انتشار ویروس کرونا با سرفه در هوای آزاد، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (کرونا)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی انتشار ویروس کرونا در اثر سرفه انسان بیمار در هوای آزاد با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

این سرفه ذرات ویروس را در هوای آزاد پخش می‌کند و می‌تواند یک شخص سالم را در فاصله معینی از بیمار آلوده کند. بنابراین یکی از به‌روزترین موضوعاتی که محققان برروی آن تمرکز کرده‌اند، بررسی حداقل فاصله مناسب بین شخص بیمار و شخص سالم برای جلوگیری از انتقال ویروس‌ها در حین سرفه یا عطسه بیمار است. به این فاصله مناسب، اصطلاحاً فاصله اجتماعی می‌گویند.

مدل حضر شامل یک انسان است که در یک دامنه محاسباتی مکعبی شکل به عنوان فضای هوای آزاد قرار می‌گیرد. دهان انسان به عنوان منبع انتشار ویروس به صورت یک مرز متمایز تعریف می‌شود. این مدل هندسی را به صورت سه‌بعدی با استفاده از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر (ANSYS Design Modeler) طراحی کرده‌ایم.

سپس این مدل را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی کرده‌ایم. دقت مش بندی در نواحی نزدیک به دهان بیمار بیشتر از نقاط دیگر است. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 584587 سلول با شبکه بندی ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

برای این پروژه، از مدل فاز گسسته دوطرفه (DPM) استفاده می‌کنیم. رفتار ذرات فاز گسسته را در حالت ناپایا (unsteady) تعریف کردیم. همچنین فرض می‌کنیم که رفتار ذرات تحت تأثیر جریان پیوسته (interaction with continuous phase) قرار می‌گیرد.

ما برای این مدل فاز گسسته، چند حالت فیزیکی شامل برخورد تصادفی (stochastic collision)، ادغام (coalescence) و شکست (breakup) تعریف کرده‌ایم. ذرات گسسته انتشاری را در فرم قطره (droplet) انتخاب کرده‌ایم. این قطرات دارای دمای 310 کلوین، سرعت 31.85 m/s و دبی جرمی 0.018 kg/s می‌باشد که در بازه زمانی 0 تا 0.1 ثانیه منتشر می‌شوند.

قطر این ذرات به صورت ثابت و هم‌اندازه با همدیگر نیست. بنابراین، روش توزیع رزین-راملر-لگاریتمی (rosin-rammler-logarithmic) را برای اندازه قطرها در نظر گرفته‌ایم. در این روش، اندازه حداقل، حداکثر و متوسط قطر، پارامتر انتشار (spread parameter) و تعداد اندازه قطرها را تعیین می‌کنیم.

لازم به ذکر است که زمانی می‌توان حالت قطره را در انتشار فاز گسسته اعمال کرد که مدل انتقال گونه‌ها (species transport) فعال شده باشد. پس ما برای شبیه سازی قطرات و فرایند تبخیر، مدل انتقال گونه‌ها را فعال کردیم. ضمناً فضای اطراف بدن بیمار در این  مدل از جریان هوا تشکیل شده است.

طبق تعریف فرایند انتشار (injection)، ذرات ویروس ناشی از سرفه انسان به صورت فیزیکی در قطرات آبی که در هوای آزاد اطراف تبخیر می‌شوند، از دهان بیمار به صورت یک فاز گسسته خارج می‌شوند.

نتایج

در پایان فرآیند حل، ما ردیابی دنباله (particle tracking) ذرات ذرات ویروس را به دست می‌آوریم. این دنباله ذرات گسسته براساس مدت زمان ماندگاری (resistance time) به دست آمده است. همچنین ما یک انیمیشن از فرایند انتشار ذرات ویروس و ناپدید شدن آنها در فضای آزاد در گذر زمان را حذف به دست آورده‌ایم.

ما تصاویر مربوط به ردیابی دنباله ذرات ویروس را در زمان‌های مختلف از فرایند شبیه سازی به دست آورده و آنها را ارائه می‌دهیم. نتایج نشان می‌دهد که ذرات ویروس در حین سرفه بیمار در هوای آزاد پخش می‌شود؛ به طوری که این انتشار ویروس در بازه زمانی 0.1 تا 1.75 ثانیه رخ می‌دهد.