La aplicación COVID de la TU Delft se centra en facilitar y estandarizar las simulaciones numéricas que implican actividades espiratorias humanas(estornudos, tos, habla y respiración), permitiendo a ingenieros con un nivel básico de dinámica de fluidos realizar simulaciones fiables de entornos personalizados(cines, hospitales, salas de reuniones, etc.).
La app COVID de TU Delft está construida para su uso junto con Ansys Fluent, uno de los software comerciales más completos para simulaciones fluidodinámicas. La app configura automáticamente una simulación en Ansys fluent las siguientes entradas definidas por el usuario:
Tamaño de la habitación (ancho x largo x alto)
Número y ubicación de las ventanas y puertas
Temperatura y humedad relativa de la habitación
Número de personas en la sala
Posiciones de pie o sentado
Altura, peso y sexo de cada persona
Ubicación de cada individuo en la sala y dirección de visión
Actividad espiratoria de cada individuo (estornudar, toser, hablar o respirar)
Evaporación de gotas on/off
Deje su correo electrónico para recibir actualizaciones sobre la aplicación TU Delft COVID
A continuación, la aplicación crea automáticamente la geometría, el mallado y configura la simulación en Fluent como se indica a continuación:
Flujo inestable
Modelo de fase discreta (DPM) para inyecciones de partículas
SST k- modelo de turbulencia
La aplicación también compila y conecta automáticamente funciones definidas por el usuario (UDF) que controlan el caudal transitorio y la dirección del aire húmedo expulsado por la boca y las fosas nasales, el caudal másico transitorio y la distribución del tamaño de las gotas expulsadas.
Todas las actividades espiratorias humanas se simulan basándose en datos científicos publicados en revistas científicas de prestigio y en experimentos de Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV) realizados con humanos exclusivamente para la creación de esta app. Los detalles de los datos utilizados se proporcionan en el manual de la app. Asimismo, en el manual se ofrecen las mejores prácticas para las simulaciones, ejemplos y directrices sobre cómo realizarlas.
La pandemia de COVID-19
La pandemia de COVID-19 ha alterado drásticamente el funcionamiento de nuestra sociedad, afectando a las rutinas de la gente y a sus relaciones personales. Incluso los sistemas sanitarios más preparados se vieron desbordados, lo que exigió una rápida reacción de los políticos, que tuvieron que responder imponiendo políticas de distorsión social basadas en los datos científicos disponibles. En la comunidad de dinámica de fluidos, que incluye a los científicos más destacados en la investigación relacionada con la propagación de virus a través del aire, se reconoció ampliamente la falta de comprensión de la dinámica de las actividades espiratorias humanas que conducen a la transmisión de gotitas que contienen virus, como toser y estornudar, pero también respirar y hablar. Durante la pandemia, hemos visto cómo muchas instituciones se esforzaban por definir los mejores métodos de prevención, haciendo malabarismos entre llevar mascarilla o no y cambiando de opinión con el tiempo sobre el contagio por vía aérea. La verdad es que no estábamos preparados para esta pandemia y, aunque los científicos tuvieron que apresurarse a dar respuestas, siguieron aprendiendo por el camino.
Prevención contra los virus respiratorios
La prevención contra el SARS-CoV-2, el virus responsable de la propagación de la enfermedad COVID-19, o contra cualquier futuro virus respiratorio mortal, es una tarea que sólo puede lograrse con éxito mediante un esfuerzo de colaboración entre dinamicistas de fluidos y médicos. El papel de los primeros consiste en investigar, experimentalmente y mediante simulaciones, la velocidad del aire, el tamaño y la concentración de las gotitas espiratorias, cómo se evaporan en el tiempo en función de la temperatura y la humedad ambientales, y cómo se transportan estas gotitas en el aire desde el momento en que salen de la boca o la fosa nasal de una persona contaminada hasta que llegan a un individuo expuesto o se depositan en las superficies. Además, cada actividad espiratoria humana es diferente, algunos expulsan gotas a mayor velocidad y otros en mayor cantidad. Aunque los programas de simulación comerciales actuales son capaces de realizar simulaciones de alta fidelidad, la simulación de las actividades espiratorias humanas requiere varias entradas científicas que no están disponibles de inmediato en los programas. La elección de los parámetros de entrada correctos para realizar una simulación representativa de la realidad es tan importante como el propio software.
Simulaciones inestables con la aplicación COVID de TU Delft
Se han realizado algunas simulaciones para ilustrar las capacidades de la aplicación. A continuación se muestra la simulación de un hombre tosiendo en una habitación estrecha sin ventilación. La imagen muestra cuatro instancias temporales diferentes. La tos es un acontecimiento rápido y dura unos 0,6 s. El diámetro de las gotas de agua expulsadas durante la tos oscila entre 1 y 2.000 micrómetros (barra de color arco iris). Tras la tos, las partículas siguen avanzando debido a la inercia. Poco a poco pierden velocidad debido a la resistencia del aire y caen por efecto de la gravedad. La turbulencia generada por la tos ayuda a dispersar las partículas. El aire que sale del cuerpo (unos 33 C) está más caliente que el ambiente (20 C) y se mueve ligeramente hacia arriba. Junto con la naturaleza recirculante del flujo turbulento, ayuda a mantener algunas partículas en el aire. Como se observa en el último instante, unos 20 segundos después de la tos, la mayoría de las partículas mayores de 100 micrómetros han caído, las partículas mayores de 50 micrómetros siguen una trayectoria de caída clara, mientras que las partículas menores de este umbral permanecen en el aire y siguen el movimiento del aire (las isosuperficies grises representan una magnitud de velocidad del aire de 10 cm/s) .
