Una presa d'aria frontale può migliorare la ventilazione naturale negli autobus urbani

Mar 18, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21256 (2022) Citare questo articolo

786 accessi

1 Citazioni

16 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

In questo rapporto si analizza il flusso d'aria attraverso i finestrini aperti (ventilazione naturale) di un modello di autobus urbano e la conseguente dispersione degli aerosol emessi nell'area passeggeri. I metodi includono simulazioni fluidodinamiche computazionali e tre modi per caratterizzare la dispersione dei traccianti passivi: un modello basato sulla concentrazione continua, un modello casuale discreto e uno scalare parametrico basato sulla cosiddetta età media dell'aria. Abbiamo anche condotto esperimenti utilizzando un modello di autobus in scala 1:10 e \(\text{CO}_{2}\) come tracciante passivo per valutare le caratteristiche di ventilazione. Abbiamo scoperto che la dispersione e l’espulsione degli aerosol sono guidate da una pressione negativa nel design standard degli autobus dotati di finestrini laterali. Inoltre, l'età media dell'aria è di 6 minuti mentre il flusso d'aria favorisce l'accumulo di aerosol nella parte anteriore (zona conducente). Per accelerare l'espulsione degli aerosol e ridurne l'accumulo in cabina, proponiamo un prototipo di carrozzeria per autobus con presa d'aria frontale. Tutti i modelli numerici e gli esperimenti condotti in questo lavoro concordano sul fatto che l’espulsione di aerosol in questa nuova configurazione aumenta significativamente mentre l’età media dell’aria si riduce a 50 secondi. Il flusso d'aria medio cambia anche con la presenza di prese d'aria frontali e, di conseguenza, l'espulsione degli aerosol è ora guidata da un campo di velocità frontale.

La pandemia di Covid-19 ha motivato diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo a intensificare le indagini sui contaminanti presenti nell’aria. Sebbene per giungere a conclusioni definitive si debbano ancora attendere esperimenti più rigorosi e controllati1,2, un numero crescente di prove e casi di studio hanno sottolineato l'importanza che ha il flusso d'aria nei tempi di trasmissione e residenza delle goccioline contenenti virioni durante la propagazione del virus. pandemia3,4,5,6, in particolare in luoghi con scarsa sicurezza come aree confinate, affollate o scarsamente ventilate1,7 (per i casi di trasmissione nei trasporti pubblici vedere Rif.3,8, vedere anche Rif.9 per un esperimento di trasmissione di aerosol utilizzando modelli animali). È stato quindi lanciato un appello generale a spostarsi o preferire attività all'aperto, se possibile10,11, insieme alla pratica regolare di altre misure di sicurezza come la ventilazione frequente12, l'uso di maschere o la pratica del distanziamento fisico. L'obiettivo di questo rapporto è offrire linee guida generali e proporre nuovi progetti per migliorare la ventilazione e il tasso di espulsione degli aerosol emessi all'interno degli autobus urbani; in particolare, queste linee guida possono aiutare in situazioni di emergenza come quella che abbiamo recentemente vissuto.

Studi sui flussi turbolenti all'interno degli autobus urbani, insieme alla propagazione delle specie aerodisperse indotte da tali flussi, sono già stati condotti da diversi gruppi di ricerca utilizzando simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). In un primo gruppo di lavori troviamo quelli che considerano flussi turbolenti all'interno di un autobus generati da un sistema di climatizzazione8,13,14,15. In questa situazione, la posizione degli ingressi e degli scarichi dell'aria, insieme alla quantità di aria ricircolata o alla quantità di aria fresca aggiunta alla miscela, possono essere considerate variabili di progettazione per testare diverse modalità di ventilazione e migliorare l'espulsione degli aerosol emessi internamente. D'altra parte, un secondo insieme di studi ha simulato flussi turbolenti in cabina formatisi a scapito dell'aria esterna che scorre attraverso i finestrini aperti dell'autobus, o senza sistema di climatizzazione, come accade in molti paesi dell'America Latina, Asia e Paesi africani; questi documenti8,16,17,18,19 costituiscono il contesto principale del presente rapporto. Innanzitutto, la maggior parte di questi studi hanno messo in luce un flusso caratteristico all’interno degli autobus urbani che potrebbe non essere evidente a prima vista: contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, quando un autobus si muove ad una certa velocità avendo un numero fisso di finestrini aperti, l'aria esterna entra dai finestrini posteriori e poi viaggia verso la parte anteriore spingendo o spazzando via gli aerosol, in media, da dietro in avanti. Questo flusso controintuitivo si verifica perché la pressione è inferiore nelle finestre anteriori rispetto ai valori nella parte posteriore, causando questo flusso guidato dalla pressione. Un'altra osservazione importante tratta da questi studi è il fatto che, non a caso, la rimozione delle particelle interne viene accelerata quando i finestrini dell'autobus sono aperti8. In particolare, Li e colleghi16 hanno studiato le caratteristiche del flusso e la resistenza dei contaminanti generati da diverse disposizioni di finestre aperte; È importante sottolineare che l'apertura del finestrino del conducente insieme ai finestrini situati al centro dell'autobus può portare ad un osservabile "effetto pompa" che trasporta l'aria dalla parte posteriore alla parte anteriore, come già menzionato. Gli articoli di Li così come altri lavori16,20,21 si sono concentrati principalmente sul trasporto di inquinanti generati all'esterno dell'autobus, come i gas di scarico dei motori, che possono poi infiltrarsi verso l'interno dell'autobus, o sulla distribuzione della temperatura all'interno dell'autobus generata dal campo di flusso e dal suo impatto sui livelli di comfort termico17,19. Solo Zhang et al.8 hanno considerato esplicitamente il problema degli aerosol emessi e trasportati all'interno di un autobus ma senza seguirne l'espulsione verso l'esterno (si veda anche il lavoro di Mesgarpour22 sulla diffusione delle goccioline all'interno di un autobus chiuso). Pertanto, è necessario condurre un nuovo studio sul trasporto e l'espulsione degli aerosol che si verificano attraverso i finestrini aperti di un autobus urbano risolvendo contemporaneamente i flussi esterni ed interni.