截至2022年1月4日，本輪西安疫情已累計報告本土確診病例1793例，成為繼武漢疫情后單地疫情確診數(shù)量最多的一次，目前西安也已經(jīng)開始采取一定的措施進一步遏制疫情傳播。

 

然而隨著疫情的不斷蔓延，病毒傳播的源頭也更加撲朔迷離。自12月4日的PK854航班入境以來已發(fā)現(xiàn)幾條主要的傳播鏈，但目前看來，大概率還存在其他未知的傳播鏈。而機場作為疫情可能存在的第一“著陸”點，開始受到了社會各方的關(guān)注，爭議的焦點在于空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)會不會將病毒從國際候機區(qū)抽送到200余米外的國內(nèi)候機區(qū)域，從而導(dǎo)致了國內(nèi)乘機人員的感染？

 

 

那么問題來了，機場的送風(fēng)系統(tǒng)是否安全？

面對這些“看不見，摸不著”的猜測

如何通過科技手段還原送風(fēng)系統(tǒng)？

 

疫情以來，達索系統(tǒng)幫助過國內(nèi)外很多機場、車站、劇場、以及交通工具做過類似的氣流仿真實驗，可以很好的回答下面的問題：

 

• 空氣氣流是怎么傳播和運動的？
• 新鮮空氣多久能夠循環(huán)一次？
• 空氣在流動中有沒有受到污染？

 

 

01達索系統(tǒng)SIMULIA｜讓病毒無處遁形

 

通過分析，我們可以清晰地看到機場空調(diào)系統(tǒng)“送風(fēng)”和“回風(fēng)”過程中的空氣運動軌跡，也可以輕易地模擬不同場景下病毒是否混入了新鮮空氣及它的去向。同時也可以結(jié)合實驗來模擬不同的處置措施，比如直接“掐斷”回風(fēng)系統(tǒng)，來觀察新的氣流循環(huán)情況，從而確保機場內(nèi)空氣的安全。

 

精確的仿真模擬需要一個能夠模擬氣流和液滴顆粒行為的求解器。達索系統(tǒng)的仿真軟件 SIMULIA CFD/Fluid流體解決方案由PowerFlow和XFlow等關(guān)鍵技術(shù)驅(qū)動，能夠準確地模擬復(fù)雜環(huán)境下的湍流氣流、顆粒運動和跟蹤以及表面沉積，可以提供定性、定量以及可視化的分析手段。同時還可以考慮結(jié)合常規(guī)加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)關(guān)鍵性能指標(KPI)來預(yù)測液滴傳播，在加熱或冷卻情況下的行為，實現(xiàn)保證安全性的同時也確保舒適性。

 

其實這項技術(shù)在疫情之初的武漢雷神山醫(yī)院的建設(shè)中已經(jīng)得到驗證，通過應(yīng)用計算流體動力學(xué)（CFD）輔助了暖通送風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，該項技術(shù)和成果取得了國內(nèi)外的一致認可。作為雷神山醫(yī)院的設(shè)計方，中南建筑設(shè)計院股份有限公司一直把避免相關(guān)環(huán)境污染作為主要設(shè)計考量，尤其是對于“院內(nèi)如何避免因空氣流動而造成交叉感染，很大程度地保障醫(yī)護人員的工作環(huán)境安全；如何把院內(nèi)交叉感染降到很低”等問題，更是設(shè)計考量中的主要。

 

在暖通送風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時建立BIM模型，運用達索系統(tǒng)的XFLOW軟件模擬雷神山醫(yī)院病房內(nèi)空氣流動和污染物瞬態(tài)分布，并基于XFLOW工具計算病人和醫(yī)護人員位置污染物濃度與暖通布局的關(guān)系，對病房內(nèi)污染物濃度控制以及后期類似醫(yī)院建設(shè)提出了寶貴的建議。

 

 

 

02虛擬孿生｜驗證更多出行場景

 

春運在即，其將帶來日均4000萬人次的旅客發(fā)送量。人群的高度聚集對交通工具、交通樞紐以及相應(yīng)的公共場合的疫情防控帶來了很大的考驗，空調(diào)及通風(fēng)換氣系統(tǒng)等因素會密切影響到氣流的傳播。通過專業(yè)的仿真分析，可以減少春運中疫情傳播的風(fēng)險，為人們的安全出行提供參考，同時，也能夠為公共交通的服務(wù)商改善環(huán)境安全提供重要的技術(shù)手段。

 

下面我們就來分析一下春運交通中最常見的幾個場景。

 

01公共汽車     

 

為了展示這個場景，我們盡可能的在數(shù)字環(huán)境中還原了真實世界的幾何、物理、化學(xué)的各種因素，創(chuàng)建了“虛擬孿生”模型。

 

