Studio della dispersione delle polveri – Laboratorio di geologia

L‘esperienza di EOLIOS nella simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) ci ha permesso di analizzare i fenomeni di dispersione delle particelle in un laboratorio di geologia. Utilizzando una modellazione 3D realistica e un approccio scientifico rigoroso, lo studio ha evidenziato le aree a rischio e valutato l’efficacia dei sistemi di cattura esistenti.
Questo approccio ha contribuito a ottimizzare la sicurezza degli operatori e a ottenere un miglioramento duraturo della qualità dell’aria in un ambiente di lavoro impegnativo.

EOLIOS è un'azienda leader nella simulazione CFD applicata ad ambienti interni complessi, che si avvale di un ampio riscontro di campagne di misurazione e di numerosi studi condotti su siti reali.

Preservare la salute nel cuore dei laboratori: una sfida cruciale

L'aria come vettore di rischio negli spazi confinati

Nei laboratori di preparazione paleontologica, la qualità dell’aria ambiente gioca un ruolo fondamentale nella tutela della salute degli operatori. Dietro le meticolose manipolazioni scientifiche, spesso effettuate con strumenti meccanici o pneumatici, si nasconde un fenomeno molto meno visibile ma potenzialmente pericoloso: la diffusione di polveri sottili dai fossili o dalle matrici rocciose.

Come negli ambienti ospedalieri o farmaceutici, le aree di preparazione geologica sono associate a requisiti di filtrazione. La polvere generata dal rilascio dei fossili può essere abrasiva, irritante e persino tossica, a seconda della sua composizione. Controllare la loro dispersione è quindi imperativo, non solo per garantire il comfort lavorativo, ma anche per prevenire eventuali rischi per la salute associati all’esposizione cronica.

Impattatori, polvere e propagazione: un trio da tenere d'occhio

Nel cuore del processo di estrazione dei fossili, gli strumenti utilizzati agiscono come potenti vettori per la sospensione delle particelle. Ciò è particolarmente vero per le penne a percussione pneumatica utilizzate per frammentare delicatamente la roccia intorno ai campioni. Questi strumenti generano un flusso d’aria di circa 1 m/s all’uscita, spingendo meccanicamente la polvere nell’ambiente circostante.

In assenza di una cattura efficace alla fonte, queste emissioni possono disperdersi liberamente nel volume della stanza, attraversando lo spazio di lavoro e raggiungendo le vie respiratorie degli utenti. Questo problema è aggravato dalla presenza di più postazioni di lavoro che operano contemporaneamente e dalla geometria restrittiva della stanza, dove i flussi d’aria possono incontrare ostacoli o creare anelli di ricircolo.

Di fronte a questa configurazione, i tradizionali sistemi diestrazione a parete o di rinnovo dell’aria in generale si rivelano spesso insufficienti. Diventa quindi necessario un approccio mirato e localizzato.

Uno studio CFD per valutare le prestazioni e guidare le scelte tecniche

Questo è il background dello studio condotto da EOLIOS. Si basa sull’uso della simulazione numerica con la meccanica dei fluidi (CFD) per analizzare, quantificare e visualizzare i fenomeni di dispersione delle particelle nel laboratorio di geologia.

L’obiettivo di questa modellazione è duplice:

Convalidare le prestazioni di cattura della cappa esistente, verificando che le velocità frontali soddisfino i requisiti normativi(standard EN 14175) e che il contenimento degli inquinanti sia sotto controllo.
Valutare l’efficacia comparativa di diverse configurazioni per il controllo della polvere generata nelle postazioni di lavoro: nessuna raccolta mobile della polvere, aggiunta di bracci di estrazione e installazione di una protezione frontale.

Modellando questi diversi scenari e visualizzando le traiettorie delle particelle emesse, lo studio permette di identificare le aree a rischio, di quantificare i volumi impattati dalle polveri e di orientare le scelte tecniche verso soluzioni collaudate, pragmatiche ed economicamente sostenibili.

Capire per proteggere meglio: perché usare la modellazione CFD?

Simulare per visualizzare l'invisibile

La simulazione numerica con la meccanica dei fluidi (CFD) è oggi uno strumento essenziale per il controllo di ambienti interni complessi. In uno spazio chiuso come un laboratorio di geologia, dove i flussi d’aria, gli ostacoli fisici e le emissioni di particolato interagiscono costantemente, solo un’accurata modellazione tridimensionale può fornire una comprensione delle reali dinamiche dell’aria e della polvere.

> Per saperne di più: Cos'è la simulazione CFD?

