Uma entrada de ar frontal pode melhorar a ventilação natural em ônibus urbanos

Mar 18, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21256 (2022) Citar este artigo

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Neste relatório analisamos o fluxo de ar pelas janelas abertas (ventilação natural) de um modelo de autocarro urbano e a consequente dispersão dos aerossóis emitidos na zona de passageiros. Os métodos incluem simulações de fluidodinâmica computacional e três formas de caracterizar a dispersão de traçadores passivos: um modelo contínuo baseado em concentração, um modelo aleatório discreto e um escalar paramétrico baseado na chamada idade média do ar. Também conduzimos experimentos usando um modelo de ônibus em escala 1:10 e \(\text{CO}_{2}\) como um rastreador passivo para avaliar as características da ventilação. Descobrimos que a dispersão e expulsão de aerossóis é impulsionada por uma pressão negativa no projeto de ônibus padrão equipado com janelas laterais. Além disso, a idade média do ar é de 6 minutos enquanto o fluxo de ar promove acúmulo de aerossóis para a frente (área do motorista). Para acelerar a expulsão de aerossóis e reduzir seu acúmulo na cabine, propomos um protótipo de carroceria de ônibus com entrada de ar frontal. Todos os modelos numéricos e experimentos realizados neste trabalho concordam que a expulsão de aerossóis nesta nova configuração é significativamente aumentada enquanto a idade média do ar é reduzida para 50 segundos. O fluxo de ar médio também muda com a presença de entradas de ar frontais e, como consequência, a expulsão de aerossóis agora é impulsionada por um campo de velocidade frontal.

A pandemia de Covid-19 motivou diferentes grupos de pesquisa em todo o mundo a intensificar a investigação de contaminantes transportados pelo ar. Embora conclusões definitivas ainda tenham que esperar experimentos mais rigorosos e controlados1,2, uma quantidade crescente de evidências e casos de estudo enfatizaram a importância do fluxo de ar nos tempos de transmissão e residência de gotículas contendo vírions durante a propagação do vírus pandemia3,4,5,6, particularmente em locais com pouca segurança, como áreas confinadas, lotadas ou mal ventiladas1,7 (para casos de transmissão no transporte público, consulte Refs.3,8, consulte também Ref.9 para um experimento de transmissão de aerossol usando modelos animais). Assim, foi feito um apelo geral para se deslocar ou preferir atividades ao ar livre, se possível10,11, juntamente com a prática regular de outras medidas de segurança, como ventilação frequente12, uso de máscara ou prática de distanciamento físico. O objetivo deste relatório é oferecer diretrizes gerais e propor novos projetos para melhorar a taxa de ventilação e expulsão de aerossóis emitidos dentro de ônibus urbanos; em particular, essas diretrizes podem ajudar em emergências como a que experimentamos recentemente.

Estudos sobre escoamentos turbulentos dentro de ônibus urbanos, juntamente com a propagação de espécies aerotransportadas induzidas por tais escoamentos, já foram realizados por diversos grupos de pesquisa utilizando simulações computacionais de dinâmica de fluidos (CFD). Em um primeiro grupo de trabalhos encontramos aqueles que consideram escoamentos turbulentos dentro de um ônibus gerados por um sistema de ar condicionado8,13,14,15. Nesta situação, a posição das entradas e saídas de ar, juntamente com a quantidade de ar recirculado ou quantidade de ar fresco adicionada à mistura, podem ser consideradas como variáveis ​​de projeto para testar diferentes modos de ventilação e melhorar a expulsão dos aerossóis emitidos internamente. Por outro lado, um segundo conjunto de estudos simulou fluxos turbulentos na cabine formados às custas do ar externo fluindo pelas janelas abertas do ônibus, ou sem sistema de ar condicionado, como acontece em muitos países latino-americanos, asiáticos e países africanos; esses trabalhos8,16,17,18,19 conformam o pano de fundo principal do presente relato. Em primeiro lugar, a maioria desses estudos revelou um fluxo característico dentro de ônibus urbanos que pode não ser óbvio à primeira vista: ao contrário do que se poderia esperar, quando um ônibus se move a uma determinada velocidade com um número fixo de janelas abertas, o ar externo entra pelas janelas traseiras e depois viaja para a frente empurrando ou varrendo os aerossóis de trás para frente, em média. Esse fluxo contra-intuitivo ocorre porque a pressão é menor nas janelas frontais em comparação com os valores na parte traseira, causando esse fluxo acionado por pressão. Outra observação importante retirada desses estudos é o fato de que, não surpreendentemente, a remoção de partículas internas é acelerada quando as janelas do ônibus estão abertas8. Em particular, Li e colaboradores16 estudaram as características de fluxo e arrasto de contaminantes gerados por diferentes arranjos de janelas abertas; mais importante, eles observaram que abrir a janela do motorista junto com as janelas localizadas no meio do ônibus pode levar a um "efeito de bombeamento" observável que transporta o ar de trás para a frente, como já mencionado. Os trabalhos de Li, assim como outros trabalhos16,20,21, têm se concentrado principalmente no transporte de poluentes gerados fora do ônibus, como os gases de escape do motor, que podem então se infiltrar em direção ao interior do ônibus, ou na distribuição de temperatura dentro do ônibus gerada pelo campo de escoamento e seu impacto nos níveis de conforto térmico17,19. Apenas Zhang et al.8 consideraram explicitamente o problema dos aerossóis emitidos e transportados dentro de um ônibus, mas sem acompanhar sua expulsão para o exterior (consulte também o trabalho de Mesgarpour22 sobre a propagação de gotículas dentro de um ônibus fechado). Assim, é necessário realizar um novo estudo sobre o transporte e expulsão de aerossóis que ocorrem através das janelas abertas de um ônibus urbano resolvendo os fluxos externo e interno simultaneamente.