La réduction de la transmission des virus aéroportés dans les environnements clos, tels que les transports publics, est devenue un enjeu crucial à la suite des récentes pandémies mondiales, notamment celle de la COVID-19. Les purificateurs d'air à ultraviolets (UV) se sont imposés comme une stratégie recommandée pour désactiver les virus en suspension dans l'air et limiter la propagation des infections. Cette étude développe une méthodologie de simulation numérique haute fidélité pour évaluer l'efficacité des purificateurs d'air UV dans la réduction de la dispersion des gouttelettes chargées en virus. Des simulations LES (Large Eddy Simulations) sont utilisées pour résoudre les dynamiques turbulentes à l’intérieur du purificateur, avec deux lampes UV activées dans des conditions de fonctionnement spécifiques. Une fois le champ d’écoulement statistiquement convergé, les champs moyens de vitesse et de température sont utilisés dans un couplage eulérien-lagrangien unidirectionnel pour modéliser la dispersion turbulente des gouttelettes. Le modèle prend en compte l’évaporation, un phénomène clé, car la majorité des gouttelettes quittant le purificateur sont des noyaux secs contenant de la matière non volatile et des copies virales. Le taux de survie viral est ensuite évalué à l’aide d’un modèle de désinfection par rayonnement UV, validé par des données expérimentales, montrant un taux d’inactivation de $99%$, confirmant le potentiel de ce dispositif comme stratégie de mitigation efficace.
L’étude explore ensuite l’intégration des purificateurs UV dans un autobus urbain afin d’évaluer leur efficacité dans l’inactivation des virus en suspension. Différentes configurations sont testées à l’aide d’un modèle lagrangien de suivi des particules pour simuler la dispersion des gouttelettes et leur interaction avec l’écoulement. Les résultats indiquent que le positionnement du purificateur au centre du bus permet le meilleur taux d’inactivation, en réduisant efficacement la contamination aéroportée et de surface. Un placement à l’arrière s’avère également performant, en particulier pour limiter les émissions des passagers assis à l’arrière. En revanche, un placement à l’avant est moins efficace en raison des recirculations limitant l’interception des gouttelettes. L’étude montre également qu’une augmentation du débit volumique au-delà de $100m^3/h$ améliore significativement le taux d’inactivation virale. L’optimisation du placement des purificateurs apparaît donc comme une stratégie efficace pour améliorer la qualité de l’air. L’utilisation de deux purificateurs — l’un au centre, l’autre à l’arrière — offre une couverture plus homogène et renforce l’efficacité du système. Ces résultats confirment le potentiel des purificateurs UV comme solution viable pour la réduction des agents pathogènes en suspension, apportant des éléments clés pour la gestion de la qualité de l’air dans les transports publics et autres espaces intérieurs à forte occupation. |
The mitigation of airborne virus transmission in enclosed environments, such as public transportation, has become a critical area of research in light of recent global pandemics, including COVID-19. Ultraviolet (UV) air purifiers have emerged as a recommended strategy to deactivate airborne viruses and reduce infection spread in such spaces. This study develops a high-fidelity computational framework to assess the efficacy and effectiveness of UV air purifiers in reducing the spread of virus-laden droplets. Large Eddy Simulations (LES) are employed to resolve turbulent flow dynamics inside the purifier, with two UV lamps activated under specified operating conditions. Once a statistically converged Eulerian flow is achieved, time-averaged velocity and temperature distributions are used in a one-way coupled Eulerian-Lagrangian framework to model the turbulent dispersion of virus-laden droplets. The simulations incorporate an evaporation model, highlighting the importance of this physical phenomenon, as the majority of droplets exiting the purifier are identified as droplet nuclei containing non-volatile matter and virus copies. The survival rate of these droplets is then assessed using a UV radiation disinfection solver, validated against experimental studies, indicating that the UV air purifier achieves a $99%$ inactivation rate, demonstrating its potential as an effective mitigation strategy.
The study further investigates the placement of UV purifiers in a city bus to study their efficiency in inactivating airborne viruses. Simulations explore various purifier configurations, employing a Lagrangian particle tracking approach to model droplet dispersion and interaction with airflow. The results reveal that placing the purifier in the middle of the bus yields the highest inactivation rates, minimizing airborne and surface contamination. The rear placement also proves effective, especially in reducing virus-laden droplets from rear-seated passengers. In contrast, the front placement is less efficient due to recirculation patterns limiting its impact on droplet interception. The study also demonstrates that increasing the volumetric flow rate of the purifier beyond $100 m^3/hr$ can significantly improve viral inactivation. Optimizing purifier placement is an effective strategy for enhancing air quality. Additionally, the deployment of two purifiers—one in the middle and one at the rear—can further enhance air purification, ensuring uniform air quality throughout the bus. These findings underscore the potential of UV air purifiers as a viable intervention for reducing airborne pathogen concentrations, providing crucial insights for air quality management in public transportation and other high-occupancy indoor spaces. |