Numerical study for the optimization of an innovative personal protective device

Abstract

In the first attempts to return to normality after the initial impact of the COVID-19 pandemic, dentists were a class of professionals particularly vulnerable to contracting the disease. This is due to the fact that the production of respiratory particles and aerosols, resulting from the interaction between rotary tools and the patient's mouth, easily promotes the transmission of the virus. In order to respond to this problem, in 2020, STEsa, together with the Association for the Development of Industrial Aerodynamics (ADAI) and the Faculty of Medicine of the University of Coimbra (FMUC), developed a respiratory protection device (RPD) in the context of the MASK4MC (Mask for Medical Care) project. Through a specific design, this equipment combines the protective effects of a traditional visor and of an air curtain (aerodynamic sealing).The main objectives of this work are the optimization of the prototype MASK4MC and the study of the influence of the user's respiration on the performance of its optimized configuration. The methodology followed to achieve these objectives was computational fluid dynamics (CFD), using the commercial software ANSYS CFX®. Three turbulence models − RNG k-ε, SST and BSL − were tested in order to assess the best adequacy to model the airflow field.The optimization of the RPD was approached through the parametric study of the outlet velocities of the jets that form the air curtain and the tilt angle of one of them. Through this analysis, it was possible to conclude that the performance of the device generally increases as the velocity of the jets decreases and that the optimal value of the mentioned inclination angle depends on the velocity values considered.Regarding the influence of the user's breathing on the device's performance, the results obtained show that respiration is relevant in the original design of the MASK4MC prototype and practically negligible in its optimized configuration.The SST and BSL turbulence models led to very similar results in all the simulations performed, very often deviating from the predictions provided by the RNG model.From the present work, it is concluded that the configuration considered optimal improves the protection efficiency of the original device by 24.1 % for the RNG model and by 33.8 % for the SST and BSL models.

Nas primeiras tentativas de regresso à normalidade depois do impacto inicial da pandemia COVID-19, verificou-se que os dentistas eram uma classe de profissionais particularmente vulnerável à contração da doença. A razão é a produção de partículas respiratórias, gotículas e aerossóis, resultantes principalmente da operação de ferramentas rotativas na boca do paciente, as quais facilmente transportam e transmitem o vírus. De modo a dar resposta a esta problemática, em 2020, a STEsa juntamente com a Associação para o Desenvolvimento da Aerodinâmica Industrial (ADAI) e a Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra (FMUC), desenvolveram um equipamento de proteção respiratória (EPR) no âmbito do projeto MASK4MC (Mask for Medical Care). Através de um desenho específico, este equipamento combina os efeitos de proteção de uma viseira tradicional (proteção mecânica) e de uma cortina de ar (vedação aerodinâmica).Os objetivos principais deste trabalho consistem na otimização do protótipo MASK4MC e no estudo da influência da respiração do utilizador no desempenho do equipamento original e da configuração otimizada. A metodologia seguida para alcançar estes objetivos é a mecânica dos fluidos computacional (CFD, em inglês), utilizando o software comercial ANSYS CFX®. Foram testados três modelos de turbulência − RNG k-ε, SST e BSL − a fim de avaliar a melhor opção para modelar o campo de escoamento.A otimização do EPR foi abordada através do estudo paramétrico das velocidades dos jatos que formam a cortina de ar e do ângulo de inclinação de um deles. Através desta análise foi possível concluir que a performance do dispositivo aumenta, geralmente, à medida que a velocidade dos jatos diminui e que a inclinação ótima do ângulo mencionado depende dos próprios valores de velocidade considerados.Relativamente à influência da respiração do utilizador no desempenho do dispositivo, os resultados obtidos demonstram que esta é relevante na configuração original e praticamente desprezável na configuração otimizada.Os modelos de turbulência SST e BSL tiveram resultados muito semelhantes em todas as simulações realizadas, afastando-se, com muita frequência, das previsões fornecidas pelo modelo RNG.Neste trabalho, a configuração considerada ótima, melhora a proteção do dispositivo original em 24.1 % para o modelo RNG e em 33.8 % para os modelos SST e BSL.