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Prediction of bioparticles dispersion and distribution in a hospital isolation room

Khosravi, Golnaz (2016). Prediction of bioparticles dispersion and distribution in a hospital isolation room. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Removal of bioparticles from hospital isolation room is important in reducing the transmission risk of infectious diseases. An effective ventilation system is necessary to protect the patient, doctor and nurses from catching infectious diseases. The goal of this study was to select the most effective ventilation scenario for the investigated isolation room among the defined scenarios. To select the most effective ventilation scenario, the effect of air exchange rate (ACH), injection angle (Ɵ) and exhaust position on removing the exhaled bioparticles from a patient mouth during coughing process, was investigated. Computational Fluid Dynamic (CFD) was used for predicting the air flow pattern and bioparticle transmission. Bioparticle dispersion and deposition was modelled by an Eulerian-Lagrangian approach. The mathematical model for air flow was the Reynold Averaged Navier Stokes (RANS) equations with k-ɛ turbulence model. Code-Saturne was chosen as the CFD program and validated by numerical results and empirical equations. The numerical results obtained by Code-Saturne were compared to results publish in the literature. To investigate the Code-Saturne capability to predict particle deposition, particles with different diameter in the range of 1 μm to 10 μm, were injected in a channel. Non dimensional deposition velocity obtained using Code-Saturne was compared to the empirical results available in the literature. The results showed that Code-Saturne has the capability of predicting the air flow pattern, particle dispersion and particle deposition.

For analyzing the results and choosing the most effective ventilation system, particle removal efficiency (PRE) and normalized particle concentration in the inhalation zone were compared. Among the six ventilation scenarios with different ACH and Ɵ, scenario with ACH=15 and Ɵ=45° was selected as the most effective. Finally, effect of exhaust position was investigated. Three scenarios were defined. The first one with an exhaust mounted on a wall near the ceiling, the second one with an exhaust mounted on a wall near the floor and the last one with an exhaust mounted on the ceiling. It is observed that the exhaust position has great influence on the air flow pattern and particle removal. It is found that an exhaust mounted on the ceiling scenario has the best particle removal efficiency.

Titre traduit

Prévision de bioparticules dispersion et distribution dans une chambre d'isolement d'hôpital

Résumé traduit

L’extraction des bioaérosols dans une chambre d'isolement d’hôpital est importante pour réduire le risque de transmission de maladies infectieuses. La technique la plus courante pour protéger le patient, le médecin et les infirmières contre l’inhalation d’agents pathogènes est la ventilation. Le but de cette étude est de sélectionner, parmi plusieurs scénarios définis, le scénario de ventilation le plus efficace pour la chambre d'isolement étudiée. Pour atteindre cet objectif, l'influence du nombre de changement d'air par heure (ACH), l'angle d'injection (Ɵ) et la position de la grille d’extraction sur la concentration de bioaérosols expiré par un patient lors d’une toux, a été étudiée. La simulation numérique des écoulements (CFD) a été utilisée pour prédire l’écoulement d’air dans la chambre d’isolement et la concentration de bioaérosols. Une approche Euler-Lagrange a été utilisée pour étudier la dispersion des particules aéroportées et leurs dépôts dans la chambre modélisée. Le modèle mathématique pour l'écoulement d'air est basé sur les équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) couplées au modèle de turbulence k-ɛ.

Un code CFD appelé Code-Saturne a été choisi. Les résultats numériques obtenus du Code-Saturne ont été comparés à des résultats publiés dans la littérature. Pour étudier la capacité du Code-Saturne à prédire le dépôt de particules, des particules d'un diamètre de 1 μm à 10 μm, ont été injectés dans un canal. La vitesse de dépôt obtenue du Code-Saturne a été comparée à des résultats empiriques. Les résultats ont montré que le Code-Saturne a la capacité de prédire adéquatement la dispersion des particules dans un écoulement turbulent. Pour déterminer le système de ventilation le plus efficace, l'efficacité d'élimination des particules (PRE) et la concentration des particules dans la zone d’inhalation ont été comparés pour tous les scénarios simulés. Parmi les six scénarios de ventilation, celui avec un ACH = 15 et un angle d’injection de 45° a été choisi comme étant le scénario de ventilation le plus efficace.

Finalement, l’influence du positionnement de la grille d’extraction a été étudiée. Trois scénarios ont été considérés. Un scénario avec une extraction murale au-dessus de la zone d’occupation, un scénario avec une extraction murale près du plancher et un scénario avec une grille au plafond. Les simulations ont montré que le positionnement de la grille d’extraction a une influence importante sur l’élimination des contaminants et que l’extraction par le plafond présente la meilleure efficacité d'élimination des particules.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Master thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the master's degree with thesis in mechanical engineering". Bibliographie : pages 99-109.
Mots-clés libres: Micro-organismes Dispersion. Micro-organismes pathogènes. Chambres d'hôpital Chauffage et ventilation. Air Écoulement Modèles mathématiques. Dynamique des fluides numérique. Maladies infectieuses Transmission Prévention. bioparticule, CFD, Code-Saturne, bioaérosol, ventilation, simulation, chambre d'isolement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Hallé, Stéphane
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Morency, François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 08 mars 2016 15:22
Dernière modification: 10 déc. 2016 17:21
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1631

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