轻松呼吸:用CFD征服冠状病毒

By Ansys Advantage Staff

在新冠肺炎大流行期间，通风不足的健身中心已被世界各国政府确定为主要感染热点。剧烈运动会使健身房的顾客不断地呼出大量唾液，从而产生可能携带病毒的颗粒浓度。随着整个设施的浓度增加，对于那些可能摄入病毒颗粒并导致感染的人来说，这是一个巨大的风险。健身房老板如何更好地保护他们的顾客?许多政府推迟了健身中心的重新开放，直到这个问题得到回答。

最近，荷兰卫生、福利和体育部(Ministry of Health, Welfare and Sport)任命的Sportinnovator在这一关键问题上起了带头作用，委托Bert Blocken博士和他的埃因霍温科技大学(Eindhoven University of Technology)的研究团队，研究通风和空气净化系统是否能充分减少危险的微小气溶胶液滴颗粒浓度的积聚和吸入。当气溶胶颗粒被呼出时，它们通常会在几分之一秒到几秒钟内蒸发，留下一个固体核颗粒，病毒可以寄生在核颗粒上，并可以在空气中停留几个小时，尤其是较小的气溶胶颗粒。这些粒子肉眼看不见，只能使用最先进的计算流体动力学(CFD)模拟技术来跟踪。

利用Ansys Fluent对埃因霍温科技大学体育中心进行了数字化重建。

布洛肯的研究小组着眼于研究如何将气溶胶浓度保持在足够低的水平，使剂量不会增加到足以引起感染的程度。通过结合物理实验测量和Ansys流利通过模型，该团队为解决这一问题提供了一个全面的答案，这将更好地教育荷兰政府，并向公众提供足够的证据，证明设备齐全的健身中心可以在疫情期间安全重新开放。

该团队使用Fluent跟踪了荷兰一家健身中心密闭空间内的颗粒物数量，并了解到通风系统即使比荷兰建筑规范要求的最低通风率强4.5倍，也无法阻止空气中颗粒物浓度的单调上升。这激发了他们找到一种有效的、负担得起的、节能的解决方案——先进的空气净化器——它可以与通风系统协同工作，吸收颗粒，以潜在地消除传染病，并保证顾客的安全。

布洛肯博士的团队使用Fluent来评估健身中心的气流，并了解空气净化器和通风系统如何联合起来帮助减少传染。

收集测量数据

2020年7月11日，Blocken的团队进行了实验分析，测量了埃因霍温理工大学体育中心的整体气溶胶浓度平均值。

在实验的第一部分，运动员们骑着固定自行车，对着一个机器呼气，这个机器会计算不同大小的气溶胶的数量。在第二部分，Blocken的团队在健身中心安装了147个传感器，收集了35人在30分钟的一系列时间段内锻炼的测量数据，以评估顾客在不同强度的锻炼中向空气中呼出的液滴数量。

接下来，该团队利用通风系统和顾客的嘴作为边界条件，并使用光扫描仪快速扫描运动员在跑步机和其他机器上锻炼时的身体几何形状。

实验使团队能够测量看不见的颗粒液滴，并为创建Fluent模拟提供关键数据，该模拟以数字方式重建健身中心，提供健身中心通风有效性和空气净化器有效性的见解，并说明颗粒如何在整个空间中传播。

结果分析

流利和Ansys云研究小组发现，通风系统和空气净化器可能各自引入相反方向的室内气流，这在很大程度上相互抵消，从而限制了彼此的效果。这意味着通风系统和空气净化器产生的气流必须仔细同步，以达到最佳效果。

研究小组的研究还得出结论，如果健身中心配备了符合法定最低要求的机械通风系统，但面临气溶胶浓度过高的问题，则不需要更新通风系统，这将涉及高昂的成本。通过优化整个设施中空气净化器的数量和位置，可以有效降低气溶胶浓度-高达90%-95% -提供最经济和最有效的方法，以降低空气中感染COVID，流感或任何其他可能存在的传染病的风险。

研究小组发现，如果不同步，通风系统和空气净化器可能会相互作用。

如果没有Fluent，团队完成所有健身房场景的工作量将大大增加，将非常耗时的气溶胶颗粒测量过程与志愿者参与者一起进行COVID-19测试延长至大约三年。利用Fluent和Ansys Cloud的计算能力，该团队在短短三周内完成了他们的CFD研究。

Blocken健身中心的研究结果将有助于为政府提供适当的建议，以管理气溶胶浓度-不仅在健身房，而且在无数其他应用中，跨越全球场所，如学校，飞机，电梯，商务办公室，电影院等。

在埃因霍温科技大学健身中心取得成功后，布洛克肯的团队正在使用Fluent测试升级版的空气清洁器在大型体育场的实用性，比如荷兰最大的体育场约翰克鲁伊夫体育馆，以及荷兰最成功的篮球队的主场马斯波特体育场。这些机器的部署将很快改善世界各地大型体育赛事的公共安全。