چگونه میتوان با فاصله گذاری اجتماعی از انتقال COVID-19 جلوگیری کرد؟
شبیه سازی نحوه‌ی انتشار ویروس کرونا از فرد مبتلا در مکان‌ها و شرایط مختلف به کمک نرم افزار انسیس فلوئنت کمک شایانی به شناخت بیشتر این پانادمی و تعیین مقدار درست فاصله گذاری اجتماعی کرده است. در این مقاله به بررسی جنبه‌های مختلف مدلسازی COVID-19 در فلوئنت و سایر نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) خواهیم پرداخت.
- گستره‌ی مدل سازی CFD برای انتقال COVID-19
- بیماری همه گیر سندرم حاد تنفسی (SARS) یکی از موضوعات مورد توجه در دهه های گذشته بوده است، زیرا این ویروس ها زندگی بسیاری را به خطر انداخته اند.
- پس از انجام اقدامات احتیاطی در مورد انتقال ویروس کرونا، کنترل آن برای بسیاری از دولت‌ها فرآیندی دشوار است. از این رو، بسیاری از دانشمندان، متخصصان پزشکی و مهندسان با استفاده از تکنیک‌های تجزیه و تحلیل مختلف تلاش کرده‌اند تا رفتار انتقال ویروس کرونا (COVID-19) رادرک کنند.
- سه دلیل عمده در پس انتشار ویروس ها وجود دارد که عبارتند از: تماس فرد به فرد، انتقال قطرات به هوا و سطح و انتقال آن از طریق هوا.
- بنابراین برای کنترل انتقال، فاصله گذاری اجتماعی و استفاده از ماسک توصیه شده است.
- پارامترهای دیگر مانند اندازه اتاق و تهویه نیز برای درک فاصله اجتماعی بین افراد مهم هستند.
- برای کنترل شیوع ویروس کرونا، فاصله گذاری اجتماعی در بسیاری از کشورها اجرا شده است. این یکی از بهترین راه ها برای جلوگیری یا کاهش اثر انتقال قطرات از فرد آلوده است.
- بررسی انتقال ویروس کرونا توسط فرد به فرد مشکل است. از این رو، مدل سازی CFD امکان مطالعه تأثیر پارامترهای مختلف مانند الگوی جریان دم و بازدم توسط دهان یا بینی، دما و توزیع ذرات ویروسی در هوا را فراهم میکند.
- تجزیه و تحلیل CFD همچنین میتواند به تعیین میزان سرایت بیماری به فرد در معرض و فاصله اجتماعی موثر کمک کند.
- انتقال COVID-19 از طریق انتشار فرد به فرد
- انتقال بیماری سارس مانند بیماری کووید-۱۹ زمانی که بیمار مبتلا نزدیک به سایر افراد است، شدت بیشتری دارد.
- این مقاله یک تجزیه و تحلیل CFD از فرآیند تنفس انسان، تأثیر انتقال هوای بازدمی بر روی فرد مجاور از طریق تنفس، سرفه و عطسه را ارائه میکند.
- تجزیه و تحلیل CFD شیوع ویروس کرونا از طریق نشستن فرد به فرد توسط گائو و همکارانش (Gao et al.) با مقاله تحت عنوان “Transient CFD simulation of the respiration process and inter-person
exposure assessment” انجام شد. - سه مورد مختلف برای فرد مبتلا به کووید برای تنفس طبیعی از طریق بینی یا دهان و عطسه یا سرفه در این مقاله بررسی شده است.
۱-۲ دامنه‌ی محاسبانی برای تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی
- حوزه محاسباتی برای اتاق تهویه (متر ۲٫۲ × متر ۲٫۵ × متر ۲٫۶) که توسط گائو و همکارانش در نظر گرفته شده بود، در شکل زیر نشان داده شده است تا با استفاده از مانکن حرارتی محاسباتی (computational thermal manikin) تأثیر پخش فرد به فرد بر کیفیت هوای داخل اتاق مطالعه شود.
- ورودی هوا در پایین دیوار و خروجی هوا در بالای دیواره‌های جانبی مشخص شده است.
