Droplets from Bursting Bubbles at the Free Surface of a Water Jet

La propagation des agents pathogènes est une préoccupation primordiale pour la santé publique, étant donné son impact significatif sur les plans économique, sociétal et sanitaire. La transmission peut se produire par diverses voies, notamment le contact direct avec un hôte infecté, le contact indirect avec des surfaces contaminées et les aérosols. Les aérateurs de robinet ont été impliqués dans plusieurs épidémies d’agents pathogènes opportunistes dans les établissements de soins de santé. Dans les études menées suite à de telles éclosion, la voie de transmission des pathogènes d’un aérateur contaminé à un individu infecté est soit at- tribuée à un contact direct avec l’aérateur ou à l’usage de l’eau de robinet, soit indéterminée. En mesurant la distribution de taille des aérosols pour différents modèles d’aérateurs, nous avons constaté que ceux produisant des jets aérés génèrent la plus grand concentration de gouttelettes dans l’air, ces dernières pouvant propager des agents infectieux si l’eau est con- taminée. Cependant, l’aérosol généré dans ce cas n’a pas été caractérisé de manière détaillée, et son mécanisme de production n’a pas été étudié. Pour un jet aéré, les gouttelettes sont créées lorsque les bulles éclatent à la surface de l’eau. Par conséquent, le problème étudié dans cette thèse présente deux aspects: un aspect fondamental se concentrant sur l’éclatement de bulles à la surface libre cylindrique d’un jet, induit par une instabilité capillaire, et un aspect environnemental, l’aérosol résultant pouvant contribuer à la propagation des pathogènes si l’eau est contaminée. Tout d’abord, une évaluation quantitative du risque microbien (EQRM/QMRA) met en évi- dence que la production d’aérosols contribue de manière significative au risque d’infection, les jets de robinet aérés présentant le risque le plus élevé. Par conséquent, l’objectif initial est de caractériser les gouttelettes produites par un jet aéré généré par l’un des aérateurs de robinet précédemment testés, en utilisant un anémomètre à effect Doppler (PDA). Cette analyse fournit la taille et la vitesse des gouttelettes à différentes distances de la sortie du robinet, révélant l’existence de gouttelettes ayant des diamètres allant de 3 à 150 μm et des vitesses atteignant jusqu’à 3.8 m/s. Des images capturées par une caméra haute vitesse illustrent les résultats précédents en visualisant les trajectoires des gouttelettes et leur évolution. La plu- part des gouttelettes sont éjectées initialement vers le bas en s’éloignant du jet. Cependant, celles générées près de l’aérateur, ayant un diamètre inférieur à 50 μm, sont aspirées dans celui-ci. Les gouttelettes émises plus en aval avec un diamètre inférieur à 110 μm sont ralen- ties par leur traînée dans l’air, atteignant une trajectoire presque verticale, et pouvant être capturées dans la couche limite du jet. Le destin final des gouttelettes est estimé en utilisant un modèle prenant en compte leur évaporation.

Abstract

Limiting the spread of pathogens is a paramount concern for public health, given its signif- icant impact on the economic, societal, and health fronts. Transmission can occur through various routes, including direct contact with an infected host, indirect contact through con- taminated surfaces, and aerosols. Faucet aerators have been implicated in several outbreaks of opportunistic pathogens. The transmission route from contaminated aerators to infected hosts involved in post-outbreak studies is either unspecified or attributed to direct contact with the aerator or tap water usage. By measuring the aerosol size distribution for several aerator models, we found that those that produce aerated jets generate the highest number of droplets, thus establishing the possibility of an aerosol transmission route. However, the aerosol generated in this scenario has not been thoroughly characterized, nor has its pro- duction mechanism been investigated. In the case of an aerated jet, droplets are created as bubbles burst at the water’s surface. Therefore, the problem studied in this thesis is twofold: it encompasses the fundamental aspect of bubble bursting at a cylindrical free surface due to a capillary-driven instability and the environmental aspect, as the resulting aerosol could contribute to pathogen spread if the water is contaminated. First, a Quantitative Microbial Analysis (QMRA) highlights that aerosol production signif- icantly contributes to the risk of infection, with aerated faucet jets posing the highest risk. Therefore, the initial objective is to characterize the droplets produced by an aerated jet generated by one of the previously tested faucet aerators using Phase Doppler Anemometry (PDA). This analysis determines the size and velocity of droplets at varying distances from the faucet outlet, with diameters ranging from 3 to 150 μm and velocities reaching up to 3.8 m/s. Complementing these findings are images captured by a high-speed camera, which reveal the dispersal pattern of the droplets. Most droplets move initially downward and away from the jet. However, those ejected near the faucet outlet with a diameter smaller than 50 μm are aspirated by the aerator-induced airflow. Droplets emitted further down- stream with a diameter smaller than 110 μm are decelerated by aerodynamic drag, reaching a near-vertical trajectory, and may be captured in the jet boundary layer. The end fate of the droplets is estimated using an evaporation-based evolution model. The analysis shows that particles with a diameter smaller than 55 μm become airborne, while larger droplets deposit within a radius of 7 cm from the faucet. Based on this finding, in addition to the fact that the majority of the aerosol mass is produced within 40 cm of the aerator, the use of a cylindrical shield near the aerator and a wider basin is recommended. Bursting bubbles release both film and jet drops.