L’approccio sviluppato da EOLIOS si basa sulla modellazione dettagliata del laboratorio di preparazione paleontologica, incorporando la geometria degli arredi, le caratteristiche tecniche delle apparecchiature di ventilazione e le fonti di emissione delle particelle. A partire da questa base, sono stati simulati scenari rappresentativi, in stato stazionario, per riprodurre numericamente i comportamentidi flusso e dispersione osservabili in condizioni reali.

Esame dettagliato dei sistemi di manutenzione della qualità dell'aria - Sorbona

Un confronto oggettivo tra le soluzioni di cattura

Uno degli obiettivi principali di questo studio è stato quello di visualizzare i diversi scenari e verificare la conformità con gli standard attuali:

La cappa in funzionamento nominale (bassa portata) e intensivo (massima portata), al fine di convalidare la conformità con le velocità frontali regolamentari e l’efficacia del contenimento degli inquinanti.
Griglie di aspirazione a parete, posizionate sul fondo della stanza, valutate per la loro capacità di evacuare le particelle rilasciate nell’ambiente generale.
Bracci aspiranti mobili, per valutarne l’efficacia alla fonte durante la manipolazione dei fossili.
La presenza o l’assenza di protezioni frontali sulle postazioni di lavoro, per valutare il loro ruolo nel contenimento locale delle polveri proiettate.

La simulazione CFD identifica le velocità dell’aria, le concentrazioni di polvere (utilizzando uno scalare di diffusione) e le traiettorie di emissione in ogni punto della stanza. Ogni soluzione viene analizzata concretamente e quantificata.

Individuare le aree a rischio per guidare i miglioramenti

Oltre alle semplici velocità dell’aria, la modellazione consente di identificare le aree critiche: ristagno di polvere, anelli di ricircolo, risalita verticale o diffusione trasversale. Questi fenomeni, spesso invisibili a occhio nudo, possono essere fonte di contaminazione secondaria o di ricontaminazione in assenza di un adeguato contenimento.

Grazie a questo approccio, è possibileanticipare i difetti di progettazione o di utilizzo e proporre miglioramenti mirati: che si tratti di riposizionare i bracci, regolare le portate o aggiungere dispositivi passivi come schermi protettivi.

Immergersi nel cuore del laboratorio: un ambiente modellato con precisione

Modellazione 3D fedele alla realtà del terreno

L‘accuratezza dei risultati della CFD dipende soprattutto dalla fedeltà del modello digitale. Per questo studio, il team diEOLIOS ha ricostruito in dettaglio il laboratorio di preparazione paleontologica utilizzando disegni DWG del sito e schede tecniche delle attrezzature fornite. Ogni elemento che influenza i flussi è stato integrato: volumi, divisori, arredi, superfici di lavoro e sistemi di diffusione e aspirazione.

L’ambiente 3D ottenuto è una rappresentazione realistica del laboratorio, in linea con le attuali condizioni di utilizzo. Questa precisione permette diprevedere i flussi d’aria reali e le complesse interazioni tra fonti di emissione, ostacoli fisici e sistemi di ventilazione.

Integrazione completa dell'attrezzatura di acquisizione

Sono stati modellati tutti i dispositivi di trattamento dell’aria presenti nella stanza:

La cappa, utilizzata per la manipolazione ad alto rischio, è stata simulata in due configurazioni rappresentative: flusso ridotto con la finestra abbassata e flusso massimo con la finestra completamente aperta, al fine di valutare le sue prestazioni di contenimento.
I diffusori d’aria a soffitto forniscono aria fresca. Il loro design speciale garantisce una diffusione controllata, con un’interruzione minima dei flussi d’aria locali.
Dodici griglie di aspirazione montate a parete, disposte su due livelli dietro le postazioni di lavoro, aiutano adevacuare le particelle residue dall’ ambiente e compensano l’attivazione o meno della cappa aspirante.

Due sistemi di aspirazione mobili con bracci articolati sono stati posizionati il più vicino possibile ai fossili. Svolgono un ruolo essenziale nella cattura delle fonti.

Infine, per riprodurre fedelmente lo scenario delle emissioni, è stato modellato un pennarello che soffia continuamente a 1 m/s all’altezza dei fossili, in ogni postazione di lavoro. Questo dispositivo simula il rilascio di polvere durante la lavorazione meccanica dei pezzi.

Metodologia di simulazione CFD rigorosa

Sono stati utilizzati scalari passivi per simulare la concentrazione di particelle nell’aria, con iso-superfici e piani trasversali per visualizzare la dissipazione o l’accumulo a seconda della configurazione.