- مدل‌های مانکن حرارتی محاسباتی (CTM) در مرکز اتاق قرار گرفته‌اند. یک نفر مبتلا به ویروس کرونا (SARS-2) و دیگری فرد در معرض ابتلاست.
۲-۲ نوع شبکه‌ی اعمال شده
- سلول‌های شش وجهی در اتاق و عناصر چهار وجهی به عنوان لایه مرزی در اطراف آدمک‌ها در نظر گرفته شده است.
- تعداد کل سلول ها حدود ۲٫۵ میلیون است.
- مش اطراف بدن آدمک طوری اصلاح شد که y+ کمتر از ۱ باشد.
برای آموزش و یا شبیه سازی Covid 19 در نرم افزار انسیس فلوئنت با ما در ارتباط باشید.
۲-۳ مدل‌ها و شرایط مرزی
جزئیات مدل‌های CFD و شرایط مرزی مورد فوق در بخش زیر آورده شده است:
- جریان گذرا با درنظر گرفتن اثر شناوری کامل
- مدل آشفتگی: مدل RNG k-ε شامل اثر عدد رینولدز کم (low-Reynolds number effect)، رفتار دیواره تقویت‌شده (enhanced wall treatment)
- طرح عددی: اختلاف مرتبه دوم بالادست
- ورودی هوای اتاق: V = 0.2 m/s، T = 22°C، شدت آشفتگی = ۲۰٪، قطر هیدرولیک =۳۵ متر
- خروجی هوای اتاق: Pressure outlet
- دیوارهای اتاق: آدیاباتیک
- دمای دیواره بدن انسان در ۳۱ درجه سانتی گراد
- بینی یا دهان با سرعت یا نرخ جریان تنفس که تابعی از زمان است، مشخص شده است. نرخ جریان تنفس به عنوان تابع سینوسی فرکانس تنفسی (respiratory frequency) و حجم جزر و مدی (tidal volume) ارائه میشود.
۲-۴ مدل سازی تنفس از فرد مبتلا به COVID-19
- در فرآیند تنفس طبیعی، تعداد قطرات در بازدم ناچیز است. از این رو، تجزیه و تحلیل انتشار گاز ردیاب برای مدلسازی CFD در نظر گرفته میشود.
- برای فرد مبتلا به کووید (CTM)، فرآیند تنفس واقعی با یک منحنی سینوسی مدلسازی میشود.
- در مدل CFD فوق که توسط گائو و همکارانش (۲۰۰۶) ارائه شده بود، فرکانس تنفس برای کارهای فیزیکی سبک حدود ۱۷ بار در دقیقه با میانگین زمان ۸٫۴ لیتر در دقیقه است.
- گاز ردیاب با غلظت (= ۱۰۰۰ ppm) به هوای بازدم اضافه شده است.
- انتشار گذرا گاز ردیاب در فضای اتاق، بر اساس معادله انتقال گونهها (φ) محاسبه میشود.
در اینجا، φ غلظت گاز ردیاب است. ρ چگالی هوا است. U بردار سرعت، Ø ضریب انتشار و S ترم چشمه گاز ردیاب است.
- پس از حل غلظت گاز ردیاب، کسر جرمی (f) هوای بازدمی به صورت 𝑓=𝜑𝑐𝑒𝑥 محاسبه میشود.
- برای فرآیند عطسه یا سرفه، اثر تنش برشی، نیروهای گرانشی و الکترواستاتیکی برای شبیهسازی قطرات توسط معادله بقای گونهها در نظر گرفته نمی‌شود.
- اما در ابتدا برای چند ثانیه پس از عطسه یا سرفه، استفاده از روش گاز ردیاب به دلیل سرعت بالای قطرات و هوای بازدمی، قابل استفاده است. میتوان از مومنتوم، گرما و تبادل جرم بین قطرات و هوای اتاق صرف نظر کرد.
- پس از این دوره اولیه، پدیده تبخیر و چسبندگی قابل توجه است و در نظر گرفتن تأثیر آیرودینامیکی بر قطرات یا ذرات ضروری است.
