, generada por la rápida expulsión del aire producida por el episodio respiratorio violento. Aproximadamente dos segundos más tarde se produce la dispersión de aerosoles, conducida por las corrientes de aire propias de cada localización. Estas corrientes pueden ser causadas por fenómenos naturales, por la acción de aparatos de ventilación artificial o bien por las diferencias de temperatura entre una masa de aire y las paredes de un espacio interior. 

Alexandre Fabregat, coautor de la investigación.

Para conocer detalladamente el movimiento de fluidos, los investigadores utilizan modelos computacionales para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes combinadas con modelos de dispersión de partículas. Esta aproximación se diferencia de estudios previos en que el movimiento del fluido, el aire dentro de la habitación, se resuelve con todo su detalle y permite determinar con mucha precisión a qué ritmo los aerosoles se dispersan dentro de un espacio cerrado en función de la localización de la emisión. Sin embargo, este método requiere de una gran capacidad de computación. El equipo investigador tuvo acceso a los equipamientos del Barcelona Supercomputing Center durante casi un mes para realizar los cálculos pertinentes. «Ahora podemos conocer la velocidad, la temperatura y la presión del aire en cualquier punto de la habitación en un momento determinado», afirma Fabregat, coautor de la investigación y miembro del grupo de investigación ECOMMFIT. 

Los cálculos determinaron que el tiempo que tarda una nube de aerosoles en disiparse completamente, ocupando todo el volumen de la sala, varía en función de su proximidad a los vértices y paredes de la estancia. En el caso de estudio que proponen —una habitación cúbica de nueve metros cuadrados y tres metros de altura—, si la nube está en el centro de la habitación tarda hasta cinco minutos en esparcirse; si se encuentra tocando las paredes tarda tres. “En este caso particular, esto ocurre debido a las diferencias de temperatura entre las paredes y la masa de aire; cuando el aire que toca las paredes se enfría, su densidad aumenta y genera corrientes de aire”, explica Fabregat. 

Fabregat, repassando los detalles del artículo.

La metodología desarrollada por el grupo de investigación ECOMMFIT es útil para entender la dispersión de aerosoles en espacios cerrados de forma precisa, sin simplificar sus condiciones. Este conocimiento puede ayudar a diseñar salas, equipamientos y sistemas de ventilación que minimicen la transmisión de patógenos por vía aérea en entornos especialmente sensibles como escuelas, hospitales, residencias o laboratorios. 

Referencia: 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 

 

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