La dynamique des fluides : les vents contraires du Covid-19

Source : John Hopkins University
Traduit par l’équipe Les-Crises

Un groupe d’ingénieurs en mécanique de Johns Hopkins pense que la dynamique des fluides peut nous en apprendre beaucoup sur la pandémie COVID-19 et sur la façon dont les gens peuvent se protéger lorsque le pays rouvrira.

Les conseils de santé publique pour éviter les maladies respiratoires n’ont pratiquement pas changé depuis la grippe espagnole de 1918, l’une des pandémies les plus meurtrières de l’histoire. Gardez une distance de sécurité avec les autres personnes. Lavez-vous fréquemment les mains à l’eau et au savon pour tuer les germes que vous avez pu attraper. Couvrez votre nez et votre bouche avec un masque facial – même un bandana fera l’affaire. Ces conseils sont basés sur le fait que les infections respiratoires se propagent par des gouttelettes porteuses de virus qui sont expulsées lorsque les personnes infectées toussent, éternuent ou respirent.

Mais plus d’un siècle après que la grippe espagnole ait tué 50 millions de personnes dans le monde, le comportement de ces gouttelettes de liquide reste largement un mystère. Rajat Mittal, professeur de génie mécanique à la Whiting School of Engineering et expert en dynamique des fluides numérique, pense que des recherches plus poussées sur la physique des flux des maladies respiratoires seront essentielles pour contenir l’actuelle pandémie de coronavirus.

L’idée est venue à M. Mittal lors d’une récente visite à l’épicerie, où il a remarqué que les clients portaient des masques de protection. Son esprit est allé là où l’esprit des chercheurs se dirige habituellement vers la science.

« J’ai commencé à me demander s’il existait des données sur l’aérodynamique de ces masques pour quantifier ce qu’ils font réellement« , explique M. Mittal. « Lorsque j’ai commencé à me plonger dans la littérature, il est devenu évident que la dynamique des fluides recoupe presque tous les aspects de cette pandémie. La façon dont les gouttelettes se forment et sont transportées, comment elles infectent les autres, les ventilateurs que nous utilisons pour traiter les patients atteints de cette maladie, même les mesures préventives comme les masques faciaux – beaucoup de ces problèmes sont finalement liés à l’écoulement des fluides« .

Afin d’encourager de nouvelles réflexions et recherches dans ce domaine, M. Mittal et une équipe de ses collègues de la faculté ont compilé un aperçu de la dynamique des fluides connue de COVID-19 et des questions qui restent à résoudre. Ce rapport est publié dans le Journal of Fluid Mechanics.

Plonger dans les gouttelettes

Les infections respiratoires se transmettent de personne à personne par des gouttelettes porteuses de virus par voie aérienne ou par contact avec une surface contaminée par des gouttelettes. Les personnes infectées expulsent souvent ces gouttelettes en toussant ou en éternuant, signe que les autres doivent se tenir à l’écart pour éviter l’infection. Mais la transmission dépend en fait d’un grand nombre de facteurs, dont le nombre de gouttelettes, leur taille et leur vitesse lors d’événements expiratoires comme la toux, les éternuements et la respiration.

L’éternuement, par exemple, peut expulser des milliers de grosses gouttelettes à une vitesse relativement élevée, alors que la toux génère de 10 à 100 fois moins de gouttelettes. Le fait de parler expulse encore beaucoup moins de gouttelettes, environ 50 par seconde, et elles sont plus petites. Ces petites gouttelettes sont plus susceptibles de rester en suspension dans l’air, de parcourir de plus longues distances et de transmettre une infection une fois inhalées. Les grosses gouttelettes, en revanche, sont plus susceptibles de contaminer les surfaces et de transmettre l’infection par le toucher.

Comme le note l’équipe dans le document, de nombreuses études visant à mesurer avec précision la façon dont les gouttelettes sont générées et transportées ont déjà été menées. Cependant, le consensus sur le comportement des gouttelettes reste difficile à atteindre en raison de la nature complexe des phénomènes et de la difficulté à effectuer de telles mesures.

