Frizētava un vīruss

Kā gaisa plūsmas pārvaldības rīki samazina COVID-19 izplatību slēgtās telpās.

Ir pieņemts, ka SARS-CoV-2 vīruss izplatās galvenokārt no cilvēka uz cilvēku, izmantojot pilienus un aerosolus, ko rada cilvēks klepojot, šķaudot vai pat runājot.

Rakstījis Krishnendu Sinha

Covid-19 pandēmijai Indijā izvēršoties, galvenā uzmanība tika pievērsta ekonomikas atbloķēšanai un atvēršanai. Ir sākusies skarba realitāte, ka līdz brīdim, kad tiks izstrādātas vakcīnas vai jaunas terapijas, mums būs jāiemācās sadzīvot ar pandēmiju. Papildus izmaiņām sociālajā uzvedībā, piemēram, fiziska distancēšanās un masku lietošana, darba vietu un koplietošanas telpu, piemēram, apkaimju veikalu, biroju ēku un mācību telpu, modernizēšanai būs svarīga loma koronavīrusa pārnešanas un izplatīšanās riska samazināšanā.

Ir pieņemts, ka SARS-CoV-2 vīruss izplatās galvenokārt no cilvēka uz cilvēku, izmantojot pilienus un aerosolus, ko rada cilvēks klepojot, šķaudot vai pat runājot. Piliens, kura izmērs parasti ir mazāks par milimetru vai lielāks, strauji nokrīt zemē pēc tam, kad tas ir izstarots gravitācijas dēļ. Aerosola daļiņas ir daudz mazākas (līdz tūkstošdaļai milimetra) un var palikt gaisā suspendētas, potenciāli pārnēsot sev līdzi infekciozas vīrusu daļiņas, un cilvēki tās var ieelpot. Tāpēc izpratne par gaisa plūsmu un ventilāciju, īpaši slēgtās telpās, kur aerosoli mēdz saglabāties, ir galvenais infekcijas izplatības kontroles aspekts.



Tagad jautājums ir: kā samazināt risku saslimt ar COVID-19 slēgtās telpās, piemēram, apkaimes veikalā vai frizētavā? Frizētavam ir dažas unikālas problēmas. Klienti veikalā uzturas vienā vietā visu frizūras laiku, parasti 10-15 minūtes. Kas šajā laikā ietekmē inficēšanās risku? Protams, svarīga ir masku etiķete, ko ievēro frizieri un citi klienti, kā arī fiziska distancēšanās starp klientiem. Tikpat svarīgs ir jautājums: vai ir atbilstoša ventilācija, lai izkliedētu gaisā esošos pilienus un aerosolus? Iespējams, pašam frizierim ir daudz tādu pašu jautājumu prātā. Galu galā viņš šajā slēgtajā telpā pavada daudz vairāk laika nekā klienti.

Mēs uzskatām par frizētavu IIT-Bombey universitātes pilsētiņā, ko apmeklē mācībspēki un studenti (no kuriem lielākā daļa pašlaik turpina izglītību tiešsaistē, no mājām). Universitātes frizētavas veikala izkārtojums, iespējams, ir līdzīgs tam, ko varētu sastapt lielākajā daļā valsts pilsētu. Veikals parasti sastāv no slēgtas telpas (dažos gadījumos ar gaisa kondicionētāju — tas attiecas uz universitātes pilsētiņas veikalu), un tas parasti nav labi vēdināms. Tajā jebkurā laikā ir vairāk nekā saujiņa cilvēku. Ir klienti, kas ienāk un iziet, un sociālās distancēšanās uzturēšana ir sarežģīta. Vai šādā scenārijā gaisa plūsmas pārvaldību var izmantot, lai uzlabotu ventilāciju un samazinātu gaisa pārnēsāšanas risku?

Tehniskā ziņā gaisa plūsmas izpēti sauc par šķidruma mehāniku, un tā ir svarīga daudzās jomās, sākot no kosmosa un mašīnbūves līdz astrofizikai un videi. Šķidruma mehānika māca mums, kā gaiss plūst ejās un ap šķēršļiem. Šķidruma mehānikas matemātiskie vienādojumi ir labi zināmi, taču to atrisināšana ir ļoti sarežģīta. Lai prognozētu gaisa plūsmu, ir nepieciešamas ļoti sarežģītas datorsimulācijas, un tas veido pētījumu jomu, ko sauc par skaitļošanas šķidruma dinamiku. CFD var mums pastāstīt, kā frizētavā pārvietojas gaiss un kā plūsmas pārvadā infekciozos pilienus. Tas var arī aprēķināt, kā gaisa plūsmu var mainīt ventilatori, logi, gaisa kondicionētājs un daudzi citi faktori.

CFD jau ir plaši izmantots, lai pētītu gaisa plūsmu slēgtās telpās, piemēram, dzelzceļa nodalījumos, biroju telpās un iepirkšanās centros. Vairāki ziņotie pētījumi attiecas uz cilvēku komforta uzlabošanos un enerģijas patēriņa samazināšanu, piemēram, uzlabojot gaisa kondicionēšanas sistēmu dizainu. Šajos laikos, kad mūsu dzīvē dominē COVID-19, CFD pētījumos galvenā uzmanība tika pievērsta masku iedarbībai (parāda, kā maskas samazina izstaroto pilienu skaitu un attālumu, ko tās pārvietojas), kā arī gaisa plūsmām un aerosola pārnešanu. tirgos. Honkongas grupas ziņojumā ir parādīts, kā infekcijas pilieni no viena avota var izplatīties uz visu ātrgaitas dzelzceļa nodalījumu.

