Estudio computacional de la turbulencia ambiente sobre el desarrollo del flujo resultante de la tos humana

Abstract

[ES] La actual pandemia de la COVID-19 ha despertado el interés mundial en los mecanismos de transmisión por vía aérea de virus, fundamentalmente del SARS-CoV-2, causante de dicha enfermedad, pero también de otros tales como el virus de la influenza. La carga vírica responsable de los potenciales contagios se halla en las partículas exhaladas durante eventos espiratorios como respirar, hablar, toser o estornudar. En especial, la tos, además de ser una de las mayores fuentes de gotas respiratorias y, por consiguiente, de patógenos, se trata de un proceso que ocurre con relativa frecuencia.

A tal efecto, en el presente Trabajo Fin de Grado, se ha utilizado el software comercial CONVERGE v3.0 para la simulación de la propagación y dispersión de las partículas respiratorias expulsadas durante un proceso de tos, haciendo uso de un modelo Euleriano-Lagrangiano para la descripción del flujo multifásico resultante, así como de modelos RANS para la caracterización de la turbulencia. Esto se ha llevado a cabo con el propósito de determinar qué factores favorecen el transporte de dichas partículas, atendiendo a aspectos como la penetración, la tasa de evaporación o la distribución del tamaño de gotas.

Tras un estudio de independencia de malla y la posterior validación del modelo CFD empleado con resultados experimentales presentes en la literatura, se han realizado un conjunto de estudios paramétricos. En particular, han sido analizados 3 perfiles temporales de tasa de flujo de tos, representando las toses de distinta intensidad de las personas, bajo diferentes condiciones ambientales: 3 valores de humedad relativa y 3 valores de temperatura ambiente. De ello, se ha extraído que las toses de elevada intensidad en ambientes húmedos son las condiciones que más contribuyen a la transmisión de las gotas respiratorias portadoras de agentes infecciosos. Además, se ha examinado el impacto del flujo resultante de un proceso de tos sobre una segunda persona situada en las proximidades, concretamente a 1 m de distancia, demostrando el peligro que esto supone: las gotículas se depositarían en regiones como la nariz o la boca del segundo individuo.

[EN] The current COVID-19 pandemic has awakened global interest in the mechanisms of airborne transmission of viruses, mainly SARS-CoV-2, which causes this disease, but also others such as influenza virus. The viral load responsible for the potential infections is found in the particles exhaled during expiratory events like breathing, speaking, coughing or sneezing. In particular, coughing, besides the fact that it is one of the largest sources of respiratory droplets and, therefore, of pathogens, it is a process that relatively often occurs.

To this end, in this Final Degree Project, the commercial software CONVERGE v3.0 has been used to simulate the propagation and dispersion of respiratory particles expelled during a coughing process, using an Eulerian-Lagrangian model for the description of resulting multiphase flow, as well as RANS models for the characterization of turbulence. This has been done with the purpose of determining which factors favor the transport of these particles, taking into account aspects such as penetration, evaporation rate or droplet size distribution.

After a study of mesh independence and the subsequent validation of the CFD model used with experimental results found in literature, a set of parametric studies have been carried out. In particular, 3 cough flow rate temporal profiles have been analyzed, representing people¿s coughs of different intensity, under different ambient conditions: 3 values of relative humidity and 3 values of ambient temperature. From this, it has been concluded that high-intensity coughs in humid environments are the conditions that most contribute to the transmission of respiratory droplets carrying infectious agents. In addition, the impact of the flow resulting from a coughing process on a second person located nearby, specifically 1 m away, has been examined, demonstrating the danger that this entails: droplets would be deposited in regions such as the nose or mouth of the second individual.

[CA] L’actual pandèmia de la COVID-19 ha despertat l’interès mundial en els mecanismes de transmissió per via aèria de virus, fonamentalment del SARS-CoV-2, causant d’aquesta malaltia, però també d’altres com el virus de la influença. La càrrega vírica responsable dels potencials contagis es troba a les partícules exhalades durant esdeveniments expiratoris com respirar, parlar, tossir o esternudar. En especial, la tos, a més de ser una de les majors fonts de gotes respiratòries i, per tant, de patògens, es tracta d’un procés que passa amb relativa freqüència. A aquest efecte, en el present Treball Fi de Grau, s’ha utilitzat el software comercial CONVERGE v3.0 per a la simulació de la propagació i dispersió de les partícules respiratòries expulsades durant un procés de tos, fent ús d’un model EulerianoLagrangiano per a la descripció del flux multifàsic resultant, així com de models RANS per a la caracterització de la turbulència. Això s’ha realitzat amb el propòsit de determinar quins factors afavoreixen el transport d’aquestes partícules, atenent aspectes com ara la penetració, la taxa d’evaporació o la distribució de la mida de gotes. Després d’un estudi d’independència de malla i la validació posterior del model CFD emprat amb resultats experimentals presents a la literatura, s’han dut a terme un conjunt d’estudis paramètrics. En particular, s’han analitzat 3 perfils temporals de taxa de flux de tos, representant les tos de distinta intensitat de les persones, sota diferents condicions ambientals: 3 valors d’humitat relativa i 3 valors de temperatura ambient. D’això, s’ha extret que les tos d’elevada intensitat en ambients humits són les condicions que més contribueixen a la transmissió de les gotes respiratòries portadores d’agents infecciosos. A més, s’ha examinat l’impacte del flux resultant d’un procés de tos sobre una segona persona situada a les proximitats, concretament a 1 m de distància, demostrant el perill que això suposa: les gotes es depositarien en regions com el nas o la boca del segon individu