Experimental study of a human-like exhaled airflow configuration and droplets dynamics in indoor environment - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Experimental study of a human-like exhaled airflow configuration and droplets dynamics in indoor environment

Étude expérimentale du jet expiré et de la dynamique des gouttelettes dans l'environnement intérieur

Résumé

The infection rates of the coronavirus disease 2019 pandemic revealed the gaps in our understanding of the transmission of airborne diseases. In literature, both short-range transfer of pathogens by droplets, and long-range transfer by airborne dry residues were studied. However, the results are contradictory, and the role of each of these transmission routes is not clear. This was translated to ineffective control measures at the beginning of the pandemic. The research gap in the transmission of infectious diseases is linked to the lack of quantitative data about the physics of human exhalation in gaseous and droplet phases. This study started with a comprehensive literature review on the experimental techniques applied to the characterization of the exhaled air flow and droplets. A new methodology is proposed to tackle the problem using a non-intrusive measurement technique to explore the droplets dynamics in a well-defined gas flow field and providing quantitative data. The objective of this study is to analyze the evolution of the droplet size and droplet velocity with respect to distance. The experiment comprises two parts: airflow field measurements and droplet measurements. The first part targets the characterization of the airflow field in terms of the velocity field and turbulence. While the droplets’ part studies the change of the size and velocity in this flow field at different distances from the source. The measurements were conducted inside an environmental chamber (2.7 m x 2.0 m x 3.0 m) that is designed as part of this study. Air is injected inside this chamber at a temperature of 34°C and humidity of more than 95% through a nozzle of 1 cm diameter. In the first part of the experiment, DEHS was used as a tracer to characterize the airflow velocity field using a two-component Laser Doppler Anemometry (LDA) and Phase Doppler Anemometry (PDA) system. In the of 0.8 m, we identified the jet characterizing parameters, namely, centerline velocity decay, axial and radial velocity profiles, in addition to the turbulent intensity. For the study of the droplets, the airflow is laden with 48 μm monodispersed droplets of NaCl-water solution. The analysis of the droplet dynamics is carried out by exploring the change of droplet size and velocity in the horizontal axis and vertical profiles at a distance up to 0.4 m from the jet source. In this range, the effect of the droplet evaporation on the size distribution was not observed.
Les taux d'infection de la pandémie de coronavirus de 2019 ont révélé les lacunes de notre compréhension de la transmission des maladies par voie aérienne. Dans la littérature, le transfert à courte distance des agents pathogènes par les gouttelettes et le transfert à longue distance par les résidus secs en suspension dans l'air ont été étudiés. Cependant, les résultats sont contradictoires, et le rôle de chacune de ces voies de transmission n'est pas clair. Cela s'est traduit par des mesures de contrôle inefficaces au début de la pandémie. Les lacunes de la recherche sur la transmission des maladies infectieuses sont liées au manque de données quantitatives sur la physique de l'exhalation humaine en phases gazeuse et de gouttelettes. Cette étude a commencé par une revue détaillée de la littérature sur les techniques expérimentales appliquées à la caractérisation du flux d'air expiré et des gouttelettes. Une nouvelle méthodologie est proposée pour aborder le problème en utilisant une technique de mesure non intrusive pour explorer la dynamique des gouttelettes dans un champ d'écoulement gazeux bien défini et fournir des données quantitatives. L'objectif de cette étude est d'analyser l'évolution de la taille et de la vitesse des gouttelettes en fonction de la distance. Cette étude comprend deux parties : les mesures du champ d'écoulement de l'air et les mesures des gouttelettes. La première partie vise à caractériser le champ d'écoulement de l'air en termes de champ de vitesse et de turbulence. Alors que la partie concernant les gouttelettes étudie le changement de la taille et de la vitesse dans ce champ d'écoulement à différentes distances de la source. Les mesures ont été effectuées à l'intérieur d'une chambre environnementale (2,7 m x 2,0 m x 3,0 m) qui est conçue dans le cadre de cette étude. L'air est injecté à l'intérieur de cette chambre à une température de 34°C et une humidité de plus de 95% à travers une buse de 1 cm de diamètre. Dans la première partie de l'expérience, le DEHS a été utilisé comme traceur pour caractériser le champ de vitesse de l'écoulement d'air à l'aide d'un système d'anémométrie Doppler laser (LDA) et d'anémométrie Doppler phase (PDA) à deux composantes. Dans l'espace de 0,8 m, nous avons identifié les paramètres caractérisant le jet, à savoir la décroissance de la vitesse sur la ligne centrale, les profils de vitesse axiale et radiale, ainsi que l'intensité turbulente. Pour l'étude des gouttelettes, le flux d'air est chargé de gouttelettes monodispersées de 48 μm de solution NaCl-eau. L'analyse de la dynamique des gouttelettes est effectuée en explorant le changement de la taille et de la vitesse des gouttelettes dans l'axe horizontal et les profils verticaux à une distance allant jusqu'à 0,4 m de la source du jet. Dans cette plage, l'effet de l'évaporation des gouttelettes sur la distribution de taille n'a pas été observé.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04022879 , version 1 (10-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04022879 , version 1

Citer

Khansa Mahjoub Mohammed Merghani. Experimental study of a human-like exhaled airflow configuration and droplets dynamics in indoor environment. Environmental Engineering. Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12, 2021. English. ⟨NNT : 2021PA120047⟩. ⟨tel-04022879⟩
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