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Jun 27, 2023

Studio delle caratteristiche bimodali della distribuzione dimensionale delle goccioline nello spruzzo di condensa

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 12006 (2023) Cita questo articolo 211 Accessi Dettagli metriche Per comprendere il processo di generazione di goccioline trasportate dall'aria durante l'espirazione, questo studio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12006 (2023) Citare questo articolo

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Per comprendere il processo di generazione delle goccioline trasportate dall'aria durante l'espirazione, questo studio indaga il meccanismo delle caratteristiche bimodali della distribuzione dimensionale delle goccioline generate in un flusso spray condensato. Il processo di cambiamento di fase nel flusso di spruzzo condensato è stato stimato in base alla distribuzione delle dimensioni delle goccioline misurata da un analizzatore di particelle Doppler di fase e alla distribuzione della temperatura misurata da un termistore. Sull'asse centrale la distribuzione dimensionale era unimodale all'interno dello spray. Al contrario, è stata osservata una distribuzione bimodale delle dimensioni sul bordo esterno del flusso di spruzzo. Ai margini del flusso di spruzzo si è formato un ampio gradiente di temperatura. Ciò indica che sul bordo esterno si è formata attivamente della condensa. Per lo stesso motivo sopra esposto, la condensazione non progrediva nel centro di spruzzatura a causa del consumo di vapore acqueo sul bordo esterno dovuto alla condensazione, e il diametro delle goccioline non cambiava in modo significativo. Quindi, a causa della differenza nel processo di cambiamento di fase locale tra il centro e il bordo esterno dello spruzzo, nella zona centrale possono esistere contemporaneamente goccioline grandi e piccole. Di conseguenza, la distribuzione dimensionale dello spruzzo di condensa è bimodale.

Il COVID-19 è stato identificato per la prima volta nella città cinese di Wuhan alla fine del 2019 e da allora si è diffuso in tutto il mondo. Continua a mutare e devastare il mondo. È possibile e ragionevole evitare misure “ermetiche”, “dense” e “chiuse” nella fase in cui la contromisura non è stata stabilita, non solo per la nuova malattia virale infettiva da coronavirus ma anche per qualsiasi infezione sconosciuta da aria/goccioline. La contromisura per la “tenuta all’aria” è la ventilazione degli spazi e la purificazione dell’aria. Questa tecnologia può contribuire all’ingegneria meccanica e all’ingegneria dei fluidi. Wei e Li1 hanno riassunto l'infezione da aerosol nell'ambiente interno. Hanno affermato che la gamma delle vie di trasmissione dipende dal diametro della gocciolina. Pertanto, il trasporto di goccioline da parte del flusso d'aria generato nell'ambiente interno è essenziale per progettare e valutare il sistema di ventilazione. Quando si progetta la disposizione dei sistemi di ventilazione, dei sistemi di purificazione dell'aria e degli sterilizzatori, il percorso di diffusione e il periodo di dispersione nell'aria delle goccioline dovrebbero essere previsti sulla base della teoria e dell'analisi numerica. In risposta a questo nuovo coronavirus, i ricercatori nel campo della fluidodinamica computazionale di tutto il mondo stanno conducendo analisi numeriche delle goccioline. Stiehl et al.2 hanno condotto una simulazione numerica del trasporto e dell'evaporazione delle goccioline rilasciate dagli starnuti. Oh e altri. hanno effettuato un'analisi numerica dei fluidi della ventilazione interna3 e hanno confrontato numericamente l'efficienza di rimozione delle goccioline e dei nuclei delle goccioline causati dalla tosse tra la ventilazione meccanica e la ventilazione naturale. Il gruppo di ricerca guidato da Tsubokura ha anche riprodotto numericamente la diffusione di goccioline e aerosol e gli effetti della ventilazione in vari ambienti interni4 e barbecue all'aperto5, mediante un'analisi numerica su larga scala utilizzando Fugaku6. Inoltre, il trasporto di goccioline è stato simulato in molte situazioni, come in classe7, in un ristorante8, in un autobus urbano9, in un aereo10 e nel sistema di climatizzazione11.

Nell'analisi della fluidodinamica computazionale, il movimento delle goccioline è stato tracciato in maniera lagrangiana utilizzando un'equazione del moto che considera la forza aerodinamica in base alla velocità relativa con l'aria circostante per ciascuna gocciolina. La velocità e la posizione delle goccioline sono state ottenute monitorando il tempo5. Per le goccioline generate dalla bocca, la variazione temporale della portata e la distribuzione dimensionale delle goccioline della fonazione e della tosse sono fornite come condizioni al contorno sulla base dei dati misurati dagli esperimenti. Come esempio di modelli a goccioline, Bale et al. utilizzato un modello parlante4. Inoltre, esistono diversi modelli di goccioline basati su misurazioni reali, come il modello della tosse12,13, il modello dello starnuto14, un caso in cui la bocca è aperta e chiusa anche con un colpo di tosse14, conversazione a volume normale e conversazione ad alta voce5 . Come mostrato in questi modelli, le variazioni nel numero di goccioline e nella portata sono influenzate dalla lingua, dalla forma parlata e dalle differenze individuali e la differenza dipende in modo significativo dalla letteratura. Per eseguire un'analisi con fluidodinamica computazionale che corrisponda più da vicino ai fenomeni reali, dovrebbero essere raccolti più dati misurati e dovrebbe essere costruito un database con modelli di goccioline più approfonditi, come la generazione di goccioline nel tratto respiratorio15.