Konkrēti, frizētavas kontekstā CFD var izmantot, lai izstrādātu modernizācijas risinājumus, lai samazinātu ar gaisu pārnēsāto infekciju izplatību. Vienkārši pasākumi, piemēram, izplūdes ventilatoru vai pat vienkārša pjedestāla ventilatora uzstādīšana un aizmugurējo durvju atvēršana (par laimi, mums tādas ir IITB frizētavā), var būtiski mainīties. Ideja ir ātri izkliedēt pilienus no potenciālā avota telpā uz ārpusi, lai samazinātu risku frizierim un citiem klientiem. Vienkārši aprēķini jau var mums pateikt izplūdes ventilatoriem nepieciešamo izmēru un jaudu. Piemēram, pieņemot, ka frizētavas veikala tipisks izmērs ir 10 x 15 pēdas reizes 10 pēdas, ja vēlamies katru minūti nomainīt gaisu telpā, būs nepieciešami ventilatori, kas var izsūkt 1500 kubikpēdas gaisa minūtē, vai 1500 cfm, kā norādīts izplūdes ventilatora specifikācijās. Lai to paveiktu divreiz ātrāk, mēs varam uzstādīt divus šādus ventilatorus vai vienu 3000 cfm izplūdes ventilatoru.

Lai gan vienkārši aprēķini ir labs sākumpunkts, stingrai analīzei ir nepieciešams detalizēts CFD. Izplūdes ventilatori var vai nu uzlabot dabisko gaisa cirkulāciju telpā, vai arī var to traucēt. Tāpēc ir svarīgi zināt precīzus plūsmas modeļus, ko rada izplūdes ventilators. Piemēram, var būt sekundāras gaisa plūsmas, ko dažkārt sauc par mirušajām zonām, kur gaisa kabatas var palikt iesprostotas ilgu laiku. Protams, tādējādi gaiss netiek izvadīts no telpas, un cilvēks, kas sēž šādā mirušā zonā, ir vairāk pakļauts noturīgu aerosolu ieelpošanai. Ventilatoru un ventilācijas atveru izvietojums, lai frizētavā izvairītos no šādām mirušajām zonām, ir ļoti svarīgs gaisa plūsmas pārvaldībai. Mums ir nepieciešami CFD modeļi, lai identificētu mirušās zonas telpā un arī novērtētu, cik ilgi gaiss kavējas šādās kabatās. Izmantojot CFD, mēs varam sakārtot ventilatorus un ventilācijas atveres telpas datora modelī, lai iegūtu labāko iespējamo risinājumu.

Var aprēķināt arī scenārijus, kad gaisa plūsma mainās, klientam ienākot vai izejot pa durvīm, vai kad no ārpuses pēkšņi ieplūst silts gaiss. CFD var arī paredzēt, kā lietas mainās atkarībā no laikapstākļiem vai ģeogrāfiskajām atrašanās vietām. Tomēr šķidruma mehānikas vienādojumi tik viegli nepadodas pat mūsdienu datoriem, jo ​​problēmas kļūst arvien sarežģītākas. Piemēram, atbildot uz vienkāršu jautājumu, piemēram, kas notiek ar miljoniem matu gabalu uz grīdas? var paplašināt superdatoru robežas. Zinot to, tas patiešām palīdzēs, jo neviens nevēlas, lai viņi sāktu peldēt apkārt.

Modernizācijas risinājumus, kas izstrādāti, izmantojot CFD, var attiecināt uz citām slēgtām telpām, piemēram, stūra pārtikas veikaliem, nelielām ēstuvēm un ārstu klīnikām. Katram var būt savs veids, kā pārvaldīt gaisa plūsmu, lai samazinātu infekciju. CFD var palīdzēt izstrādāt modernizācijas risinājumus, kas pielāgoti viņu attiecīgajām vajadzībām. Lielākiem uzstādījumiem, piemēram, lekciju zālēm, teātriem un iepirkšanās centriem, mums ir jāsadarbojas ar daudz vairāk cilvēku un vairākām ieejas un izejas vietām. Problēmas apjoms ir lielāks, bet zinātne ir tāda pati. Mums būs nepieciešami lielāki un vairāk ventilatoru un ventilācijas atveru, un CFD var mums pastāstīt, kur tos novietot ir visefektīvāk. Viedus risinājumus ar reāllaika datiem, iespējams, var pielāgot klātesošo cilvēku skaitam noteiktā brīdī. Tas var būt efektīvāks enerģijas patēriņa un uzstādīšanas ziņā.

Indijas pētnieku grupa ar nosaukumu Fluid Mechanics Research for COVID-19 (FMRC) ir apvienojusies, lai risinātu šķidruma plūsmas problēmas, ko rada ekonomikas atvēršana. Šajā grupā ir iesaistīti pētnieki no dažādām IIT (IIT-Bombay, IIT-Madras, IIT-Roorkee) un no nozares, un tās mērķis ir izmantot progresīvus modelēšanas rīkus, lai ieteiktu modernizācijas risinājumus, kas palīdzēs samazināt infekcijas pārnešanas risku. Šo grupu īpaši interesē jautājumi, kas saistīti ar šķidruma plūsmu slēgtās telpās, sabiedrisko transportu un, protams, klasēs.

Rakstnieks ir Aerospace Engineering profesors, IIT Bombay