I risultati delle simulazioni CFD forniscono un quadro accurato dei fenomeni di dispersione delle particelle in laboratorio. Ogni configurazione è stata analizzata in dettaglio utilizzando una visualizzazione incrociata (piani di velocità, sezioni scalari, iso-superfici e tracce di corrente). L’obiettivo è identificare le aree a rischio, quantificare l’efficacia dei sistemi di cattura e orientare le scelte tecniche verso le soluzioni più efficaci.

Cosa rivela la simulazione: traiettorie, velocità, concentrazioni

Stato di riferimento senza protezione: diffusione incontrollata di particelle

Nella prima configurazione, il laboratorio viene mostrato senza alcun sistema di aspirazione mobile, dotato solo di griglie di aspirazione montate a parete. Questa situazione corrisponde allostato originale, prima dell’aggiunta dei dispositivi di cattura mirati.

I risultati mostrano una dissipazione rapida e incontrollata della polvere non appena viene emessa. Le particelle generate a livello dei fossili (modellate da uno scalare passivo) si propagano ampiamente nello spazio, raggiungendo rapidamente le zone laterali e superiori, in particolare a livello delle facce degli operatori (piani a un’altezza di 1,70 m).

Il ricircolo dell’aria avviene nella zona centrale del laboratorio, alimentato dall’interazione tra l’aria di mandata dei diffusori e l’architettura interna della stanza. Queste zone di ristagno incoraggiano leparticelle ad accumularsi e a rimanere in sospensione più a lungo.

Le griglie di aspirazione a parete, anche se distribuite su un’ampia area, hanno un’efficacia limitata. Non catturano efficacemente le particelle non appena vengono emesse. Il risultato: la maggior parte degli inquinanti segue traiettorie fluttuanti e diverse iso-superfici con soglie critiche confermano la contaminazione persistente dell ‘aria ambiente.

L'aggiunta di bracci di aspirazione mobili: un netto miglioramento

L’introduzione di due bracci aspiranti mobili trasforma radicalmente il paesaggio aeraulico del laboratorio.

Non appena sono stati installati sopra le postazioni di lavoro, è stata osservata una netta riduzione delle concentrazioni di particolato nelle sezioni scalari. Le particelle vengono catturate non appena vengono emesse o poco dopo, limitando la loro diffusione nello spazio.

Le tracce di corrente mostrano un immediato orientamento dei flussi verso gli ugelli di raccolta. Il percorso delle particelle diventa breve e controllato. Nei piani longitudinale e trasversale, gli scalari diminuiscono drasticamente e le iso-superfici critiche si restringono intorno alle zone di emissione.

Tuttavia, l’efficacia dipende dalla corretta posizione delle braccia, che idealmente dovrebbero essere posizionate a poche decine di centimetri dal punto di impatto delle penne a percussione. La sensibilità al posizionamento è notevole e il disallineamento potrebbe ridurre drasticamente le prestazioni.

Aggiunta di una protezione frontale alla stazione centrale: il fattore determinante

Perottimizzare ulteriormenteil contenimento, è stata aggiunta una protezione frontale alla postazione centrale, che funge da barriera fisica e integra i sistemi di estrazione.

L’effetto combinato della cupola mobile e del deflettore anteriore determina un miglioramento significativo del contenimento. Le particelle non vengono solo catturate dal braccio, ma anche intrappolate dal volume ristretto definito dalla partizione. L’aria viziata rimane confinata intorno al tavolo e non si disperde più nell’atmosfera.

I piani scalari a 1m70 rivelano una virtuale assenza di particelle nelle zone di respirazione. Le concentrazioni sono inferiori ai limiti di rilevamento nella maggior parte della stanza. Le isosuperfici diventano quasi inesistenti e le tracce di corrente seguono traiettorie dirette esclusivamente verso le zone di estrazione.

Questo sistema dimostra una forte sinergia tra la cattura meccanica e la strutturazione fisica dello spazio. L’aggiunta della protezione trasforma il braccio di aspirazione in un sistema localmente confinato, la cuiefficienza si avvicina a quella di una postazione di lavoro incapsulata.

Analisi trasversale, iso-superfici e tracce di corrente

La ricchezza dell’analisi si basa su una combinazione di rappresentazioni grafiche che possono essere utilizzate per descrivere il comportamento sia dei flussi che delle particelle in sospensione:

Le sezioni di velocità mostrano la dinamica dei flussi generati dai diffusori, dai sistemi di raccolta e dalle aperture.
Le sezioni scalari, in proiezione verticale e orizzontale, mostrano la distribuzione spaziale delle concentrazioni di particolato.
Le isosuperfici identificano i volumi problematici, dove il rischio di contaminazione è maggiore.
Le tracce di corrente, iniziate nel punto di emissione delle particelle, illustrano il percorso seguito dalle particelle. Evidenziano le aree di ristagno e gli eventuali riflussi, nonché l’efficienza della cattura in presenza di armi o protezioni.