Un domaine d’intérêt pour des recherches plus approfondies est la formation de petites gouttelettes lors d’activités normales comme la respiration et la parole. Cela pourrait permettre de comprendre comment le COVID-19 est transmis par des porteurs asymptomatiques qui parlent ou respirent normalement.

« Une hypothèse est que le virus est transporté par de très fines gouttelettes en suspension dans l’air« , explique Rui Ni, expert en écoulement multiphasique, professeur adjoint de génie mécanique et collaborateur à l’article. « Pour l’instant, nous ne comprenons pas totalement comment cette fine brume fonctionne dans le transport du virus. Et cela a de grandes implications pour la distanciation sociale, si nous ne faisons que baser ces directives sur l’hypothèse que les gouttelettes peuvent atteindre une certaine distance« .

En fait, une étude citée dans leur document montre que les grosses gouttelettes expulsées par les éternuements peuvent parcourir 20 pieds ou plus, donc 6 pieds pourraient ne pas suffire pour éliminer le risque de transmission. Selon l’équipe, d’autres questions méritent une analyse plus approfondie : l’évaporation et l’inhalation des gouttelettes, leur comportement à l’intérieur et à l’extérieur, et la façon dont la température et l’humidité affectent les taux de transmission.

Simulation de solutions

Les stratégies de confinement pour le COVID-19 sont basées sur ce que les décideurs politiques pensent savoir de la physique des flux. Mais Mittal et Ni avertissent qu’une grande partie de ces connaissances est basée sur des informations dépassées.

« Nous plaidons pour une meilleure quantification, pour mettre réellement des chiffres derrière ces idées« , explique Mittal. « Une partie de ce que nous faisons maintenant pour lutter contre COVID-19 en 2020 est basée sur des données scientifiques provenant d’articles publiés dans les années 1930. Nous avons beaucoup appris depuis lors, mais la politique doit rattraper son retard« .

Par exemple, même des mois après le début de la pandémie, de nombreuses questions se posent encore sur l’utilisation des masques faciaux. Les masques faciaux sont souvent conçus pour protéger la personne qui les porte – pensez à un ouvrier du bâtiment qui essaie d’éviter d’inhaler des poussières dangereuses, par exemple. Mais les masques faciaux destinés à lutter contre la transmission de COVID-19 devraient offrir une protection à la fois intérieure et extérieure, protégeant les autres autant que le porteur.

Les scientifiques peuvent mieux comprendre comment améliorer la protection vers l’extérieur en simulant les fuites de flux causées par les interstices autour du nez et de la bouche, explique Jung-Hee Seo, professeur associé de recherche en génie mécanique. Il travaille avec Mittal et Koroush Shoele de l’université d’État de Floride sur des simulations de pointe pour analyser le flux d’air et la dispersion des gouttelettes dans les masques faciaux. Leurs simulations prennent en compte différentes formes de visage et structures de masque, ce qui leur permet d’évaluer l’efficacité des différents modèles de masque.

L’étude n’en est qu’à ses débuts, mais en fin de compte, ces simulations pourraient permettre de mieux concevoir les masques faciaux, en particulier ceux qui sont cousus à la maison, ajoute Mittal.

« Si quelqu’un fabrique un masque à la maison, pouvons-nous lui indiquer une étape simple pour que le masque soit mieux adapté à ce qu’il est censé faire« , demande-t-il.

La dynamique des fluides en action

Comme tant de scientifiques – et d’ailleurs les décideurs politiques et le public – l’équipe pense déjà à une époque où la vie retrouvera un certain sens de la normalité. Ils se posent des questions : Comment cela peut-il se faire tout en minimisant les nouvelles transmissions ?

Selon les chercheurs, les décisions de réouverture bénéficieront des nouvelles découvertes sur la physique des flux de la transmission du COVID-19. « Pensez aux étudiants qui retournent sur un campus universitaire. Si nous en savons plus sur l’aérodynamique du mouvement des gouttelettes, nous pourrions éventuellement reconcevoir les systèmes de CVC pour réduire la dispersion des gouttelettes dans un dortoir, par exemple« , dit Ni. « La même idée pourrait fonctionner avec les maisons de retraite. Si nous portons tous des masques, comment cela affecte-t-il la pratique de la distanciation sociale ? Si nous mettons plus de science derrière cette ligne de pensée, nous pouvons ouvrir le pays d’une manière plus sûre« .