模擬情景是在一輛封閉無窗的公交車上，滿載乘客，其中有些人站立。車上的通風(fēng)情況是沿著公交車長度有4個HVAC空調(diào)，每個空調(diào)有7小個出風(fēng)口，空氣每小時完成循環(huán)3.75次。同時考慮了各個位置的溫度預(yù)設(shè)，如發(fā)動機面板、門窗、車頂、人體皮膚以及地域太陽輻射等綜合因素。

 

 

考慮到熱力學(xué)的影響，分析了該設(shè)定下的車廂內(nèi)的氣流環(huán)境，我們發(fā)現(xiàn)在后排有強勁的上升氣流導(dǎo)致車廂前后結(jié)果有所差異。暖通空調(diào)的氣流在車廂內(nèi)的循環(huán)也是很不均衡的，另外乘客產(chǎn)生的熱量和太陽輻射在一定程度上通過HVAC進行平衡，在很大程度上也通過冷窗對流進行平衡。

 

在這樣的前提下，我們分析了發(fā)生咳嗽和噴嚏之后的微顆粒的沉積情況，以便更好的分析車內(nèi)的污染物擴散情況。結(jié)果表明咳嗽或噴嚏之后，粗顆粒會在口腔前方迅速下降，如果此時攜帶病毒的乘客佩戴了口罩，那么在他的周圍沒有發(fā)現(xiàn)明顯的顆粒沉積。另外從時間觀測表明在咳嗽發(fā)生后的30秒到180秒內(nèi)顆粒沉淀沒有明顯變化。

 

這是在特定條件下進行模擬的情景和結(jié)果，并不一定能反映現(xiàn)實中每輛公交車的情況，只是希望這些分析結(jié)果給大家?guī)硪恍﹨⒖純r值。

 

50. 公交車內(nèi)的氣流主循環(huán)與顆粒的擴散很相關(guān)
50. 重顆粒容易導(dǎo)致局部表面污染，而氣溶膠顆?？梢韵蜻h方飄散
50. 感染者和被感人群同時佩戴口罩時，才能起到有效的防御效果，站姿和坐姿沒有明顯的影響
50. 發(fā)動機面板附近、出風(fēng)口及太陽照射的一面相對于溫度較低的區(qū)域更加安全
50. 如果公共汽車上每個人佩戴口罩，那么乘客吸入的目標顆粒物將減少88%

 

 

02火車/高鐵/地鐵     

 

同樣，對于人群密集的列車車廂，我們做了不同人群分步的情況下的顆粒擴散模擬。下圖中左邊的人群沒有能夠保持適當?shù)木嚯x，導(dǎo)致病毒傳播的風(fēng)險明顯的加大了。而右邊的人群由于距離較遠，顆粒很快就被通風(fēng)換氣系統(tǒng)稀釋了。

 

除了定時消毒清潔和盡量保持距離，一些措施和設(shè)計修改可以降低列車內(nèi)病毒感染的風(fēng)險。乘客之間的物理隔離裝置，如座椅之間的塑料面板和增加駕駛員周圍的屏蔽，都能限制病毒顆粒的傳播。氣流仿真可以模擬這些屏蔽周圍的氣流，以評估它們的有效性，并能夠優(yōu)化屏蔽的設(shè)計，和評估所采取的安全措施的有效性。

 

 

列車車廂內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計和通風(fēng)口的布置對氣流模式和病毒顆粒的潛在傳播有顯著影響。仿真模擬不僅揭示了這些流動的軌跡，還允許工程師測試不同的通風(fēng)口布置及配置，以盡量減少攜帶病毒的顆粒氣流在乘客之間的傳播。仿真還可以設(shè)計有效的濾波器系統(tǒng)，通過濾波器識別適當?shù)牧髁亢土Ｗ臃植肌?/font>

 

 

 

03飛機     

 

常見的飛機機艙布局帶來更特殊的環(huán)境，比如更封閉的機艙、每個座位的私人空調(diào)出風(fēng)口、貫穿機身的帶狀進出封口等，這樣的布局往往導(dǎo)致病毒顆粒很少跨通道傳播，但是更易于向前方傳播。

 

模擬座位2E上的乘客打噴嚏后的第10秒，對此進行顆粒的質(zhì)量分布分析，我們會發(fā)現(xiàn)吸入的顆粒比較多的是與打噴嚏在同一排的人，座椅在兩排之間起到了很好的保護作用，進風(fēng)口也會迅速吸走一部分顆粒。同時模擬還發(fā)現(xiàn)佩戴口罩可以很好地防止各種表面上沉積污染物質(zhì)，只有少數(shù)且較小的顆粒附著。

