Study of the dynamics of respiratory events in pathogen-laden exhalations and solid particle inhalations

Abstract

Aquesta tesi doctoral investiga la dinàmica dels esdeveniments expiratoris violents (tos i esternuts) i la inhalació de partícules en el sistema respiratori superior mitjançant enfocaments experimentals i numèrics. La pandèmia del COVID-19 va posar de manifest les limitacions dels estudis previs, incloent-hi l’alta variabilitat entre subjectes i la simplificació geomètrica en els models computacionals. Per superar aquestes mancances, es va desenvolupar un dispositiu capaç de reproduir esdeveniments expiratoris intensos dins de rangs fisiològics, incorporant una geometria realista impresa en 3D del tracte respiratori superior, incloent la cavitat nasal. Els resultats experimentals indiquen que la presència de la cavitat nasal modifica la dispersió de l’aerosol, reduint la distància horitzontal recorreguda mentre augmenta la dispersió vertical. En absència de la cavitat nasal es generen vòrtexs secundaris que podrien incrementar el risc de transmissió. Es van realitzar estudis numèrics validats amb els resultats experimentals. També es va avaluar l’efecte de la temperatura fisiològica sota condicions ambientals controlades, demostrant que majors diferències de temperatura entre l’aire exhalat i l’ambient augmenten la flotabilitat, el desplaçament horitzontal i la concentració de microgotetes en suspensió on van donar lloc a una expressió matemàtica capaç de predir amb precisió l’abast de l’aerosol. Addicionalment, es va realitzar l'estudi numéric de la inhalació de partícules dins de la cavitat nasal utilitzant un model innovador d'interacció de partícules. Les partícules petites (< 10 μm) i allargades tendeixen a superar el filtratge nasal i arribar al sistema respiratori inferior, mentre que les partícules més grans (> 10 μm) es dipositen principalment a la cavitat nasal. Els resultats d'aquesta investigació proporcionen informació sobre el transport d’aerosols i la deposició de partícules, oferint una base per optimitzar sistemes de ventilació i filtratge d’aire, així com estratègies de mitigació de transmissió de patògens en entorns interiors crítics.

Esta tesis doctoral investiga la dinámica de los eventos expiratorios violentos (tos y estornudos) y la inhalación de partículas en el sistema respiratorio superior mediante enfoques experimentales y numéricos. La pandemia del COVID-19 puso de manifiesto las limitaciones de los estudios previos, incluyendo la alta variabilidad entre sujetos y la simplificación geométrica en los modelos computacionales. Para superar estas carencias, se desarrolló un dispositivo capaz de reproducir los eventos expiratorios intensos dentro de rangos fisiológicos, incorporando una geometría realista impresa en 3D del tracto respiratorio superior, incluyendo la cavidad nasal. Los resultados experimentales indican que la presencia de la cavidad nasal modifica la dispersión del aerosol, reduciendo la distancia horizontal recorrida mientras aumenta la dispersión vertical. En ausencia de la cavidad nasal se generan vórtices secundarios que podrían incrementar el riesgo de transmisión. Se realizaron estudios numéricos validados con los resultados experimentales. También se evaluó el efecto de la temperatura fisiológica bajo condiciones ambientales controladas, demostrando que mayores diferencias de temperatura entre el aire exhalado y el ambiente aumentan la flotabilidad, el desplazamiento horizontal y la concentración de microgotitas en suspensión donde dieron lugar a una expresión matemática capaz de predecir con precisión el alcance del aerosol. Adicionalmente, se realizó el estudio numérico de la inhalación de partículas dentro de la cavidad nasal utilizando un modelo innovador de interacción de partículas. Las partículas pequeñas (< 10 μm) y alargadas tienden a superar el filtrado nasal y alcanzar el sistema respiratorio inferior, mientras que las partículas mayores (> 10 μm) se depositan principalmente en la cavidad nasal. Los resultados de esta investigación proporcionan información sobre el transporte de aerosoles y la deposición de partículas, ofreciendo una base para optimizar sistemas de ventilación y filtrado de aire, así como estrategias de mitigación de transmisión de patógenos en entornos interiores críticos.

This doctoral thesis investigates the dynamics of violent expiratory events (coughing and sneezing) and the inhalation of particles in the upper respiratory system using experimental and numerical approaches. The COVID-19 pandemic highlighted the limitations of previous studies, including high inter-subject variability and geometric simplifications in computational models. To overcome these shortcomings, a device was developed that can reproduce intense expiratory events within physiological ranges, incorporating a realistic 3D-printed geometry of the upper respiratory tract, including the nasal cavity. Experimental results indicate that the presence of the nasal cavity modifies aerosol dispersion, reducing the horizontal distance traveled while increasing vertical spread. In the absence of the nasal cavity, secondary vortices are generated, which could increase the risk of transmission. Numerical studies validated with the experimental results were also conducted. The effect of physiological temperature under controlled environmental conditions was evaluated, demonstrating that greater temperature differences between exhaled air and the ambient environment increase buoyancy, horizontal displacement, and the concentration of suspended microdroplets, leading to the development of a mathematical expression capable of accurately predicting aerosol reach. Additionally, a numerical study of particle inhalation within the nasal cavity was carried out using an innovative particle-interaction model. Small (< 10 μm) and elongated particles tend to bypass nasal filtering and reach the lower respiratory system, while larger particles (> 10 μm) deposit primarily in the nasal cavity. The results of this research provide insights into aerosol transport and particle deposition, offering a basis for optimizing ventilation and air filtration systems, as well as mitigation strategies for pathogen transmission in critical indoor environments.