轻松呼吸:用CFD征服冠状病毒

由An万博sys Advantage Staff提供

世界各国政府已将通风不良的健身中心确定为新冠肺炎大流行期间的主要感染热点。剧烈运动会导致健身爱好者不断呼出大量唾液，从而产生可能含有病毒的颗粒浓度。随着整个设施内浓度的增加，对那些可能摄入病毒颗粒的人造成了巨大的风险，从而导致感染。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，直到这个问题得到解决。

最近，由荷兰卫生、福利和体育部任命的荷兰Sportinnovator公司在这一关键问题上发挥了带头作用，委托伯特·布洛克恩博士和他的埃因霍温理工大学研究团队研究通风和空气清洁系统是否能够充分减少危险的微观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内蒸发，留下一个固体核颗粒，病毒可以在其上停留，并可在空气中停留数小时，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。

万博利用Ansys Fluent对埃因霍温理工大学体育中心进行数字化重建。

布洛克恩的团队着眼于学习如何将气溶胶浓度保持在足够低的水平，这样剂量就不会增长到引起感染的程度。通过物理实验和测量相结合的方法万博Ansys流利通过建模，该团队为解决这个问题提供了一个全面的答案，这将更好地教育荷兰政府，并向公众提供充分的证据，证明配备适当的健身中心可以在大流行期间安全重新开放。

该团队使用Fluent跟踪了荷兰健身中心密闭空间内的颗粒数量，并了解到，即使通风系统比荷兰建筑规范中要求的最低通风量强4.5倍，也无法阻止空气中颗粒浓度的单调上升。这启发他们找到了一种有效、经济且节能的解决方案——先进的空气净化器，它可以与通风系统协同工作，吸收颗粒，从而潜在地消除传染区域，并保证顾客的安全。

布洛肯博士的团队使用Fluent软件评估了健身中心的气流，并了解了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，布洛克肯的团队对埃因霍温理工大学体育中心的整体气溶胶平均浓度进行了实验分析。

在实验的第一部分，运动员骑着固定自行车，对着一台机器呼气，机器会计算不同大小的气溶胶的数量。在第二部分，布洛克恩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，评估了不同强度锻炼时顾客呼出的飞沫数量。

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。

这些实验使团队能够测量看不见的颗粒液滴，并为创建Fluent模拟提供了关键数据，该模拟以数字方式重新创建了健身中心，提供了健身中心通风效果和空气净化器效果的见解，并说明了颗粒如何在整个空间中传播。

结果分析

使用Fluent和万博Ansys云研究小组发现，通风系统和空气净化器都有可能引入相反的室内气流，在很大程度上相互抵消，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。

该团队的研究还得出结论，如果健身中心配备了满足法律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，可以有效地将气溶胶浓度降低至90%-95%，从而提供最经济和最有效的手段，降低通过空气感染COVID - 19、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矛盾。

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，将志愿者参与者测试COVID-19的非常耗时的气溶胶颗粒测量过程延长到估计三年。通过Microsoft Azure使用Fluent和Ansys Cloud的万博计算能力，该团队在短短三周内完成了CFD研究。

布洛克恩的健身中心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——不仅是在健身房，而且在无数其他应用领域，包括学校、飞机、电梯、商业办公室、电影院等全球场所。

在埃因霍温理工大学健身中心取得成功后，布洛克恩的团队正在使用Fluent测试空气净化器的升级版在大型体育场馆的用途，比如荷兰最大的体育场馆约翰克鲁伊夫竞技场，以及荷兰最成功的篮球队的主场马斯波特。这些机器的部署很快就能改善世界各地大型体育赛事的公共安全。