Le nouveau coronavirus est un défi évolutif et complexe, et les chercheurs de chaque discipline ne peuvent s’attaquer qu’à un petit aspect de la crise. Néanmoins, Mittal voit une formidable opportunité pour ceux qui travaillent dans le domaine de la dynamique des fluides de contribuer à une solution.

« C’est un domaine de pointe dans notre domaine d’expertise« , dit-il. « Nous pouvons fournir des informations et des outils qui nous permettront d’être mieux préparés pour faire face à la prochaine épidémie de COVID-19 ou d’une maladie similaire« .

Source : John Hopkins University
Traduit par l’équipe Les-Crises

Covid-19 : comment la dynamique des fluides peut nous aider à nous protéger

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Presque tout dans la propagation du coronavirus est affaire de dynamique des fluides : comment les gouttelettes se forment et sont transportées, comment elles infectent les autres, comment les masques anti-projections peuvent les arrêter, etc. L’ennui, selon des physiciens de l’université John Hopkins (États-Unis), c’est que les stratégies de lutte contre le Covid-19 sont essentiellement basées sur des travaux obsolètes. Sur « des articles publiés dans les années 1930 ». Or, les connaissances des chercheurs ont évolué depuis.

Ceux de l’université John Hopkins font aujourd’hui le point. « Nous pouvons fournir des informations et des outils qui nous assureront que nous sommes mieux préparés à lutter contre le Covid-19 ou une pandémie similaire », assure Rajat Mittal, chercheur en dynamique des fluides, dans un communiqué.

Coronavirus : les gouttelettes en première ligne

Son équipe note tout d’abord que la transmission du coronavirus dépend de plusieurs facteurs parmi lesquels le nombre de gouttelettes, leur taille et la vitesse à laquelle elles sont expulsées. Ainsi les éternuements peuvent expulser des milliers de grosses gouttelettes à une vitesse relativement élevée. Une toux génère de 10 à 100 fois moins de gouttelettes. Et un échange de paroles produit quelque 50 petites gouttelettes par seconde.

Mais ce sont ces petites gouttelettes qui sont les plus susceptibles de voyager sur de grandes distances et donc de transmettre l’infection par inhalation directe. Les grosses gouttelettes, en revanche, se retrouvent plus sur des surfaces, jouant sur la transmission par le toucher. Mais les phénomènes sont tellement complexes qu’il n’existe pas de consensus sur le comportement réel de toutes ces gouttelettes.

La transmission par les porteurs asymptomatiques

Compte tenu du nombre de porteurs asymptomatiques, les chercheurs s’intéressent particulièrement à la façon dont des gouttelettes se forment au cours d’activités normales telles que la respiration ou la parole. « Le virus pourrait être transporté par de très fines gouttelettes aéroportées », explique Rui Ni, professeur de génie mécanique. « Pour le moment, nous ne comprenons pas parfaitement comment cette fine brume agit sur le transport du coronavirus. »

De l’efficacité des masques pour lutter contre la transmission du coronavirus

Ce qui semble en revanche acquis du point de vue des masques barrières, c’est que le fameux « test de la bougie » — dont il est beaucoup question depuis quelques jours sur les réseaux sociaux — ne donne pas d’indication quant à leur capacité de filtration. En effet, le critère de filtration minimale retenu par l’Association française de normalisation (Afnor) — 70 % des particules d’une taille de 3 microns — n’apparaît pas forcément suffisant pour atténuer l’effet provoqué par une personne qui soufflerait sur une bougie. Que la bougie reste allumée ou s’éteigne, le masque peut aussi bien être efficace qu’inefficace. En revanche, le fait de ne pas pouvoir éteindre une bougie en soufflant à travers un masque peut donner une idée de son étanchéité.

Source : Futura Sciences

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