使用COMSOLMultiPhysics®建模液滴流在开放空间中

11月23日,2020年11月23日

钥匙,电话,钱包 - 在2020年3月之前,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,现在是第四个必要:面膜。事实上,疾病控制和预防中心的主任罗伯特·雷菲尔德博士(CDC)在美国称为面部覆盖“我们必须缓慢的最强大的武器之一,停止病毒的传播”(参考。1)。原则上,掩模用于减轻病原体升起颗粒的涂抹,例如呼吸液滴。使用CFD模拟,研究人员,Engineol认证顾问的Inerganigner,分析了两个跑步者之间的粒子的运动,以进一步了解他们的复杂行为。

两个人类数字的模型与在彩虹颜色桌子上建模的微粒流动的颗粒状流动。

气溶胶:小型液滴与大型液滴

在世界各地的研究人员和科学家仔细研究了不同的病毒传输模式,包括空中传输和液滴传输。如果搜索任一期限,则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,如何对液滴分类有很多科学辩论。大多数本次讨论侧重于这些颗粒的尺寸。那么,小液滴和大液滴的特点是什么?

由于其体积更大,较大的液滴通常比较小的液滴更快,并且它们通常在几米范围内降落在最初释放的地方。然而,如果大型液滴以高速发射到空气中,就像咳嗽或喷嚏一样,在击球之前,它们可以飞行更长的距离。在某些天气条件下,大液滴可以快速蒸发并转化成小颗粒,该小颗粒将像小液滴或液滴核一样。(参考。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,它们逐渐慢慢地升高,可以通过最小的空气升起。它们倾向于随着时间的推移分散或展开,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,他们单独分析了大于〜20μm的液滴的运动,直径小于〜200μm。以供参考,果蝇的眼睛〜70微米

将气溶胶和液滴的尺寸与20微米的尺寸进行比较到果实飞向70微米的眼睛的尺寸图。
将液滴的尺寸与果实蝇的眼睛相比,浆液的尺寸与70μm的眼睛进行比较。

重要的是要注意,当这些颗粒落下时,它们可以污染表面,这就是为什么在全球商业和非商业企业和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,咳嗽和谈话都是液滴喷射到空气中的例子。研究表明了与其他行为相比,某些行为,如咳嗽,打喷嚏和大声说话可以导致更多的粒子发射。虽然完全了解CoVID-19病毒作品如何不可用,但CDC将液滴识别为潜在的冠状病毒吊具(参考。4.)。

旨在学习更多关于粒子流量的粒子流,Inergy Engineering的Nagi Elabbasi和他的团队模仿了使用COMSOLMultibysics®软件在开放空间中慢跑的两个人之间的液滴的运动。物理现象 - 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 - 在这种建模场景中都很重要。

分析粒子流量:这是一场马拉松,而不是冲刺

仅在2020年,由于Covid-19大流行,世界上几个最大的马拉松比取消了一些世界上最大的马拉松;包括波士顿马拉松,这是第一年的这场历史悠久的比赛被召开。这些种族不仅为成千上万的人提供工作,而且还将数亿美元带到他们的主人城市(参考。5.)。在这个不确定的时候,当这些马拉松恢复时,没有知道。

一群小组马拉松赛跑者的照片户外在一个被铺的街道上。
马拉松运动员。照片由mārtiņšzemlickisviauns

随着世界各地的比赛,每天都会继续推迟并取消,很多人都接受了自己跑步的爱好。事实上,许多社区都看到了道路上的慢跑者数量的尖峰。使用健身房或以有限的能力封闭或开放,人们正在转向户外活动,如慢跑以保持活跃。跑步还提供了一种快速的方式来获得新鲜空气,有充分的理由摆脱房子。

在大流行中,人们想知道外面的跑步是一种潜在的方式来传播Covid-19,是否应该在用小组运行时戴上掩模。目的的目的是更多地了解跑步者之间的粒子,Elabbasi和他的团队如何模拟两个在6英尺(2米)外面的慢跑者......

模拟两个跑步液之间的液滴流动

在IST的模型中的跑步者正在达到〜4英里/小时,平均慢速。后跑器处于前跑器的滑流,如下所示。假设前跑器适度深入地呼吸,并且它们呼出的颗粒最初以恒定的速度与相对于转轮以〜5.6英里/秒的恒定速度移动。在模型中假设头部,尾部和交叉风度为零。

两个带有彩虹流线的气流模型,表示空气速度。
流动跑步者周围的空气流动。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,分析直径大于〜20μm的液滴或粒子,以节省计算时间。另外,省略了直径超过200μm的任何粒子,因为在到达第二跑步之前,这种颗粒可能落到地面。

绘图通过粒度绘制液滴分布的图表。
基于2009年研究的Versyt模型粒度分布“由于谈话和咳嗽,呼出的液滴“,在受控环境中分析了生成的液滴。

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。然后他们使用的蒸发速度校准井蒸发 - 下降曲线。该曲线表明,小颗粒慢慢脱落并迅速蒸发,而大颗粒落下快速且缓慢蒸发。例如,在50%相对湿度下,在18℃的温度下,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,您可以看到研究中的液滴由基于其直径的各种颜色表示。正如预期的那样,较大的液滴靠近后跑道的腿,而较小的颗粒倾向于击中后跑步者的脸部和上半身。

模型结果显示三种不同场景中跑步者之间的液滴流动的运动,颜色刻度表示粉红色,小,蓝色,大的粒径。
Perst的两名跑步者(左和中间)呼出粒子的运动模型。粒子落在后跑者(右)的地方的图像。色标显示为μm的粒径。注意:粒子被缩放以进行可视化目的。

根据ELABBASI,仿真结果对各种变量敏感。然而,需要对该模型进行全面的敏感性研究。也就是说,现在确实分析了模型中湍流动能的改变影响影响了它们的结果。该团队发现完全忽略了湍流的效果导致液滴的狭窄扩散,同时显着增加了湍流的效果导致液滴的大规模扩散。这两种情况都代表了湍流的不现实界限,而Versyt选择检查其模式的灵敏度。

模型结果在COMSOL多体学中,显示湍流动能如何影响两个跑步件之间的微粒流动。
这项工作表明,仿真是一种强大的工具,用于在开放空间中建模微粒流动,并且它有可能用于帮助制定在打开和闭合空间中减慢病原体扩散的指导。

看更多

观看Nagi Elabbasi的主题演讲关于从Comsol会议2020北美的跑步者之间模拟液滴流程的主题演讲:乐动滚球app下载

进一步阅读

希望看到更多的模拟研究由SEEST进行?看看实例探究在他们的网站上。

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,“疾病预防与控制中心2020年。
  2. J. Morgenstern,“气溶胶,液滴和空气传播:您可能想知道的一切“,第一个10EM2020年。
  3. Medmasty,“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?YouTube,2020年3月27日。
  4. 科学简介:SARS-COV-2和潜在的空中传输“,疾病预防与控制中心2020年。
  5. P. Stevens,“马拉松赛车为美国的城市带来了大笔资金。有些事件可能无法生存大流行“,CNBC.2020年。

评论(2)

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

你好,

是否有可能下载COMSOL文件?或任何PDF和帮助?

Rachel Keatley.
2月4日,2021年

你好!

感谢您的评论。

这里讨论的模型在COMSOL网站上不可用,但如果有兴趣,可以随意达到极限。

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