- در مطالعه عددی گائو و همکارانش. (۲۰۰۶)، حرکت گاز ردیاب نشان داد که قطرات ریز هستند و قطر آیرودینامیکی آنها کمتر از µm5 میباشد.
- برای مدلسازی حرکت ذرات با اندازه بزرگتر، باید از مدل مسیر (رویکرد لانگراژی) استفاده شود.
- به منظور ساده سازی، فرآیند استنشاق گذرا فرد در معرض (CTM) به حالت پایا با سرعت جریان هوای استنشاقی ۰٫۱۴ لیتر بر ثانیه در نظر گرفته شده است.
- برای تنفس، سرفه و عطسه طبیعی، مساحت بینی و دهان به ترتیب ۱٫۵ و ۲٫۵ سانتی متر مربع در نظر گرفته شده است.
- زاویه جریان هوای بازدمی به ترتیب ۳۰ درجه به سمت پایین و ۰ درجه (افقی) از بینی و دهان در نظر گرفته شده است.
- هوای بازدم در دمای ۳۴ درجه سانتی گراد و چگالی ۱۵ میباشد.
- زمان فرضی عطسه حدود ۱ ثانیه با سرعت جریان حجمی هوا ۲۵۰ لیتر در دقیقه است.
- برای سادگی، تنها یک فرآیند عطسه مدل سازی شده است، در حالیکه افراد میتوانند بیش از یک عطسه در یک چرخه معمولی عطسه یا سرفه داشته باشند.
۲-۵ مدل سازی سرایت COVID-19 به افراد در معرض
- میزان سرایت به فرد در معرض با استفاده از شاخص عفونت، η بصورت زیر تعریف میشود:
V = نرخ استنشاق
ρ = چگالی هوای استنشاقی
C = کسر جرمی هوای عطسه شده در هوای استنشاقی
- در تجزیه و تحلیل CFD گائو و همکارانش (۲۰۰۶)، مقدار η برای فرد در معرض ۸۰۰ میلی گرم در نظر گرفته شده بود.
۲-۶ مدلسازی قطرات
- برای مدلسازی قطرات (ذرات) بازدم شده از فرد مبتلا به کووید، اگر تأثیر ذرات بر جریان هوا قابل توجه باشد باید از مدل فاز گسسته (DPM) برای پیش‌بینی غلظت ذرات استفاده شود.
- برای مدل چند فازی اگر غلظت ذرات در جریان هوا کمتر از ۱۰ درصد باشد، از مدل اویلری و لاگرانژی استفاده میشود.
- از قانون دوم حرکت نیوتن برای یافتن مکان ذرات استفاده میشود:
۳٫ نتایج بدست آمده از تحلیل CFD
۳-۱ دم و بازدم از بینی فرد مبتلا به کووید
- بر اساس نتایج CFD، هوای بازدم شده از طریق بینی فرد مبتلا به کووید، تحت تاثیر توده حرارتی (Thermal plume) قرار میگیرد و به سمت بالا حرکت میکند.
۳-۲ دم و بازدم از دهان فرد مبتلا به کووید
- هوای بازدم شده از طریق دهان فرد میتواند از جریان هوای گرم در حال افزایش در اطراف بدن انسان (CTM) دور شود زیرا جریان هوای بازدمی در مومنتومهای بالا، بصورت افقی میباشد.
۳-۳ عطسه هوا بدون قطرات
- تغییرات کسر جرمی هوای عطسه شده در طول و بعد از عطسه بر اساس CFD توسط گائو و همکارانش مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است (۲۰۰۶).
- هوای حاوی ویروس از دهان فرد مبتلا به کووید با سرعت بالایی خارج میشود و فرد در معرض آن ذرات ویروس را با تنفس دریافت میکند.
- کسر جرمی هوای عطسه شده در هوای استنشاقی فرد در معرض در طی فرآیند عطسه فرد مبتلا به کووید، در زیر ارائه شده است.
- انتقال کووید ناشی از عطسه، میتواند بر خلوص هوای تمیز وارد شده به اتاق تأثیر بگذارد.
