Jaki dystans jest dla nas bezpieczny podczas epidemii COVID-19? Symulacja w Simcenter FloEFD
Od niedawna obowiązuje w przestrzeni publicznej obowiązek noszenia maseczek, a bezpieczny dystans jest określany na 2 metry. Takie są zalecenia lekarskie. Wspierają je także obliczenia i symulacje inżynierskie, także symulacja w Simcenter FloEFD. Staramy się określić, jaki dystans jest dla nas bezpieczny, aby podczas epidemii COVID-19 nie ulec zarażeniu koronawirusem. Przyjęliśmy dane dla kichania (skupiając się na ustach), jako zjawiska bardziej dynamicznego, o większej prędkości wydychania oraz rozprzestrzeniania się cząsteczek niż przy kaszlu. Kichanie nie jest symptomem COVID-19, ale może wystąpić niezależnie, u osób, u których nie wystąpiły (jeszcze) inne objawy choroby i być szczególnie niebezpieczne dla znajdujących się w pobliżu ludzi.
Przedstawiamy możliwości zastosowania środowiska marki Siemens, jakim jest Simcenter FLOEFD w analizie wydychanego powietrza przez człowieka w momencie kichania, na ulicy podczas spaceru. Symulacja ta pozwoli nam zobrazować jak wydychane powietrze może wpłynąć na otaczających ludzi. Istotnym aspektem podczas przeprowadzania tego typu symulacji jest fakt, aby dobrać właściwe dane dotyczące warunków brzegowych, rozkład prędkości lub natężenie przepływu określające kichanie człowieka. Wykorzystując dostępne publikacje [1] przyjęto, że maksymalna prędkość wydychanego powietrza przez człowieka podczas kichania wynosi około 15 m/s. Przygotowany model obliczeniowy CAD ludzi spacerujących po chodniku w obrębie budynków mieszkalnych przedstawia rys. 1.
Rys. 1. Analizowany model obliczeniowy
Siatkę obliczeniową wykonaną z elementów czworościennych – kartezjańskich wynoszących dla analizowanego modelu 1.2 miliona, przedstawia rys. 2.
Rys. 2. Siatka obliczeniowa analizowanego modelu
Analiza wydychanego powietrza symulująca efekt kichania została przeprowadzona w stanie nieustalonym (w czasie). Wymagało to dodatkowo zastosowania warunku brzegowego zmiennego w czasie. Rozkład prędkości wydychanego powietrza jako prędkość zmienna w funkcji czasu przedstawia rys. 3.
Rys. 3. Warunek brzegowy – prędkość na wylocie z ust – 15 m/s
Do prawidłowego przedstawienia wyników obliczeń z symulacji CFD użyto funkcji cząstek dyspersyjnych, które pozwalają na dokładne zobrazowania zasięgu kichania przez człowieka. Rzeczywiste cząstki kichania badane przez naukowców można podzielić na 3 grupy, w zależności od ich wielkości [2] co przedstawia diagram na rys. 4.
W obliczeniach uwzględniono również rzeczywisty rozkład wiatru, który może występować pomiędzy budynkami. Rozkład ten został przyjęty zgodnie z publikacją [3-4] i pomniejszony czterokrotnie. Kontury rozkładu prędkości wiatru, przyjęte w obliczeniach, przedstawia rys. 5.
Rys. 5. Rozkład prędkości pomiędzy budynkami oraz na ulicy
Wyniki obliczeń wydychanego powietrza przez człowieka podczas kichania w formie cząsteczek dyspersyjnych dla kroku czasowego 0.1 s przedstawia rys.6:
Rys. 6. Rozkład cząsteczek wydychanego powietrza podczas kichnięcia dla kroku czasowego 0.1s
Z powyższego artykułu można zauważyć, że odległość niebezpieczna, której powinniśmy unikać wynosi około 75 cm. Jest to odległość rozprzestrzeniania się cząsteczek z grupy 2, które są najgroźniejsze dla człowieka. Niewielka ilość małych cząsteczek z grupy 3 jest w stanie dotrzeć do nas przy odległości 1 m. Wielkość tych cząsteczek prawdopodobnie nie powinna być groźna dla organizmu człowieka, ponieważ udział ich jest niewielki. Dlatego z powyższych symulacji można wyciągnąć wniosek, że dla naszego bezpieczeństwa i 100% pewności lepiej zachować dystans większy niż 1 m, nawet 2 m. Jest to odległość podawana na ogół przez lekarzy jako dystans bezpieczny. Miejmy nadzieję, że zespolone wysiłki uczonych z różnych branż zaowocują skutecznym zwalczaniem epidemii COVID-19 w możliwie najszybszym czasie.
- Bourouiba L., Dehandschoewercker E., Bush J.W.M., Violent expiratory events: on coughing and sneezing, Journal of Fluid Mechanics, March 2014 DOI: 10.1017/jfm.2014.88 https://www.researchgate.net/publication/262983673_Violent_expiratory_events_On_coughing_and_sneezing Violent expiratory events: On coughing and sneezing
- https://www.materials-talks.com/blog/2020/04/15/droplet-sizing-of-coughs-and-sneezes/
- Pavitskiy N.I., Yakushin A.A., Zhurbin S.V. Computer simulation of wind-driven exhaust dispersion in the street canyons, Journal of Wind Engineering, No52, 1992, pp 120-125.
- Qin Y., Kot S.C. Validation computer modeling of vehicular exhaust dispersion near a tower block, Journal of Building and Environment, vol. 25, No2, 1990, pp 125-131.
Opracował: Marek Rudy