用COMSOL Multiphysics®在开放空间中建模液滴流动

2020年11月23日

钥匙,电话,钱包 - 在3月20日之前,这些物品被认为是在走出门前所需的三个必需品。为了控制Covid-19的传播,现在第四个必要:面膜。事实上,疾病控制和预防中心(CDC)主任罗伯特·雷菲尔德博士(CDC)被称为面部覆盖物“我们必须缓慢和停止病毒的传播”的一个最强大的武器之一,“(Ref。).原则上,口罩是用来减缓携带病原体的颗粒物(如呼吸道飞沫)的传播的。通过CFD模拟,COMSOL认证咨询公司Veryst Engineering的研究人员分析了两个跑步者之间的粒子运动,以进一步了解它们的复杂行为。

两个人的模型运行6英尺的距离与颗粒流模型在彩虹色表。

气溶胶:小液滴与大液滴

世界各地的研究人员和科学家正在仔细研究不同的病毒传播方式,包括空气传播和飞沫传播。如果你搜索其中任何一个词,就会出现数以百万计的新闻文章和科学报告。这些术语到底是什么意思?

首先,重要的是要承认,关于液滴应该如何分类有很多科学争论。本文主要讨论这些粒子的大小。那么,小液滴和大液滴有什么特点呢?

较大的液滴通常比较小的液滴下落得更快,因为它们的体积更大,而且它们通常落在距离最初释放位置几米以内的地方。然而,如果大的飞沫以高速射入空中,比如在咳嗽或打喷嚏时,它们在落到地面之前可以飞得更远。在某些天气条件下,大液滴可以迅速蒸发,并转化为小颗粒,表现得像小液滴或液滴核。(Ref。3

另一方面,较小的液滴和液滴核以与它们周围的空气相似的速度移动。平均而言,它们慢慢慢,可以被最小的气流抬起。它们倾向于随着时间的推移分散或分散,其中一些可以留在空中几个小时!

液滴通常以微米(μm)测量:1μm相当于百万分之一的米。在非常的工作中,他们仅分析了大于〜20μm的液滴的运动,直径小于〜200μm。以供参考,果蝇的眼睛直径约为70微米

将气溶胶和液滴的尺寸与20微米的尺寸进行比较的尺寸图的图示,以70微米的果蝇的眼睛。
将液滴尺寸的尺寸图的尺寸与果实蝇的眼睛相比的尺寸图的图示在70μm。

值得注意的是,当这些颗粒落下时,它们可以污染表面,这就是为什么在商业和非商业企业和全球家庭中安装了洗手液分配器和自清洁表面技术的原因。

可以丢失涂抹covid-19吗?

呼吸、咳嗽和说话都是飞沫如何释放到空气中的例子。研究显示与其他行为相比,某些行为,比如咳嗽、打喷嚏和大声说话,会导致更多的粒子释放。尽管目前还无法完全了解COVID-19病毒的工作原理,但美国疾病控制与预防中心认为飞沫是潜在的冠状病毒传播者(Ref。4).

为了了解更多关于粒子流动的知识,Veryst工程公司的Nagi Elabbasi和他的团队使用COMSOL Multiphysics®软件对在开放空间中串联慢跑的两个人之间的水滴运动进行了建模。物理现象——如空气中的流动和水分、空气温度、对颗粒的作用力和颗粒蒸发——在这个建模场景中都是重要的。

分析粒子流:这是一场马拉松,而不是短跑

仅在2020年,就有几个世界上最大的马拉松赛事因COVID-19大流行而取消;包括波士顿马拉松赛,这是这项历史性赛事首次被取消。这些种族不仅为成千上万的人提供了工作机会,而且还为主办城市带来了数亿美元的收入。Ref。5).在这个不确定的时候,当这些马拉松恢复时,没有知道。

一群马拉松运动员在人行道上的户外照片。
马拉松运动员。照片来源:Mārtiņš Zemlickis viaUnsplash

随着世界各地的比赛每天都在被推迟或取消,很多人开始了自己跑步的爱好。事实上,许多社区都看到马路上慢跑者的数量激增。由于健身房关闭或开放的容量有限,人们开始转向户外活动,比如慢跑,以保持活力。跑步也提供了一种快速获得新鲜空气的方式,并为走出家门提供了一个好理由。

在大流行期间,人们想知道户外跑步是否可能是传播COVID-19的一种方式,以及当他们与一小群人跑步时是否应该戴口罩。为了更多地了解跑步者之间的颗粒流动情况,Elabbasi和他的团队模拟了两个相距6英尺(2米)的慢跑者在室外跑步……

