使用ComsolMultiphysics®在开放空间中建模液滴流

2020年11月23日

钥匙,电话,钱包 - 2020年3月之前,这些物品被认为是您走出门之前所需的三个必需品。为了控制Covid-19的传播,现在有第四个基本要素:面具。实际上,美国疾病控制与预防中心(CDC)主任罗伯特·雷德菲尔德(Robert Redfield)博士称面部覆盖范围“我们必须放慢并阻止病毒传播的最强大的武器之一”(参考。1)。原则上,口罩用于减轻含病原体的颗粒(例如呼吸液滴)的扩散。使用CFD模拟,Comsol认证顾问的Autyst Engineering的研究人员分析了两个跑步者之间的颗粒运动,以进一步了解其复杂的行为。

两个人物的模型,与彩虹色表中建模的颗粒流相距6英尺。

气雾剂:小滴与大液滴

世界各地的研究人员和科学家仔细研究了包括空降传播和液滴传播在内的不同模式的病毒传播模式。如果您搜索任一项,则会出现数百万新闻文章和科学报告。这些术语实际上是什么意思?

首先,重要的是要承认,关于如何分类液滴存在很多科学辩论。大多数讨论都集中在这些粒子的尺寸上。那么,小滴和大液滴的特征是什么?

较大的液滴通常由于其较大的体积而比小滴的速度快,并且通常降落在最初释放的几米之内。但是,如果大液滴以高速发射到空中,例如在咳嗽或打喷嚏中,它们可以在撞到地面之前飞得更长的距离。在某些天气条件下,大液滴可以迅速蒸发并转化为小颗粒,其行为就像小滴或滴核。((参考。3

另一方面,较小的液滴和液滴核以与周围空气相似的速度移动。平均而言,它们非常缓慢,可以通过最小的气流来抬起。他们倾向于随着时间的流逝而分散或散布,其中一些可以在空中呆几个小时!

液滴通常以微米(μm)的形式进行测量:1μm等同于百万分之一。在整个工作中,他们仅分析了大于约20 µm和小于200 µm的液滴的运动。以供参考,果蝇的眼睛约70μm

尺寸图的例证,将20微米的气溶胶和液滴的大小与70微米的果蝇的眼睛进行了比较。
尺寸图的例证,比较了由液滴的大小与果蝇在70 µm处测得的液滴的大小。

重要的是要注意,当这种颗粒掉落时它们会污染表面,这就是为什么手动消毒器分配器和自我清洁的表面技术已安装在全球的商业和非商业业务和房屋中的原因。

液滴可以传播Covid-19吗?

呼吸,咳嗽和说话都是如何将液滴散发到空中的例子。研究表明与其他行为相比,某些行为,例如咳嗽,打喷嚏和大声说话会导致更多的粒子发射。尽管对CoVID-19病毒的工作原理的完全了解仍然不可用,但CDC识别出液滴作为潜在的冠状病毒撒布器(参考。4)。

为了更多地了解粒子流的信息,Alyst Engineering的Nagi Elabbasi和他的团队使用ComsolMultiphysics®软件在开放空间中串联两个人之间的液滴运动模型。在这种建模方案中,重要的是物理现象,例如空气中的流动和水分,空气温度,颗粒上的力以及颗粒蒸发 - 都很重要。

分析粒子流:这是一场马拉松,而不是冲刺

仅在2020年,由于19号大流行,世界上几项最大的马拉松比赛被取消。包括波士顿马拉松比赛在内,这场历史悠久的比赛已被取消。这些种族不仅为成千上万的人提供工作参考。5)。在这个不确定性的时代,这些马拉松何时会恢复。

一群马拉松选手的照片在铺好的街道上户外。
马拉松选手。照片由MārtiņšZemlickis通过Unplash

随着世界各地的比赛每天继续被推迟和取消,很多人都从事自己跑步的爱好。实际上,许多社区在路上的慢跑者数量激增。随着健身房的关闭或以有限的容量开放,人们正在转向户外活动,例如慢跑以保持活跃。跑步还提供了一种快速的方法来获取新鲜空气和一个有充分的理由离开家。

在大流行中,人们想知道在外面跑步是否是传播Covid-19的潜在方法,以及与小组一起奔跑时是否应该戴口罩。为了进一步了解赛道之间的颗粒如何流动,Elabbasi和他的团队模拟了两个在6英尺(2 m)相距6英尺(2 m)外面的慢跑者…

