Блог

Численное моделирование помогает в борьбе с коронавирусом

В условиях пандемии коронавируса исследователи ищут пути предотвращения новых заражений. Теперь, когда Всемирная организация здравоохранения признала, что коронавирус способен длительное время оставаться на поверхности предметов и распространяться вместе с частицами по воздуху, стало очевидно, что вопросы дезинфекции и управления воздушными потоками играют ключевую роль в борьбе с эпидемией.

Человечество уже начало приспосабливаться к новым жизненным реалиям, однако ученые продолжают работать над тем, чтобы повысить эффективность предпринимаемых мер и упростить повседневную жизнь с помощью новых технологических решений. В этом им помогает численное моделирование, так как именно компьютерный анализ позволяет в короткие сроки разрабатывать и оптимизировать изделия, адаптируя их под социальные и медицинские нужды.

Оптимизация воздушных потоков

Воздушно-капельный путь заражения представляет особую угрозу в многолюдных или плохо вентилируемых помещениях, так как микроскопические капли, выделяемые при разговоре, кашле или чихании, продолжают циркулировать в воздухе и заражать других людей.

Размер капель, возникающих при чихании, составляет сотни микрон, поэтому на их траекторию влияет сила тяжести, что заставляет их быстро падать на землю. Диаметр частиц, попадающих в воздух при разговоре или кашле, значительно меньше и в среднем составляет 7 микрон, что примерно равно размеру частиц пыльцы. Они представляют наибольшую опасность, так как более подвержены действию воздушных потоков, и почти не поддаются действию гравитации, поэтому могут долгое время циркулировать в воздухе, распространяя вирус.

Недавнее исследование, проведенное в одном из ресторанов китайского города Гуанчжоу, показало, что вирус поражал только тех посетителей, кто сидел на стороне, обдуваемой воздухом из кондиционера. Те, кто сидел ближе к распространителям вируса, не заболели, что говорит о важности такого фактора, как движение потоков воздуха.

В компании Wirth Research придумали новый метод – использование вертикального воздушного потока, который будет сдувать мелкодисперсные частицы на пол, не позволяя им разносить вирус по воздуху. По словам Ника Вирта, президента Wirth Research, создать подобную систему вентиляции совсем не сложно, но не все еще до конца осознают, насколько важную роль она может сыграть в условиях пандемии, с которой столкнулось человечество.

Например, при разработке решения для пассажирского лифта инженеры выяснили, что вертикальный воздушный поток скоростью 1 м/с может значительно снизить риск заражения даже при небольшой социальной дистанции.

Моделирование воздушных потоков в офисном помещении, произведенное инженерами Wirth Research (Фото: Wirth Research)

Разработанная в Wirth Research модель показала, что такое решение позволит значительно сократить социальную дистанцию, исключая возможность заражения. При этом все опасные частицы будут оставаться на полу, который регулярно подвергается санитарной обработке.

Система дезинфекции кабины самолета ультразвуком

Путешествия воздушным транспортом в условиях пандемии также представляют особый риск, так как коронавирус может не только передаваться воздушно-капельным путем, но и выживать на поверхности в течение длительного времени. В самолете, где сидения, подлокотники и поручни используются большим количеством пассажиров, вопрос дезинфекции имеет особую важность.

Инженерам было необходимо разработать решение, способное обеспечить эффективную дезинфекцию поверхностей в короткий промежуток времени, чтобы минимизировать время простоя между перелетами. За основу была взята технология дезинфекции больничных палат с помощью больших доз ультрафиолетового света. 

Было принято решение использовать робота, способного передвигаться по салону, облучая сидения УФ-лампами, установленными на его основании и со стороны каждого ряда сидений. В ходе моделирования данная технология показала наибольшую эффективность, так как она позволила дезинфицировать самые труднодоступные участки салона. Также численное моделирование позволило оптимизировать конструкцию робота и рассчитать необходимую мощность УФ-ламп.

Многоразовые фильтры для респираторов, напечатанные на 3D-принтере

Компании ExOne и Pitt совместно работают над созданием многоразовых респираторов с металлическими фильтрами, изготовленными с помощью 3D-печати. Пористые фильтры будут помещаться внутри пластикового картриджа и подвергаться стерилизации для многоразового использования. Помимо удобства это также позволит сократить и количество отходов в виде одноразовых масок.

