16/06/2021

Simulan con gran detalle el flujo del aire de la tos y los estornudos para estudiar la transmisión de enfermedades como la covid-19

Empleando sistemas de computación de altas prestaciones, el equipo de investigación de la URV y un grupo colaborador han simulado el flujo de aire producido por la tos y los estornudos con un detalle sin precedentes. Los resultados permiten entender mejor las características del flujo producido por la respiración y determinar la capacidad de los aerosoles infecciosos para dispersarse en el entorno y mantenerse suspendidos, lo que facilita el contagio de la covid-19 y otras enfermedades de transmisión aérea

De izquierda a derecha y de arriba a abajo, los paneles muestran el campo de magnitud de la velocidad del aire generado por un estornudo. La exhalación de aire alcanza la máxima velocidad a 0,15 segundos y finaliza a 0,40 segundos. Los colores muestran el valor de velocidad en metros por segundo.

A principios de abril de 2021, el número de personas infectadas durante la pandemia de covid-19 llegaba a más de 130 millones de personas, de las que más de 2,8 millones han muerto. La transmisión del virus SARS-CoV-2, responsable del coronaviurs, se produce sobre todo a través de las gotitas o aerosoles emitidos cuando una persona infectada habla, estornuda o tose. Así es como los virus y otros patógenos se dispersan en el ambiente y pueden transmitir enfermedades infecciosas cuando alguna persona las inhala.

La capacidad de estas partículas para mantenerse en suspensión en el aire y dispersarse en el entorno depende principalmente del tamaño y las características del flujo de aire generado por la exhalación más o menos violenta de aire. Como también ocurre con otras enfermedades infecciosas de transmisión aérea, como la tuberculosis, la gripe común o el sarampión, el papel que tiene la dinámica de fluidos es clave a la hora de predecir el riesgo de infección por inhalación de estas partículas en suspensión.

Si se considera un episodio de tos idealizado con una duración de 0,4 segundos a una velocidad de aire exhalada máxima de 4,8 m/s, el flujo genera primero un chorro turbulento de aire más caliente y húmedo que el del entorno. Una vez finalizada la exhalación, el chorro evoluciona hacia un soplo que asciende debido a la flotación, de su poco peso, mientras se disipa describiendo una trayectoria ascendente.

Las partículas transportadas por este flujo forman nubes con trayectorias muy diferentes según el tamaño. Las más grandes, con una dinámica dominada por la gravedad, describen líneas parabólicas con un alcance horizontal muy marcado. A pesar de la limitada capacidad para mantenerse en suspensión y el limitado alcance horizontal, la carga viral puede ser potencialmente elevada porque tienen un tamaño grande (diámetros mayores de 50 micras).

En contraste, las más pequeñas (con diámetros inferiores a 50 micras) son transportadas sobre todo por la acción del arrastre ejercido por flujo de aire de fondo. Estos aerosoles son capaces de mantenerse en suspensión durante más tiempo y se dispersan sobre distancias más grandes. Las más grandes se sostienen en el aire unos segundos, mientras que las más pequeñas pueden llegar a mantenerse varios minutos. A pesar de la carga viral inferior, este aerosoles son capaces de superar la contención de las mascarillas faciales y viajar de una estancia a otra a través, por ejemplo, los sistemas de ventilación. El porcentaje de retención de las mascarillas baja con las partículas más pequeñas.

Este comportamiento diferenciado de la nube de partículas en función del tamaño se complica debido a los efectos de la evaporación que provoca la progresiva reducción del diámetro de la gotita a medida que se evapora.

El vídeo muestra los resultados de la simulación numérica de la dispersión de los aerosoles producidos en un estornudo. Las partículas se expulsan durante la duración de la exhalación de aire y son principalmente transportadas por la acción de arrastre del aire en movimiento y la gravedad. Para evaluar el impacto que tiene la evaporación de la fracción acuosa que provoca la reducción de tamaño de partícula, se compara el transporte de aerosoles sin evaporación (panel izquierdo) y con evaporación (panel derecho). El color indica la fracción de agua evaporada con valores entre 0 y 1 para una fracción evaporada nula y total, respectivamente.

Con el apoyo del Consorcio de Servicios Universitarios de Cataluña, el grupo de investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universitat Rovira i Virgili, liderado por Alexandre Fabregat y Jordi Pallarès, en colaboración con investigadores de la Universidad del Estado de Utah y la Universidad de Illinois, ha empleado simulaciones numéricas de otras prestaciones para estudiar con un nivel de detalle sin precedentes el proceso de dispersión de aerosoles generado por un episodio de tos o de estornudos.

El nivel de detalle ha sido tan alto que ha hecho falta mucha potencia de cálculo, muchos procesadores de un supercomputador trabajando al mismo tiempo. Los resultados indican que la capacidad de ascender debido a la flotación del soplo de aire producido por la exhalación permite arrastrar las partículas de menos de 32 micras por encima la altura de emisión, lo que genera una nube con una alta capacidad para mantenerse en suspensión y ser dispersada sobre distancias significativas por las corrientes de aire ambientales.

Las partículas más grandes tienen un alcance muy limitado que no se ve alterado por el efecto de la evaporación durante la trayectoria hacia el suelo. Asumiendo valores de carga viral habituales en una enfermedad infecciosa, los resultados han permitido obtener un mapa de la concentración de partículas víricas en torno a la persona infectada después de que haya tosido.

Esta investigación se ha publicado en forma de dos artículos científicos en la revista Physics of Fluids con los títulos «Direct numerical simulation of the turbulent flow generated during a violent expiratory event» y «Direct Numerical Simulation of turbulent dispersion of evaporative aerosol clouds produced by an intense expiratory event «. Ambos artículos han sido destacados en portada debido a su impacto científico.

Referencias bibliográficas:

Alexandre Fabregat, Ferran Gisbert, Anton Vernet, Som Dutta, Ketan Mittal, and Jordi Pallarès, «Direct numerical simulation of the turbulent flow generated during a violent expiratory event», Physics of Fluids 33, 035122 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0042086

Alexandre Fabregat, Ferran Gisbert, Anton Vernet, Josep Anton Ferré, Ketan Mittal, Som Dutta, and Jordi Pallarès , «Direct numerical simulation of turbulent dispersion of evaporative aerosol clouds produced by an intense expiratory event», Physics of Fluids 33, 033329 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0045416


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