Application of CFD to study the dynamics of droplets expelled during coughing

Abstract

Este estudo investiga o comportamento das gotículas respiratórias em ambientes internos, aplicando o método Euleriano-Lagrangeano para melhorar a compreensão da transmissão de gotículas no contexto de Doenças Respiratórias Infecciosas (DRIs). A pesquisa está dividida em quatro seções principais. A primeira parte avalia os efeitos de diferentes modelos de turbulência—SST k-ω, k-ε padrão e Tensões de Reynolds—sobre a evaporação de uma única gotícula, com o objetivo de identificar um modelo que seja preciso e computacionalmente eficiente. A segunda parte compara o uso de malhas tetraédricas e hexaédricas graduadas na simulação do comportamento das gotículas, avaliando sua eficácia relativa e o custo computacional. Na terceira parte, é examinado o efeito do acoplamento de fase, o tamanho das gotículas e a umidade relativa sobre o processo de evaporação, enquanto a quarta parte explora o impacto das condições de contorno do vento na dispersão das gotículas. Para validar ainda mais os resultados, os modelos desenvolvidos foram aplicados nas condições climáticas de São Carlos, São Paulo, Brasil, para observar o comportamento das gotículas em um ambiente real. Os resultados demonstram que as malhas hexaédricas fornecem uma representação mais precisa do comportamento das gotículas em comparação com as malhas tetraédricas, que apresentaram discrepâncias com estudos anteriores. O efeito do acoplamento de fase foi encontrado como mínimo, com as gotículas menores evaporando rapidamente, independentemente da umidade ambiente, enquanto as gotículas maiores caíam ao chão. O estudo também revela que níveis mais altos de umidade desaceleram a evaporação, com gotículas de tamanho médio (cerca de 50 µm) persistindo por mais tempo e viajando mais longe—até aproximadamente 1,40 metros. Isso sugere uma distância mínima de distanciamento social em ambientes internos e tranquilos para minimizar a transmissão de DRIs. Além disso, gotículas menores evaporaram rapidamente e sua dispersão aumentou com velocidades de vento mais baixas. A pesquisa conclui que a condição de contorno de não-deslizamento é mais econômica para simulações em ambientes internos. Esses resultados contribuem com valiosas informações para entender o comportamento das gotículas e otimizar modelos para análise da transmissão de DRIs em espaços fechados.