Компания ExOne специализируется на производстве промышленных 3D-принтеров, использующих технологию высокоскоростной струйной печати, которая позволяет изготавливать металлические детали с различным уровнем пористости. В процессе изготовления печатающая головка слой за слоем наносит на металлический порошок жидкое связующее вещество. Затем напечатанное изделие помещается в печь для достижения определенного уровня пористости.

Планируется производство фильтров из меди, давно известной своими антибактериальными свойствами, и нержавеющей стали 316L. По словам генерального директора ExOne Джона Хартнера, позже данная технология позволит изготавливать фильтры для вентиляторов, анестезиологических масок и прочего оборудования.

Для тестирования фильтров, поиска оптимального материала и пористости исследователи используют программное обеспечение Ansys. Компьютерное моделирование позволяет оптимизировать процессы нанесения связующего вещества и последующего спекания для достижения необходимых характеристик фильтрации и пропускной способности.

Все перечисленные технологические решения направлены на то, чтобы оградить людей от угрозы заражения коронавирусом и сделать их жизнь более комфортной в условиях новых реалий. Исследователи уверены, что внедрение подобных технологий позволит если не исключить, то по крайней мере минимизировать риск распространения инфекции, сохраняя жизни множества людей. 

«Наша команда работает в усиленном режиме, чтобы ускорить внедрение многоразовых фильтров для медицинского персонала, находящегося на передовой борьбы с пандемией COVID-19 – говорит Джон Хартнер, генеральный директор ExOne. – После утверждения нашей разработки мы сможем применять подобные фильтры не только в респираторах, но и в других жизненно важных устройствах». 

«Я надеюсь, что благодаря современным технологиям нам удастся найти вакцину от COVID-19, но также считаю, что не стоит полагаться лишь на нее. Нужно сосредоточить свои усилия на предотвращении новых заражений, – говорит Ник Вирт, президент Wirth Research. – Если мы найдем способ побороть коронавирус, то сможем применять его и в борьбе с другими вирусами. За всю свою историю человечество так и не изобрело лекарство от обычной простуды, поэтому, возможно, нам удастся найти способ предотвратить ее распространение».

 

Источники: 

https://www.theengineer.co.uk/managing-airflow-coronavirus/ 

https://www.ansys.com/-/media/ansys/corporate/resourcelibrary/application-brief/uv-disinfecting-aircraft-application-brief.pdf?la=en&hash=454875C5ECF4ED4BBE7E167AC656DBE49E0EE526 

https://www.businesswire.com/news/home/20200427005107/en/ExOne-Pitt-Collaborate-Produce-Promising-Reusable-Respirators

Связанные новости
АО «ЦИФРА» и Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого заключили договор об организации стажировок для студентов по направлению «Механика и математическое моделирование». 16 апреля ведущий специалист АО «ЦИФРА» Мария Чуковенкова выступила в Высшей школе теоретической механики с презентацией о возможностях стажировки в компании. Студенты Политеха старших курсов смогут пройти летнюю практику в компании «ЦИФРА», применить знания для участия в реальных проектах под руководством опытных экспертов компании.
Сотрудники АО «ЦИФРА» приняли участие в заседании секции № 3 «Техническая эксплуатация и ремонт флота, охрана труда» научно-технического совета АО «ЦНИИМФ» (Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота). Инженер по динамике и прочности АО «ЦИФРА» Андрей Дмитриев выступил с докладом о предстоящем совместном выполнении НИР по расчетному обоснованию эксплуатации железобетонного судна согласно правилам Российского морского регистра судоходства (РС). Также участники заседания рассмотрели тему проектирования судовых конструкций с использованием технологий топологической оптимизации.
Связанные публикации в блоге
Ограждающие конструкции зданий и сооружений проходят проверку на звукоизолирующую способность. Соответствие бетонных/железобетонных перекрытий нормам по звукоизоляции оценивается путем проведения натурных или лабораторных испытаний на воздействие воздушного и ударного шума
Сегодня утром Ever Given на 80% сняли с мели в Суэцком канале. Контейнеровоз блокировал транспортировку грузов с 23 марта, в заторе оказалось 450 судов, по информации в СМИ. Каждый день перекрытия Суэцкого канала обошелся мировой экономике потерями в 9,6 млрд долларов (Bloomberg). Делимся взглядом на событие с точки зрения специалистов в области решения инженерных задач.
Связанные вебинары
АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.