- عوامل دیگری مانند استفاده از ماسک و فاصله اجتماعی بین دو نفر میتواند بر درصد سرایت تأثیر بگذارد.
- توجه به این نکته ضروری است که قرار گرفتن در معرض عطسه یا سرفه به جهت عطسه یا سرفه فرد مبتلا به کووید وابسته است. با استفاده از مدلسازی CFD میتوان آن را به خوبی درک کرد.
- بخش بزرگی از سرایت COVID را میتوان توسط تهویه هوا، از اتاق خارج کرد.
۳-۴ عطسه با قطرات
- مهران صالحی (۲۰۲۰) یک تجزیه و تحلیل CFD را انجام داد که در آن دو نفر در یک اتاق با فاصله ۶ فوتی از یکدیگر ایستاده بودند.
- شبیه‌سازی‌های گذرا با استفاده از مدل فاز گسسته (DPM) برای قطرات بازدم شده توسط فرد مبتلا به کووید انجام شد.
- اندازه قطرات در محدوده ۱۰۰-۱ میکرومترِ قطر در نظر گرفته شده بود.
- سرعت سرفه فرد مبتلا به کووید ۵۰ متر بر ثانیه است.
- نتایج CFD نشان میدهد که مومنتوم محوری ذرات هنگام طی کردن فاصله ۶ فوت، کاهش مییابد.
- ذرات بزرگتر نسبت به ذرات سبک‌تر به دلیل اینرسی موجود، سریع‌تر به زمین می‌افتند.
- مهندسان ANSYS FLUENT همچنین با در نظر گرفتن جریانهای چند فازی هوا و قطرات و مدل فیلم دیواری برای ذرات، شبیهسازی عددی قطرات از فرد آلوده را که در نزدیکی فرد در معرض قرار گرفته بود، انجام دادند.
- مشاهده شد تعداد ذراتی که به فرد در معرض برای یک فاصله گذاری اجتماعی کوچک (۳ فوت) میرسد، بسیار زیاد است.
- این وضعیت زمانی که دو نفر بدون استفاده از ماسک با یکدیگر صحبت میکنند بسیار رایج است.
- ANSYS FLUENT شبیه سازی عددی را انجام داد که در آن سه نفر نزدیک به هم ایستاده بودند.
- فاصله گذاری اجتماعی بزرگتر میتواند به کاهش تأثیر ذرات کرونا کمک کند.
۳-۵ اثر محافظ صورت (Face shield)
- مهندسین Dassault با استفاده از حلگر CFD SIMULIA و نرم‌افزار PowerFLOW اثر محافظهای صورت را بر انتقال قطرات از فرد کووید بررسی کردند.
- نتایج CFD آنها نشان میدهد که کارکنان پزشکی باید از ماسک و محافظ صورت به صورت همزمان، برای محافظت در برابر انتقال ویروس کرونا استفاده کنند.
- ویدئوی بدست آمده از نتایج شبیهسازی CFD توسط مهندسان Dassult را تماشا کنید.
جمع بندی
- شبیه سازی‌های CFD زیادی توسط بسیاری از گروه‌های تحقیقاتی به منظور درک فیزیک جریان عطسه، سرفه و تأثیر آنها بر افراد در معرض انجام شده است.
- الگوی جریان عطسه یا سرفه تحت تأثیر فاصله گذاری اجتماعی بین دو نفر، ماسک صورت، تهویه هوا و محیطی که اشخاص در آن هستند، میباشد.
- اکثر نتایج CFD نشان میدهد که قطرات بازدم شده توسط COVID-19 یا فرد آلوده پس از ۶ فوت شروع به سقوط میکنند. بعد از آن اثر ذرات کمتر است. با این حال نمیتوان انتقال بوسیله هوا را که مدل سازی عددی آن دشوار است، نادیده گرفت.
- استفاده همزمان از ماسک و محافظ صورت، تاثیر ذرات کرونا را بسیار کمتر میکند.
برای آموزش و یا شبیه سازی ویروس کرونا در نرم افزار انسیس فلوئنت با ما در ارتباط باشید.