在两个跑步者之间模拟液滴流

Insuyst型号的跑步者以〜4 mph的速度移动,平均慢跑速度。后跑者位于前跑者的滑流中,如下所示。假定前跑者呼吸适中,并且相对于跑步者,其呼出的颗粒最初以〜5.6 mph(或2.5 m/s)的恒定速度移动。假定模型中的头部,尾巴和侧风为零。

围绕两个跑步者的气流模型,带有彩虹流线,表示空气速度。
流跑者周围的空气流动。注意:颜色尺度代表以每秒米为单位的跑步者相对于跑步者的空气速度。

如前所述,仅分析了直径大于约20 µm的液滴或颗粒,以节省计算时间。此外,省略了直径超过200 µm的任何粒子,因为在到达第二名之前,这种颗粒可能会落在地面上。

图绘制液滴分布的图。
Versyt基于2009年的研究建模了粒度分布由于交谈和咳嗽而呼出的液滴”,分析了在受控环境中生成的液滴。

该模型解释了影响颗粒的相关物理现象,这些现象是液滴和液滴的蒸发率的阻力和重力。阻力包括由于空气中的湍流而导致的粒子分散。

Imalst将其模型中的液滴蒸发率设置为相对湿度,温度,颗粒直径和速度相对于周围空气的相对湿度,温度,颗粒直径和速度的函数。然后,他们使用井垂直曲线。该曲线表明,小颗粒缓慢下降并迅速蒸发,而大颗粒快速掉落并缓慢蒸发。例如,在50%的相对湿度和18°C的温度下,直径为50 µm的液滴将在4秒内完全蒸发,但是直径为150 µm的液滴将在约4秒钟内完全落到地面,然后完全完全掉落蒸发。

在下面,您可以看到研究中的液滴根据其直径为各种颜色表示。正如预期的那样,较大的液滴落在后跑者的腿上,而较小的颗粒往往会击中后跑者的脸部和上身。

模型结果显示了在三种不同的情况下跑步者之间液滴流动的运动,其中颜色尺度表示颗粒直径从粉红色,小,蓝色,大。
Eleast的模型在两个跑步者(左和中间)之间呼出颗粒的运动模型。颗粒降落在后跑者(右)上的图像。颜色尺度显示粒子直径为µm。注意:粒子被缩放为可视化目的。

根据Elabbasi的说法,模拟结果对多种变量敏感。但是,仍需要在该模型上进行全面的敏感性研究。也就是说,非常分析了其模型中的湍流动能如何影响其结果。该小组发现,完全忽略湍流的效果导致液滴的蔓延狭窄,同时显着增加了湍流的影响,导致液滴的大量扩散。两种情况都代表了湍流的不现实界限,Versyt选择了该模式的灵敏度。

模型导致COMSOL多物理学表明湍流动能如何影响两个跑步者之间的颗粒流量。
这项工作表明,仿真是在开放空间中建模颗粒流量的强大工具,并且有可能用于帮助制定指南,从而减慢病原体在开放空间和封闭空间中的传播。

看更多

观看纳吉·埃拉巴西(Nagi Elabbasi)的主题演讲,讲述了2020年北美Comsol会议的跑步者之间的液滴流程:乐动滚球app下载

进一步阅读

是否希望看到更多的模拟研究?查看实例探究在他们的网站上。

阅读有关使用模拟来帮助减轻comsol博客上流行病的传播的更多信息:乐动体育赛事播报

参考

  1. CDC呼吁美国人戴口罩以防止Covid-19,”疾病预防与控制中心,2020年。
  2. J. Morgenstern,“气雾剂,液滴和空降传播:您可能想知道的一切“,First10em,2020年。
  3. Medmastery,“COVID 10:Covid-199是空降疾病吗?我们所有人都需要对SARS-COV-2戴口罩吗?透明YouTube,2020年3月27日。
  4. 科学简介:SARS-COV-2和潜在的机载传输“,疾病预防与控制中心,2020年。
  5. 史蒂文斯(P. Stevens),“马拉松赛车为整个美国的城市带来了巨额资金。有些事件可能无法在大流行中幸存下来“,CNBC,2020年。

评论(2)

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Habib Jalili
Habib Jalili
2021年2月3日

你好,

可以下载comsol文件吗?还是PDF和帮助?

瑞秋·凯利(Rachel Keatley)
瑞秋·凯利(Rachel Keatley)
2021年2月4日

你好!

感谢您的评论。

此处讨论的模型在Comsol网站上不可用,但如果有兴趣,请随时接触。

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