آسان نفس بکش؛ غلبه کردن بر ویروس کرونا با شبیه سازی CFD

مراکز تناسب اندام که مجهز به تهویه ناکافی هستند توسط دولت‌های سراسر جهان به عنوان نقاط مهم آلودگی در طول پاندمی کووید-19 شناسایی شده‌اند. ورزش مداوم باعث می‌شود که ورزشکاران در باشگاه به طور مداوم مقادیر زیادی از قطرات بزاق دهان را بیرون بدهند و این باعث می‌شود که ذراتی غلیظ که به طور بالقوه پر از ویروس هستند، ایجاد شود. همانطور که غلظت در سراسر باشگاه بوجود می ­آید، خطر قابل‌ توجهی برای کسانی که ممکن است ذرات ویروسی را جذب کنند و منجر به عفونتشان شود، ایجاد می‌کند. صاحبان باشگاه چگونه می­توانند از مشتریان خود بهتر مراقبت کنند؟ بسیاری از دولت‌ها بازگشایی مراکز تناسب اندام را تا زمان پاسخ به این سوال به تعویق انداخته‌اند.

اخیرا، اسپورتینوواتور ( Sportinnovator برنامه ­ای برای نوآوری و تحقیق ورزشی است که بودجه آن توسط وزارت بهداشت، رفاه و ورزش تامین می‌شود.) در هلند، رهبری این موضوع مهم را بر عهده گرفته است و دکتر برت بلوکن و تیم تحقیقاتی دانشگاه صنعتی آیندهوون را مامور بررسی این موضوع کردند که آیا سیستم‌های تهویه و تمیز کردن هوا می‌توانند به اندازه کافی تشکیل و استنشاق غلظت ذرات معلق میکروسکوپی خطرناک را کاهش دهند یا خیر. هنگامی که ذرات افشانه ­ای (Aerosol) خارج می‌شوند، معمولا در کسری از ثانیه تا چند ثانیه تبخیر می‌شوند و پشت یک ذره هسته جامد باقی می‌مانند، که ویروس می‌تواند بر روی آن قرار گیرد و می‌تواند چندین ساعت در هوا بماند، این امر به خصوص برای ذرات کوچک‌تر افشانه ­ای شایع­تر است. این ذرات که با چشم غیر مسلح دیده نمی‌شوند، تنها می‌توانند با استفاده از فن‌آوری شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی پیشرفته (‏CFD)‏ردیابی شوند.

تیم دکتر بلوکن به یادگیری نحوه پایین نگه داشتن غلظت افشانه­ ها به اندازه کافی توجه داشت تا اندازه افشانه­ ها به اندازه کافی بزرگ نشود و عفونت ایجاد نکند. این تیم با ترکیب ارزیابی آزمایش‌ها فیزیکی و مدل‌سازی Ansys Fluent، پاسخ جامعی برای حل این مساله ارائه داد که بهتر است دولت هلند را آموزش دهد و شواهد کافی برای عموم فراهم کند تا مراکز آمادگی جسمانی که به درستی تجهیز شده‌اند، بتوانند در طول این بیماری همه‌گیر، به طور ایمن بازگشایی شوند.

این تیم از نرم‌افزار Fluent برای ردیابی تعداد ذرات در فضای محدود یک مرکز تناسب اندام هلندی استفاده کرد و متوجه شد که سیستم تهویه، حتی اگر ۴.۵ برابر سریع‌تر از حداقل نرخ تهویه مورد نیاز در کد ساختمان هلند (Dutch Building Code) باشد، قادر به جلوگیری از افزایش یکنواخت غلظت ذرات در هوا نیست. این امر به آن‌ها انگیزه داد تا یک راه‌حل موثر، مقرون‌به‌صرفه و با بازده انرژی - دستگاه‌های تصفیه هوا پیشرفته - بیابند که بتواند در کنار سیستم تهویه کار کند، ذرات را به طور بالقوه از شر سرایت خلاص کند و ورزشکاران را ایمن نگه دارد. 

جمع‌آوری داده‌های اندازه‌گیری

در ۱۱ جولای ۲۰۲۰، تیم دکتر بلوکن تحلیل تجربی را برای اندازه‌گیری میانگین تراکم کلی افشانه­ های مرکز ورزش‌های دانشگاهی در دانشگاه صنعتی آیندهوون انجام داد. 

در طول بخش اول آزمایش، ورزش‌کاران دوچرخه‌های ثابت را می‌راندند، و به داخل دستگاهی که تعداد افشانه­های با اندازه‌های مختلف را شمارش می‌کرد، نفس می‌کشیدند. در بخش دوم، تیم دکتر بلوکن ۱۴۷ سنسور را در سراسر مرکز تناسب اندام نصب کرد که داده‌های اندازه‌گیری ۳۵ نفر را در یک بازه زمانی ۳۰ دقیقه‌ای جمع‌آوری کرد، و ارزیابی کرد که چه تعداد  قطرات هنگام تمرین در شدت‌های مختلف توسط ورزشکاران به هوا متصاعد می‌شود.

