Desarrollo de un modelo matemático para la dispersión de aerosoles en espacios cerrados
Un equipo de investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la URV (DEM) ha hecho un importante avance en el estudio de la dispersión de aerosoles en espacios cerrados. Han creado un modelo matemático que puede determinar el tiempo que tarda una nube de aerosoles en dispersarse completamente en un espacio cerrado, según su posición inicial.
Esto representa un logro significativo en términos de nuestra capacidad para simular con precisión el comportamiento de los aerosoles en interiores, un problema que ha ganado particular importancia debido a la pandemia del COVID-19. Los investigadores realizaron las simulaciones numéricas necesarias para este estudio en el Barcelona Supercomputing Center, dada la alta demanda de recursos computacionales que requieren dichas simulaciones.
El equipo de investigación pertenece al grupo Experimentos, Computación y Modelización en Mecánica de Fluidos y Turbulencia (ECOMMFIT) de la URV, que ha estado estudiando la dispersión de aerosoles, especialmente aquellos causados por la tos y los estornudos, en espacios cerrados durante varios años.
Durante su reciente investigación, los científicos estudiaron cómo se comporta una nube de partículas en suspensión en una habitación cúbica de nueve metros cuadrados. Según Alexandre Fabregat, investigador del DEM, la dispersión de las nubes de aerosoles se divide en dos etapas distintas.
Primero, el proceso está dominado por una corriente en jet, generada por la rápida expulsión del aire producida por el episodio respiratorio violento. Luego, aproximadamente dos segundos después, se produce la dispersión de los aerosoles, impulsada por las corrientes de aire naturales o generadas por sistemas de ventilación artificial, así como por las diferencias de temperatura entre una masa de aire y las paredes de un espacio interior.
Para entender con precisión el movimiento de los fluidos, los investigadores utilizaron modelos computacionales para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes combinadas con modelos de dispersión de partículas.
Este método difiere de los estudios anteriores porque resuelve el movimiento del fluido, es decir, el aire dentro de la habitación, con todo su detalle. Esto permite determinar con gran precisión a qué ritmo se dispersan los aerosoles dentro de un espacio cerrado, en función de la ubicación de la emisión. Sin embargo, este método requiere de una gran capacidad de computación.
El equipo tuvo acceso a los equipos del Barcelona Supercomputing Center durante casi un mes para realizar los cálculos necesarios. «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 demostraron que el tiempo que tarda una nube de aerosoles en dispersarse completamente, ocupando todo el volumen de la sala, varía según su proximidad a los vértices y paredes de la habitación. En el caso del estudio – 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 dispersarse; si está cerca de las paredes, tarda tres minutos.
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
Fuente: URV
