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La Fluidodinamica Computazionale: come sta aiutando durante la pandemia da Coronavirus

Un excursus di carattere tecnico-scientifico in merito all’utilizzo di tecniche di fluidodinamica computazionale per la caratterizzazione e la stesura delle normative anti contagio.

 

La Pandemia in atto ha portato con sé un bel po’ di problemi da analizzare e risolvere; per questo, gli ingegneri e il personale tecnico, si sono da subito attivati per affrontare al meglio questa nuova sfida cercando di fornire al fenomeno un modello matematico il più predittivo possibile, ma non mi riferisco solo al famoso modello di curva Gaussiana per mostrare l’andamento dei contagi, bensì, uno che, sebbene caratterizzi un fenomeno più banale della crescita dei contagi, si mostra essere molto più complicato, ma andiamo per gradi.

Cosa è la Fluidodinamica Computazionale e per cosa è in genere usata?

Il metodo di analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) in breve, è lo svolgimento iterativo delle equazioni di Navier-Stokes e/o Eulero relativamente all’azione di un fluido su di un corpo e/o viceversa, applicato a regioni dello spazio discretizzate da una ‘ griglia di calcolo ‘ più comunemente chiamata mesh, essa non è altro che la suddivisione di un modello tridimensionale  in tanti ‘punti’ chiamati tecnicamente nodi, tale suddivisione rende possibile lo svolgimento puntuale di suddette equazioni.  Pertanto ai fini della riuscita della simulazione è necessario disporre di un modello tridimensionale dell’oggetto da simulare. Tali analisi computazionali si sono dimostrate sin da subito utili per la soluzione di problemi in campo aereonautico in quanto è possibile simulare le ali e la fusoliera di un qualsiasi aeroplano al fine di ottenere i valori di portanza e resistenza aereodinamica oppure al fine di visualizzare turbolenze generate da una particolare configurazione geometrica e tanto altro. Non mancano all’appello degli oggetti simulati: impianti idraulici, turbomacchine, alettoni e appendici aereodinamiche di automobili da corsa e, come accade nell’ultimo decennio, anche di automobili per l’utilizzo comune, studiate dal punto di vista aereodinamico con strumenti CFD per migliorarne il famoso Cx (coefficiente di penetrazione aereodinamica lungo l’asse di avanzamento) senza ricorrere a costose attrezzature sperimentali quali la galleria del vento.

Dagli Aeroplani alle goccioline di muco e saliva potenzialmente infette

Dal momento che le priorità tecniche in tempi di pandemia subiscono modifiche sostanziali, non sono mancate idee in merito all’utilizzo di tale tipologia di simulazione per capire come si muovessero le particelle espulse dal corpo umano (chiamate in gergo degli ultimi tempi ‘droplets’ ) all’interno dell’ambiente e diventare così potenziale veicolo di contagio. Tali modelli di calcolo; strutturati per simulare l’azione di starnuti e tosse all’interno di ambienti tipicamente frequentati dal pubblico, quali: sale d’attesa, bagni pubblici, teatri, cinema e marciapiedi particolarmente gremiti, hanno sin da subito dimostrato (con accuratezze tali da permettere la complicazione del modello di calcolo tramite l’introduzione dell’aria condizionata accesa o spenta in ambienti chiusi) che la distanza minima raccomandata di almeno 1-1,5 metri risulta essere il metodo più efficace per prevenire il contagio, infatti dalla simulazione si nota che: a causa della direzionalità che il nostro naso fornisce agli starnuti, tale distanza è la minima affinché le particelle di saliva e muchi potenzialmente infette espulse da uno starnuto frontalmente ad un altro individuo finiscano al di sotto della vita e quindi siano respirate il meno possibile.  Stesse condizioni di simulazione hanno svolto un ruolo fondamentale nella dimostrazione dell’efficacia dell’utilizzo di dispositivi di protezione individuale come mostrato nella figura di seguito.

 

Importanza delle Simulazioni CFD per l’elevata velocità con la quale si ottengono i risultati

Le Simulazioni CFD in campo medico non sono una novità degli ultimi mesi, ma hanno trovato largo utilizzo nelle condizioni di pandemia poiché permettono di simulare ampie condizioni e occasioni di contagio in un tempo relativamente ristretto, infatti, se si dispone di una potenza di calcolo sufficiente, è possibile ottenere l’andamento delle particelle espulse da uno starnuto e come esse si muovono nei 5 minuti successivi in una sala d’attesa simulando anche l’aria condizionata in appena 3 ore di computazione. E’ relativamente veloce anche la simulazione di particelle minuscole di aria e saliva (chiamate ‘aerosol’) in condizioni in cui 2 persone si trovano a tenere un discorso l’una difronte all’altra indossando entrambe le mascherine o entrambe senza, rendendo palese la conclusione che essa è estremamente necessaria per il contenimento della pandemia.

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