 

與此同時，借助我們的氣流仿真技術(shù)，航空安全機構(gòu)已將通風(fēng)和再循環(huán)系統(tǒng)確定為飛機的危險因素。例如，EASA建議航空公司在再循環(huán)系統(tǒng)中安裝HEPA過濾器，并很大程度地增加新鮮空氣流量，或者完全停用再循環(huán)風(fēng)扇。通過仿真模擬揭示空氣如何在艙內(nèi)移動，以及氣溶膠化的液滴（可能被污染）能移動多遠。這使工程師能夠分析重新排列通風(fēng)口和在空氣循環(huán)系統(tǒng)中添加過濾器如何阻礙病毒在機艙內(nèi)傳遞給其他乘客，同時一些采用新設(shè)計概念的座位和客艙布局迅速流行。

 

仿真軟件SIMULIA的CFD/FLUID解決方案使快速測試這些概念變得可行，并可以改進其設(shè)計，以便快速和成功地投入運行，確保乘客的安全。航空公司可以創(chuàng)建清晰、便于理解和有吸引力的可視化數(shù)據(jù)，使用模擬項目的圖像和視頻向潛在客戶展示安全性，提高乘客和民眾的信心。

 

 

03總結(jié)

 

本輪西安的疫情來勢洶洶，并且尚未到達拐點，但是它提醒了我們公共場所空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對安全的重要性。類似的場景有很多，公司的寫字樓、商場、劇院、博物館、電影院以及工廠等場所，都存在空調(diào)送風(fēng)回風(fēng)交叉污染的可能性。

 

同時春運也即將到來，希望借助新的科技手段，我們可以重新審視列車車廂、飛機客艙和汽車以及公共場所的設(shè)計和設(shè)施，分析污染風(fēng)險；增加改善措施或者重新設(shè)計，盡量降低病毒傳染風(fēng)險；同時通過可視化、形象化的視頻展示，更易于公眾理解，也能夠為其安全出行提供指引，增加信心。

 

說明：以上圖片資料來自于達索系統(tǒng)全球用戶案例及技術(shù)分享

 

 

關(guān)于達索系統(tǒng)SIMULIA流體和計算流體動力學(xué)仿真軟件

 

SIMULIA 的計算流體力學(xué) (CFD) 仿真產(chǎn)品使我們的客戶能夠設(shè)計產(chǎn)品，確保以快速的周轉(zhuǎn)速度準確地預(yù)測真實的性能。SIMULIA 的流體技術(shù)使客戶能夠解決涵蓋各種行業(yè)和應(yīng)用使用案例的各種難題。eVTOL 飛行和社區(qū)噪音測試、優(yōu)化賽車空氣動力學(xué)設(shè)計以獲得很好性能、根據(jù) WLTP 燃油效率法規(guī)認證汽車設(shè)計或測試新的飛機型號以確保飛行安全，而這些只是我們可以幫助客戶解決的其中一些問題領(lǐng)域。

 

SIMULIA 流體仿真由三項免費技術(shù)驅(qū)動，可為客戶提供可擴展的流體仿真，以滿足廣泛的實際應(yīng)用需要。PowerFLOW 和 XFlow 提供了先進的 Lattice Boltzmann 方法 (LBM)，以實現(xiàn)可準確預(yù)測實際性能的高保真仿真。Fluid Dynamics Engineer 通過將 CFD 嵌入到 3DEXPERIENCE 平臺中的設(shè)計、仿真、優(yōu)化、數(shù)據(jù)管理和商業(yè)智能應(yīng)用程序中，實現(xiàn)了多尺度多物理視覺效果。此外，塑料注塑成型應(yīng)用程序允許在產(chǎn)品開發(fā)過程的早期驗證和優(yōu)化塑料零件和模具工具設(shè)計。

 

其中PowerFLOW 用于準確地執(zhí)行空氣動力學(xué)、空氣聲學(xué)和散熱管理仿真，在非常復(fù)雜的模型幾何體上具有很高的保真度。XFlow 可解決復(fù)雜的流體問題，其技術(shù)在以下領(lǐng)域表現(xiàn)很好：動力傳動系統(tǒng)潤滑、設(shè)備流體性能、E-Drive、不利條件下的車輛性能、燃油箱晃動、流體結(jié)構(gòu)相互作用、UAV 操縱、船舶性能。

 

南京復(fù)創(chuàng)是達索知名的合作伙伴，專注于為中國制造業(yè)數(shù)字化和信息化建設(shè)提供咨詢服務(wù)和解決方案，主要涉及汽車、軌道交通、機械、電子、金融、教育、通訊、醫(yī)療等各大領(lǐng)域，點擊合作咨詢了解更多詳情。