La simulazione fluidodinamica computazionale per capire come viaggia il virus

Una simulazione 3D ha riprodotto gli effetti di un colpo di tosse in un pronto soccorso ai tempi del Covid-19: è stato possibile riprodurre la dispersione di droplet e aerosol in un ambiente chiuso, simulando esattamente il movimento di particelle biologiche contaminanti nell’ambiente e l’impatto dei sistemi di aerazione sulla loro dispersione. Lo studio è stato realizzato dagli specialisti del Dipartimento di Diagnostica per Immagini e dalla Direzione Sanitaria dell’ospedale Bambino Gesù di Roma, in collaborazione con gli ingegneri di Ergon Research e la Società Italiana di Medicina Ambientale (Sima) per la supervisione tecnico-scientifica. I ricercatori hanno utilizzato potenti strumenti di simulazione fluidodinamica computazionale (CFD – Computational Fluid Dynamics) per ricreare virtualmente una sala d’aspetto di un pronto soccorso pediatrico dotata di sistema di aerazione, con all’interno 6 bambini e 6 adulti senza mascherina. BIMportale ha intervistato gli esperti di fluidodinamica computazionale di Ergon Research, Lorenzo Tarchi (foto a sinistra ) e Lorenzo Mazzei (foto a destra).

Potete tracciare un profilo di Ergon Research?
L’azienda è nata 12 anni fa, fondata da un gruppo di ricercatori dell’Università di Firenze che, dopo un percorso di tipo accademico nel campo dell’ingegneria energetica, ha creato uno spinoff. L’uso di strumenti di simulazione e di misura all’avanguardia ci permette di offrire soluzioni di consulenza e di progettazione a clienti che operano in molti settori dell’ingegneria meccanica ed energetica quali: turbomacchine, aerospaziale, trasporti, reti di distribuzione e sicurezza anti-incendio. I nostri settori di riferimento sono quelli energetico, aeronautico ed industriale, settori in cui i software di fluidodinamica sono nati, per poi diventare sempre più potenti e accurati ed essere utilizzati in altri campi applicativi come quello dell’edilizia e delle costruzioni.

Come è stato condotto lo studio sulla diffusione del virus SARS-CoV2 negli ambienti chiusi, con quali strumenti software?Per le simulazioni oggetto dello studio abbiamo utilizzato il software CFD Ansys Fluent che è considerato uno degli strumenti attualmente più evoluti per le simulazioni fluidodinamiche. Strumenti nati in ambito industriale, in questo caso, hanno trovato applicazione per uso civile. L’attività ha dimostrato che, se usati correttamente, questi strumenti possono favorire una maggior comprensione del fenomeno e guidare verso un utilizzo efficace della ventilazione meccanica per migliorare la qualità dell’aria negli ambienti indoor. La collaborazione con l’ospedale Bambino Gesù è iniziata nel periodo del lockdown, all’inizio di aprile, ed è proseguita fino a luglio. Il progetto è nato “per caso”, dall’incontro su Facebook con il dott. Luca Borro, specialista 3D del Bambino Gesù, in un dibattito relativo alla CFD. Abbiamo lavorato per dare evidenza scientifica allo studio, i dati elaborati sono stati tanti, c’erano 12 soggetti in una stanza e abbiamo simulato un minuto per ogni diverso scenario. Per simulare un minuto, ci vogliono giorni di calcolo! I risultati ottenuti sono stati riportati in un articolo scientifico, pubblicato sulla rivista scientifica “Environmental Research”.

A quali risultati siete arrivati?
I risultati dello studio confermano che i sistemi di condizionamento dell’aria svolgono un ruolo determinante nel controllo della dispersione di droplet e aerosol prodotti col respiro negli ambienti chiusi e quindi nella diffusione di un qualsiasi agente patogeno trasmissibile per via aerea, non solo del SARS-CoV2. Per la prima volta è stato documentato, infatti, che il raddoppio della portata dell’aria condizionata (calcolata in metri cubi orari) all’interno di una stanza chiusa riduce la concentrazione delle particelle contaminate del 99,6%. Al tempo stesso, una velocità doppia dell’aria condizionata causa una dispersione aerea di droplet e aerosol più rapida e a distanze più grandi rispetto all’aria condizionata con portata standard oppure spenta.

Come la simulazione fluidodinamica computazionale si inserisce nel mondo delle costruzioni e della progettazione?
La simulazione fluidodinamica computazionale permette ricostruire la geometria 3D di un edificio (o anche di uno skyline) e di comprendere come variano alcuni parametri di output in funzione degli input, i software sono infatti estremamente raffinati e in grado di cogliere diversi aspetti in contemporanea. Nella simulazione si possono introdurre tanti elementi che possono essere di interesse per capire, ad esempio, come si distribuiscono l’aria calda e fredda in un edificio, qual è la mappa di temperatura di una stanza, qual è il funzionamento di facciate ventilate. Pertanto applicazioni di successo della CFD al mondo delle costruzioni spaziano dalla stima dei carichi aerodinamici sulle strutture in presenza o meno di vento, alle analisi sul comfort termico (sistemi HVAC), allo studio dei condotti di distribuzione e raccolta dei fluidi negli impianti civili. I software CFD possono essere associati ad altri software per studiare il comportamento dinamico di un edificio nel corso della giornata al variare di carichi atmosferici esterni. In edilizia, inoltre, la simulazione fluidodinamica è applicata allo studio degli scenari di incendio, soprattutto in edifici a uso commerciale, per prevedere come si disperdono fumi e calore.

Quali sono le integrazioni tra la fluidodinamica computazionale e la metodologia BIM?
Le possibili integrazioni tra la metodologia BIM e la fluidodinamica computazionale sono molte. Da un lato la CFD si propone come uno strumento accurato a supporto della progettazione di tutti i componenti per cui la fluidodinamica ha un ruolo fondamentale. Dall’altro la metodologia BIM offre un supporto digitale utile a minimizzare tempi e costi di realizzazione di tali studi. Tra l’altro, nel mondo industriale in cui opera Ergon Research la progettazione integrata e multidisciplinare è insita in moltissimi progetti: i nostri studi integrano sempre un calcolo fluidodinamico con un calcolo termico e strutturale dell’elemento. Ci sono quindi tutti i presupposti per aumentare l’utilizzo di questa tipologia di strumenti all’interno di procedure e progettazioni BIM.

 

 

mm

Giornalista professionista della redazione di BIMportale, lavora da molti anni nell’editoria B2B per la stampa tecnica e specializzata. Ha scritto a lungo di tecnologia, business e innovazione. Oggi orienta la sua professione nel campo delle tecnologie applicate alla progettazione architettonica e all’imprenditoria delle costruzioni.