I början av april 2021, Antalet smittade under COVID-19-pandemin hade ökat till mer än 130 miljoner människor varav mer än 2,8 miljoner dog. SARS-CoV-2-viruset som är ansvarigt för COVID-19 överförs särskilt av droppar eller aerosoler som avges när en infekterad person talar, nysningar eller hosta. Så här sprids virus och andra patogener genom miljön och överför infektionssjukdomar när de andas in av någon annan.

Kapaciteten hos dessa partiklar att förbli suspenderade i luften och att spridas i miljön beror till stor del på storleken och arten av luftflödet som genereras av luftens utlopp. Som med andra luftburna infektionssjukdomar som tuberkulos, vanlig influensa eller mässling, den roll som vätskedynamiken spelar är nyckeln till att förutsäga infektionsrisken genom att andas in dessa partiklar i suspension.

Vid en hosthändelse som varar i 0,4 sekunder och har en maximal utandningshastighet på 4,8 m/s, flödet genererar först en turbulent luftström som är varmare och fuktigare än miljön. När utgången är över, strömmen förvandlas till en luftpuff som stiger på grund av flyt och dess brist på vikt medan den försvinner.

Partiklarna som transporteras av detta flöde bildar moln, vars banor beror på deras storlek. Dynamiken hos de största partiklarna styrs av gravitationen och beskriver paraboler med en tydlig horisontell gräns. Trots deras begränsade förmåga att stanna kvar i avstängning och det begränsade horisontella omfånget, virusbelastningen kan vara hög eftersom den är stor (diametrar större än 50 mikron).

I kontrast, de minsta partiklarna (med diametrar kortare än 50 mikron) transporteras genom inverkan av luftflöde. Dessa aerosoler kan förbli i suspension under längre tid och de sprider sig över ett större område. De största partiklarna finns kvar i luften i några sekunder medan de minsta kan förbli suspenderade i upp till några minuter, Även om deras virusbelastning är mindre, dessa aerosoler kan komma igenom ansiktsmasker och flyttas från rum till rum, till exempel, genom ventilationssystem. Retentionsprocenten av ansiktsmasker minskar när partiklarna är mindre.

Partikelmolnets beteende beror på partiklarnas storlek och kan kompliceras av effekterna av avdunstning, vilket gradvis minskar dropparnas diameter.

Med stöd av Consortium of University Services of Catalonia, forskargruppen utgör URV:s avdelning för maskinteknik, ledd av Alexandre Fabregat och Jordi Pallarés, i samarbete med forskare från University of State of Utah och University of Illinois, har använt högpresterande numeriska simuleringar för att i oöverträffade detaljer studera processen för aerosoldispersion som genereras av hosta eller nysningar. Detaljnivån var så hög att de behövde betydande beräkningskraft och många processorer av en superdator som arbetade samtidigt.

Resultaten indikerar att luftflödet som produceras vid utandningen bär partiklar på mindre än 32 mikron över utsläppshöjden, som genererar ett moln som har en stor kapacitet att förbli i suspension och spridas av luftströmmar över ett betydande avstånd. De största partiklarna har en begränsad omfattning som inte förändras av effekten av avdunstning under förskjutningen till marken. Under antagande av de vanliga virusbelastningarna för infektionssjukdomar, resultaten användes för att rita en karta över koncentrationen av viruspartiklar runt den infekterade personen efter att de hade hostat eller nysat.

Denna forskning har publicerats som två vetenskapliga artiklar i tidskriften Vätskans fysik med titlarna "Direkt numerisk simulering av det turbulenta flödet som genereras under en våldsam expiratorisk händelse" och "Direkt numerisk simulering av turbulent spridning av evaporativa aerosolmoln som produceras av en intensiv utandningshändelse." Båda artiklarna presenterades på framsidan på grund av deras vetenskapliga inverkan.