A continuación se muestran la densidad del número de partículas (gotas/cm3) y las concentraciones de masa (mg/m3) en dos instantes de tiempo en el plano medio (z = 0,5) que pasa por el eje de simetría del cuerpo. Estas dos cantidades son de extrema importancia para el análisis del riesgo de infección. La concentración de masa puede utilizarse para estimar la cantidad total de viriones inhalados por una persona suponiendo que los viriones se distribuyen uniformemente en la saliva. De esta forma, la cantidad total de viriones inhalados es una fracción de la masa total de saliva inhalada dividida por la masa media de viriones. Los análisis más sofisticados también pueden tener en cuenta el tamaño de las gotitas inhaladas, lo que requiere información sobre la densidad numérica. Las gotitas más pequeñas pueden penetrar más profundamente en los pulmones y pueden ser más infecciosas que las gotitas más grandes.
Un segundo ejemplo muestra a un grupo de cuatro personas. La persona que está de pie tose y respira, mientras que las tres personas sentadas sólo respiran por la nariz. Las gotas sólo se añaden durante la tos y las partículas se rastrean durante la simulación para observar el efecto aislado de la tos. El efecto de la temperatura corporal también se incluye en esta simulación. La velocidad del aire (contornos blanco y amarillo) y la temperatura del aire (contornos blanco y rojo) revelan el movimiento del aire debido a la respiración o la tos y a la flotabilidad generada por los cuerpos calientes. La presencia de los cuerpos que calientan la habitación parece reducir los efectos de flotabilidad del penacho de tos y permanecen en el aire menos partículas en comparación con la simulación anterior. Una pequeña cantidad de partículas grandes permanecen recirculando delante de la persona durante bastante tiempo. Los efectos del flujo externo debido a una ventana abierta, por ejemplo, no se han incluido, pero el usuario podría implementarlos fácilmente.
Además, a continuación se muestra la simulación de una persona estornudando. En este caso, la dirección del estornudo cambia con el tiempo para simular el movimiento de la cabeza, con el eje central de la boca inicialmente inclinado ligeramente hacia arriba y volviendo lentamente a su posición horizontal habitual, sin mover realmente la cabeza del modelo 3D, para evitar complicaciones en la simulación debidas a una malla en movimiento.
Experimentos
Los datos experimentales se utilizan para la validación de las simulaciones numéricas y como entrada, cuando los datos disponibles en la literatura eran incompletos. Las mediciones de la velocidad del aire durante las actividades espiratorias humanas se han realizado en una carpa negra llena de humo de quirófano, mediante la técnica de Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV). Las mediciones se realizaron mientras se hablaba (números o pasaje), se respiraba o se tosía, con y sin máscara. Tres sujetos se ofrecieron voluntarios para la tarea: dos varones (de 32 y 46 años) y una mujer (de 12 años, acompañada por su padre). En la figura siguiente, se muestra la diferencia entre los tres sujetos al toser sin máscara. El adulto más joven parece tener la tos más fuerte, mientras que la tos de la mujer de 12 años es sin duda la más débil. Actualmente, la aplicación no diferencia por edad. En su lugar, tiene en cuenta las diferencias de género, altura y peso, siguiendo la bibliografía (detallada en el manual de la app).
Los experimentos de habla inestable se realizaron mientras se contaban números del 1 al 10 o mientras se recitaba un fragmento del pasaje del arco iris, un discurso utilizado a menudo para el estudio de la voz y la articulación y representativo de los múltiples sonidos de la lengua inglesa:
«Cuando la luz del sol golpea las gotas de lluvia en el aire, éstas actúan como un prisma y forman un arco iris. El arco iris es una división de la luz blanca en muchos colores hermosos. Éstos adoptan la forma de un largo arco redondo, con su trayectoria en lo alto y sus dos extremos aparentemente más allá del horizonte. Hay, según la leyenda, una olla de oro hirviendo en uno de los extremos. La gente busca, pero nadie la encuentra nunca. Cuando un hombre busca algo que está fuera de su alcance, sus amigos dicen que está buscando la olla de oro al final del arco iris».
La inestabilidad del discurso se demuestra en la figura siguiente. La velocidad del flujo y la magnitud de esta medición se utilizan como entrada para las simulaciones.
Velocidad del aire de un varón 32 recitando un fragmento del pasaje del arco iris La medición duró aproximadamente 45 segundos La imagen muestra fotogramas separados por 100 ms
Aunque también se han realizado mediciones con máscaras, el efecto de utilizarlas aún no se ha implementado en la aplicación.
La gente detrás de la aplicación COVID de TU Delft
La aplicación COVID de la TU Delft es fruto de la colaboración entre el Prof. Fulvio Scarano, vicedecano de la facultad de ingeniería aeroespacial y jefe del departamento AWEP de la TU Delft, el experto en mecánica de fluidos Dr. Lorenzo Botto del departamento de procesos y energía de la TU Delft, el experto en simulación Ir. Wouter van den Bos, director general de SDC Verifier y profesor de la facultad de ingeniería mecánica, marítima y de materiales (3mE) de la TU Delft, y el investigador postdoctoral en aerodinámica Ir. David E. Faleiros también de 3mE, TU Delft.