Questo approccio integrato offre una diagnosi visiva completa dell’ambiente di lavoro. Non solo convalida i sistemi in uso, ma fornisce anche raccomandazioni specifiche su possibili miglioramenti, come il posizionamento delle attrezzature, i tassi di ventilazione o la geometria delle postazioni di lavoro.

Cosa può fare lo studio: convalidare, regolare e garantire un controllo sostenibile delle polveri

La CFD al servizio della salute degli operatori

Lostudio CFD condotto da EOLIOS nel laboratorio di geologia fornisce una visione precisa e operativa dei fenomeni di polvere associati alle operazioni di scavo dei fossili. Grazie alla modellazione realistica dell’ambiente, delle attrezzature e delle emissioni di particolato, i risultati ottenuti consentono di convalidare i sistemi esistenti, di individuare i punti deboli del sistema e di proporre modifiche pratiche per migliorare la sicurezza degli operatori.

Questo studio illustra il valore aggiunto della simulazione digitale nella comprensione di ambienti ad alto rischio. Grazie a un approccio rigoroso e a strumenti di calcolo avanzati, è ora possibile visualizzare fenomeni invisibili come la dispersione di particelle, i flussi d’aria e le zone di ristagno e intervenire in modo mirato.

La CFD è un vero e proprio strumento decisionale. Non solo permette di convalidare le apparecchiature, ma aiuta anche adanticipare gli errori di layout, dimensionamento o utilizzo. Rendendo visibili i flussi, trasforma la prevenzione in azione concreta.

Un approccio alla prevenzione e alle prestazioni

Oltre a essere un’analisi unica, questo studio fa parte di un approccio più ampio all’ingegneria della salute e delle prestazioni. Individuando le leve di miglioramento, proponendo soluzioni semplici e oggettivandone l’efficacia, la simulazione aiuta aottimizzare gli ambienti di lavoro e a garantire la sicurezza degli operatori.

Per gli istituti scientifici, industriali e ospedalieri, sta diventando uno strumento strategico: ridurre le polveri alla fonte, controllare i flussi e progettare spazi sicuri adatti alle esigenze di domani.

L'esperienza di EOLIOS Ingénierie per migliorare la qualità dell'aria e la sicurezza degli operatori negli ambienti di laboratorio

Lo studio condotto da EOLIOS nel laboratorio di geologia illustra il valore aggiunto della simulazione CFD nel controllo di ambienti sensibili. Rendendo visibili fenomeni invisibili, il team è stato in grado di dimostrare l’impatto reale delle soluzioni di cattura e di orientare le scelte tecniche verso sistemi efficaci e pragmatici.
Questo approccio, a cavallo tra ricerca scientifica eingegneria applicata, conferma la capacità di EOLIOS di supportare i propri partner nella ricerca di soluzioni su misura che conciliano sicurezza, efficienza energetica e conformità normativa.
Grazie a questo studio, il laboratorio beneficia ora di un controllo ottimizzato delle polveri, garantendo un ambiente di lavoro più sano e sostenibile per i suoi operatori.

Scopri di più su questo argomento:

> Progetto: Studio della polvere in laboratorio

> Progetto: Aeraulica per una camera bianca

Riassunto dello studio

Sintesi dello studio

Lo studio CFD condotto da EOLIOS ha convalidato le prestazioni della cappa esistente e dei sistemi di aspirazione del laboratorio, confrontando al contempo diverse configurazioni di cattura – dall’assenza di bracci mobili all’aggiunta di una protezione frontale sulle postazioni di lavoro. I risultati hanno evidenziato le aree a rischio di ricircolo e accumulo e hanno dimostrato l’importanza di un posizionamento preciso dei sistemi di aspirazione per garantire un’efficace cattura alla fonte.
Sulla base di queste osservazioni, sono state proposte ottimizzazioni concrete, in particolare per quanto riguarda le portate e la geometria delle postazioni di lavoro, che hanno permesso di ridurre in modo significativo le concentrazioni di polvere nelle zone di respirazione. Grazie a questo studio, è stato possibilevalutare in modo oggettivo le prestazioni del flusso d’aria, garantire la sicurezza a lungo termine dell’ambiente di lavoro e rafforzare la prevenzione dei rischi per la salute degli operatori.