سپس، تیم تحقیقاتی از سیستم تهویه و دهان ورزشکاران به عنوان شرایط مرزی استفاده کرد و از یک اسکنر سبک برای اسکن سریع هندسه‌های بدن ورزش‌کاران در حین تمرین روی تردمیل و سایر ماشین‌ها استفاده کرد.

این آزمایش‌ها این تیم را قادر ساخت تا این قطرات ذرات نامریی را اندازه‌گیری کنند و داده‌های حیاتی برای ایجاد شبیه‌سازی‌ در نرم افزار Fluent را در اختیار داشته باشند. این تیم توانست به صورت دیجیتالی مرکز تناسب اندام را بازسازی کند، بینش‌هایی را در مورد اثربخشی تهویه مطبوع و پاک‌کننده‌های هوا موجود در مرکز تناسب اندام ارائه دهد و همچنین چگونگی حرکت ذرات در فضا را به تصویر کشیدند.

آنالیز کردن نتایج

با استفاده از نرم افزار Fluent و همچنین فضای ابری انسیس، این تیم متوجه شد که سیستم تهویه مطبوع و پاک‌کننده‌های هوا می‌توانند به طور بالقوه جریان‌های هوایی ایجاد کنند که مخالف جهت یکدیگر هستند و تا حد زیادی یکدیگر را خنثی کرده و اثربخشی یکدیگر را محدود می‌کنند. این بدان معنی است که جریان هوای تولید شده توسط سیستم تهویه مطبوع و پاک­ کننده­ های هوا باید به دقت برای رسیدن به نتایج بهینه هماهنگ شوند.

برای دسترسی به منابع آموزشی تحلیل CFD در حوزه های مختلف می توان از بسته های جامع آموزشی سایت مرجع تخصصی آموزش انسیس فلوئنت استفاده نمود.

تحقیقات این تیم همچنین به این نتیجه رسیدند که اگر یک مرکز تناسب اندام به یک سیستم تهویه مکانیکی مجهز باشد که حداقل الزامات قانونی را برآورده کند اما با تراکم افشانه ­های بسیار بالا مواجه باشد، نیازی نیست که سیستم تهویه خود را به روز رسانی کند، که مستلزم هزینه زیادی است. با بهینه‌سازی تعداد و محل پاک کننده‌های هوا در سراسر مراکز ورزشی، تراکم افشانه­ ها را می توان به میزان ۹۰ تا ۹۵ درصد کاهش داد که اقتصادی‌ترین و کارآمدترین روش برای کاهش خطر عفونت کووید در هوا، آنفلانزا یا هر بیماری عفونی دیگری است که ممکن است وجود داشته باشد.

بدون نرم‌افزار Fluent، حجم کاری تیم برای تکمیل تمام سناریوهای سالن ورزش به شدت افزایش می‌یافت، و فرآیند وقت­گیر اندازه‌گیری ذرات افشانه ­ای داوطلبانی که مبتلا به ویروس کووید-19 نشده­اند، حداقل سه سال زمان می­برد. با استفاده از نرم افزار Fluent و توان محاسباتی Ansys Cloud از طریق مایکروسافت آژور (Microsoft Azure)، این تیم موفق شد تحقیقات CFD خود را تنها در سه هفته به انجام برساند.

نتایج مطالعه مرکز تناسب اندام دکتر بلوکن به دولت کمک خواهد کرد تا مشاوره مناسبی برای مدیریت غلظت افشانه ­ها - نه تنها در سالن‌های ورزشی بلکه در کاربردهای بی‌شمار دیگر مانند مدارس، هواپیماها، آسانسورها، دفاتر تجاری، سالن‌های سینما و غیره را ارائه دهد.

تیم بلوکن، پس از موفقیت در مرکز تناسب اندام دانشگاه صنعتی آیندهوون، از نرم افزار فلونت برای آزمایش نسخه‌های با مقیاس بالا برای بررسی مفید بودن ماشین‌های تمیز کننده هوا در استادیوم‌های بزرگ، مانند یوهان کرایف آرنا از هلند، بزرگ‌ترین استادیوم کشور، و ماسپوورت، خانه موفق‌ترین تیم بسکتبال در هلند، استفاده خواهد کرد. استقرار این ماشین‌ها به زودی می‌تواند امنیت عمومی را در رویدادهای ورزشی بزرگ در سراسر جهان بهبود بخشد.

برای دسترسی به محتوای آموزشی تحلیل CFD در حوزه های کیفیت هوای داخل ساختمان می توان از بسته های جامع آموزشی “آموزش نرم افزار انسیس فلوئنت با کاربرد معماری و انرژی ساختمان” استفاده نمود.

مترجم متن: مهندس محسن صالحی - مرجع تخصصی آموزش نرم افزار انسیس فلوئنت https://fluentcfd.ir