两流道间液滴流动的模拟

在Veryst模型中,跑步者以每小时4英里的平均速度移动。后面的流道在前面流道的滑流中,如下所示。假定跑在前面的人呼吸适度深,他们呼出的粒子相对于跑者以约5.6英里/小时(或2.5米/秒)的恒定速度运动。模型中假设头风、尾风和侧风为零。

一个围绕两个流道的气流模型,其彩虹流线表示空气速度。
流动流的流动围绕着跑步者的流动线。注意:颜色刻度表示相对于每秒米的跑步者的空气速度。

如前所述,为了节省计算时间,只分析液滴或粒径大于~20 μ m的颗粒。此外,任何直径超过200µm的粒子都被省略了,因为这些粒子很可能在到达第二步之前就掉到地上了。

按颗粒大小绘制液滴分布的图形。
基于2009年研究的Versyt模型粒度分布“由于说话和咳嗽而呼出的飞沫,分析在受控环境下产生的液滴。

该模型占影响粒子的相关物理现象,这是液滴上的阻力和重力和液滴蒸发速率。阻力包括由于空气中的湍流引起的颗粒分散。

非常将其模型中的液滴蒸发速率设定为相对于周围空气的相对湿度,温度,粒径和速度的函数。然后他们使用的是校准蒸发速率井evaporation-falling曲线.这种曲线表明,小颗粒慢慢地慢慢地蒸发,而大颗粒快速落下并缓慢蒸发。例如,在50%的相对湿度下,温度为18℃,直径为50μm的液滴在4秒内完全蒸发,但直径的液滴150μm将在完全〜4秒内落到地上。蒸发。

下面,你可以看到研究中的液滴根据它们的直径用不同的颜色表示。不出所料,较大的水滴落在后面跑者的腿附近,而较小的颗粒则倾向于落在后面跑者的脸上和上半身。

模型结果显示了三种不同情况下液滴在流道之间流动的运动,用颜色刻度表示粒子的直径,从粉红色的小,到蓝色的大。
在两个跑步者(左边和中间)之间呼出的粒子运动的Veryst模型。粒子落在后轮上的图像(右)。色标表示颗粒的粒径。注意:为了可视化的目的,粒子被放大了。

Elabbasi表示,仿真结果对各种变量都很敏感。但仍需对该模型进行全面的敏感性研究。也就是说,Veryst确实分析了模型中不断变化的湍流动能如何影响他们的结果。研究小组发现,完全忽略湍流的影响会导致水滴的狭窄扩散,而显著增加湍流的影响则会导致水滴的大规模扩散。这两种情况都代表了不现实的湍流边界,Versyt选择它来检查其模态的灵敏度。

COMSOL多发性的模型结果显示湍流动能如何影响两位跑步之间的微粒流动。
这项工作表明,模拟是一个强大的工具来模拟开放空间中的颗粒物流动,它有可能被用来帮助制定指南,减缓开放和封闭空间中的病原体传播。

查看更多

请看Nagi Elabbasi关于2020年COMSOL北美会议参赛者之间液滴流动的主题演讲:乐动滚球app下载

进一步的阅读

想知道Veryst进行的更多模拟研究吗?检查案例研究在他们的网站上。

阅读更多关于使用模拟的更多信息,以帮助减轻康森博客上的流行病疾病的传播:乐动体育赛事播报

参考

  1. CDC呼吁美国人戴上面具以防止Covid-19传播”,疾病控制和预防中心, 2020年。
  2. j . Morgenstern。”气溶胶、飞沫和空气传播:你可能想知道的一切“,First10EM, 2020年。
  3. Medmastery。”covid 10:covid-19天空疾病吗?我们都需要戴上SARS-COV-2的面部面具吗?YouTube2020年3月27日。
  4. 科学简介:SARS-COV-2和潜在的空降传动“,疾病控制和预防中心, 2020年。
  5. p·史蒂文斯。”马拉松比赛给美国的各个城市带来了巨大的财富。有些事件可能无法经受住大流行“,CNBC., 2020年。

评论(2)

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Habib Jalili.
Habib Jalili.
2月3日,2021年

你好,

可以下载Comsol文件吗?或者有PDF和帮助吗?

瑞秋Keatley.
瑞秋Keatley.
2021年2月4日,

你好!

谢谢你的评论。

在COMSOL网站上讨论的模型不可用,但如果有兴趣,则可以随意达到极限。

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