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Jun 27, 2023

Investigação das características bimodais da distribuição do tamanho das gotas em spray de condensação

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12006 (2023) Citar este artigo 211 Acessos Detalhes das métricas Para entender o processo de geração de gotículas transportadas pelo ar durante a expiração, este estudo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12006 (2023) Citar este artigo

211 Acessos

Detalhes das métricas

Para compreender o processo de geração de gotículas transportadas pelo ar durante a expiração, este estudo investiga o mecanismo das características bimodais da distribuição de tamanho das gotículas geradas em um fluxo de pulverização condensado. O processo de mudança de fase no fluxo de pulverização condensado foi estimado com base na distribuição do tamanho das gotas medida por um analisador de partículas Doppler de fase e na distribuição de temperatura medida por um termistor. No eixo central, a distribuição granulométrica foi unimodal no interior da calda. Em contraste, foi observada bimodalidade da distribuição de tamanho na borda externa do fluxo de pulverização. Na borda do fluxo de pulverização, formou-se um grande gradiente de temperatura. Isto indica que a condensação ocorreu ativamente na borda externa. Pela mesma razão descrita acima, a condensação não progrediu no centro da pulverização devido ao consumo de vapor de água na borda externa pela condensação, e o diâmetro da gota não mudou significativamente. Assim, devido à diferença no processo de mudança de fase local entre o centro e a borda externa da pulverização, gotas grandes e pequenas podem existir simultaneamente na região intermediária. Como resultado, a distribuição de tamanho do spray de condensação é bimodal.

A COVID-19 foi identificada pela primeira vez na cidade chinesa de Wuhan, no final de 2019, e desde então se espalhou pelo mundo. Ele continua a sofrer mutações e devastar o mundo. São medidas viáveis ​​e razoáveis ​​para evitar medidas “herméticas”, “densas” e “fechadas” na fase em que a contramedida não foi estabelecida, não apenas para a doença viral infecciosa do novo coronavírus, mas também para qualquer infecção desconhecida pelo ar/gotículas. A contramedida para a “estanqueidade” é a ventilação do espaço e a purificação do ar. Esta tecnologia pode contribuir para a engenharia mecânica e a engenharia de fluidos. Wei e Li1 resumiram a infecção por aerossol no ambiente interno. Eles mencionaram que o alcance das vias de transmissão depende do diâmetro da gota. Assim, o transporte de gotículas pelo fluxo de ar gerado no ambiente interno é essencial para projetar e avaliar o sistema de ventilação. Ao projetar o arranjo de sistemas de ventilação, sistemas de purificação de ar e esterilizadores, o caminho de difusão e o período de gotículas no ar devem ser previstos com base na teoria e na análise numérica. Em resposta a este novo coronavírus, investigadores no campo da dinâmica de fluidos computacional em todo o mundo estão a realizar análises numéricas de gotículas. Stiehl et al.2 realizaram uma simulação numérica do transporte e evaporação de gotículas liberadas por espirros. Ah e outros. realizaram uma análise numérica de fluidos da ventilação interna3 e compararam numericamente a eficiência de remoção de gotículas e núcleos de gotículas causadas pela tosse entre ventilação mecânica e ventilação natural. O grupo de pesquisa liderado por Tsubokura também reproduziu numericamente o espalhamento de gotículas e aerossóis e os efeitos da ventilação em diversos ambientes internos4 e churrasqueiras externas5, por meio de uma análise numérica em larga escala utilizando Fugaku6. Além disso, o transporte de gotículas foi simulado em diversas situações, como sala de aula7, restaurante8, ônibus urbano9, avião10 e sistema de ar condicionado11.

Na análise da dinâmica de fluidos computacional, o movimento das gotas foi rastreado de forma Lagrangiana usando uma equação de movimento que considera a força aerodinâmica baseada na velocidade relativa com o ar circundante para cada gota. A velocidade e a posição das gotículas foram obtidas por meio do rastreamento do tempo5. Para gotículas geradas a partir da boca, a variação temporal da taxa de fluxo e a distribuição do tamanho das gotículas da fonação e da tosse são dadas como condições de contorno com base nos dados medidos dos experimentos. Como exemplo de modelos de gotículas, Bale et al. utilizou um modelo falante4. Além disso, existem vários modelos de gotículas baseados em medidas reais, como modelo de tosse12,13, modelo de espirro14, caso em que a boca fica aberta e fechada mesmo com tosse14, conversa em volume normal e conversa em voz alta5 . Conforme mostrado nesses modelos, as variações no número de gotas e na vazão são afetadas pelo idioma, pela forma de falar e pelas diferenças individuais, e a diferença depende significativamente da literatura. Para realizar uma análise com dinâmica de fluidos computacional que corresponda mais de perto aos fenômenos reais, mais dados medidos devem ser coletados e um banco de dados deve ser construído com modelos de gotículas mais aprofundados, como geração de gotículas no trato respiratório15.