En detaljeret simulering af luftstrømmen efter nysen

I begyndelsen af ​​april 2021, antallet af mennesker, der blev smittet under COVID-19-pandemien, var steget til mere end 130 millioner mennesker, hvoraf mere end 2,8 millioner døde. SARS-CoV-2-virussen, der er ansvarlig for COVID-19, overføres især af dråber eller aerosoler, der udsendes, når en inficeret person taler, nyser eller hoster. Det er sådan, at vira og andre patogener spredes gennem miljøet og overfører infektionssygdomme, når de inhaleres af en anden.

Disse partiklers evne til at forblive suspenderet i luften og til at sprede sig i miljøet afhænger i høj grad af størrelsen og arten af ​​luftstrømmen, der genereres ved udånding af luft. Som med andre luftbårne infektionssygdomme såsom tuberkulose, almindelig influenza eller mæslinger, væskedynamikkens rolle er nøglen til at forudsige risikoen for infektion ved at inhalere disse partikler i suspension.

I en hostehændelse, der varer i 0,4 sekunder og har en maksimal udåndingslufthastighed på 4,8 m/s, strømmen genererer først en turbulent luftstrøm, der er varmere og mere fugtig end omgivelsernes. Når udløbet er forbi, strømmen bliver til et pust af luft, der stiger på grund af flotation og dens manglende vægt, mens den forsvinder.

Partiklerne transporteret af denne strøm danner skyer, hvis baner afhænger af deres størrelse. De største partiklers dynamik er styret af tyngdekraften og beskriver parabler med en klar vandret grænse. På trods af deres begrænsede evne til at forblive i suspension og det begrænsede horisontale omfang, virusbelastningen kan være høj, fordi den er stor (diametre større end 50 mikron).

I modsætning, de mindste partikler (med diametre mindre end 50 mikron) transporteres ved påvirkning af luftstrømmen. Disse aerosoler er i stand til at forblive i suspension i længere tid, og de spredes over et større område. De største partikler forbliver i luften i et par sekunder, mens de mindste kan forblive suspenderet i op til et par minutter, Selvom deres viral belastning er mindre, disse aerosoler kan komme igennem ansigtsmasker og flyttes fra værelse til rum, for eksempel, gennem ventilationsanlæg. Retentionsprocenten af ​​ansigtsmasker falder, når partiklerne er mindre.

Partikelskyens adfærd afhænger af partiklernes størrelse og kan kompliceres af fordampningens virkninger, hvilket gradvist reducerer dråbernes diameter.

Med støtte fra Consortium of University Services of Catalonia, forskergruppen udgør URV's Institut for Maskinteknik, ledet af Alexandre Fabregat og Jordi Pallarés, i samarbejde med forskere fra University of the State of Utah og University of Illinois, har brugt højtydende numeriske simuleringer til i hidtil uset detalje at studere processen med spredning af aerosol genereret af en hoste eller et nys. Detaljeniveauet var så højt, at de havde brug for betydelig regnekraft og adskillige processorer fra en supercomputer, der arbejdede på samme tid.

Resultaterne tyder på, at den pude af luft, der produceres ved udåndingen, bærer partikler på mindre end 32 mikron over emissionshøjden, som genererer en sky, der har en stor kapacitet til at forblive i suspension og blive spredt af luftstrømme over en betydelig afstand. De største partikler har et begrænset omfang, som ikke ændres af virkningen af ​​fordampning under forskydningen til jorden. Forudsat den sædvanlige virale belastning for infektionssygdomme, resultaterne blev brugt til at tegne et kort over koncentrationen af ​​virale partikler omkring den inficerede person, efter at vedkommende havde hostet eller nyset.

Denne forskning er blevet publiceret som to videnskabelige artikler i tidsskriftet Fysik af væsker med titlerne "Direkte numerisk simulering af det turbulente flow genereret under en voldsom udåndingshændelse" og "Direkte numerisk simulering af turbulent spredning af fordampende aerosolskyer produceret af en intens udåndingshændelse." Begge artikler blev vist på forsiden på grund af deres videnskabelige effekt.