Juuksuripood ja viirus

Kuidas õhuvoolu juhtimise tööriistad vähendavad COVID-19 levikut suletud ruumides.

On aktsepteeritud, et SARS-CoV-2 viirus levib peamiselt inimeselt inimesele, piiskade ja aerosoolide kaudu, mida inimene tekitab köhimisel, aevastamisel või isegi rääkimisel.

Kirjutas Krishnendu Sinha

COVID-19 pandeemia arenedes Indias, on keskendutud majanduse vabastamisele ja avamisele. On hakanud ilmnema karm reaalsus, et kuni vaktsiinide või uute ravimeetodite väljatöötamiseni peame õppima pandeemiaga elama. Lisaks muutustele sotsiaalses käitumises, nagu füüsiline distantseerumine ja maskide kasutamine, mängib koroonaviiruse edasikandumise ja leviku riski vähendamisel olulist rolli töökohtade ja ühiskondlike ruumide, nagu naabruskaupluste, büroohoonete ja klassiruumide moderniseerimine.

On aktsepteeritud, et SARS-CoV-2 viirus levib peamiselt inimeselt inimesele, piiskade ja aerosoolide kaudu, mida inimene tekitab köhimisel, aevastamisel või isegi rääkimisel. Tavaliselt allamillimeetrine või suurem tilk langeb pärast gravitatsiooni mõjul õhkupaiskamist kiiresti maapinnale. Aerosooliosakesed on palju väiksemad (tuhandik millimeetrist) ja võivad jääda õhku hõljuma, kandes endaga kaasa nakkavaid viirusosakesi ning inimesed võivad neid sisse hingata. Seetõttu on õhuvoolu ja ventilatsiooni mõistmine, eriti suletud ruumides, kus aerosoolid kipuvad püsima, nakkuse leviku kontrolli all hoidmise võtmeaspektiks.

Nüüd on küsimus: kuidas vähendada COVID-19-sse nakatumise ohtu kinnistes ruumides, näiteks naabruses asuvas kaupluses või juuksurisalongis? Juuksurisalongil on mõned ainulaadsed väljakutsed. Poe kliendid istuvad ühes kohas kogu soengu ajaks, tavaliselt 10-15 minutit. Mis mõjutab selle aja jooksul nakatumise ohtu? Kindlasti on oluline maski etikett, mida juuksur ja teised kliendid järgivad, nagu ka klientide vahel füüsiline distantseerimine. Sama oluline on küsimus: kas õhus lendlevate tilkade ja aerosoolide hajutamiseks on olemas piisav ventilatsioon? Võib-olla on juuksuril endal palju samu küsimusi. Lõppude lõpuks veedab ta selles kinnises ruumis palju rohkem aega kui kliendid.

Arvestame IIT-Bombay ülikoolilinnakus asuva juuksurisalongiga, mida külastavad õppejõud ja üliõpilased (kellest enamik jätkab praegu oma haridusteed veebis, kodus). Ülikoolilinnaku juuksuripoe paigutus on võib-olla sarnane sellega, mida võiks kohata enamikus riigi linnakeskkondades. Pood koosneb tavaliselt kinnisest ruumist (mõnel juhul on konditsioneeriga – see kehtib ülikoolilinnaku poe puhul) ja see ei ole tavaliselt hästi ventileeritud. Sellel on igal ajahetkel rohkem kui käputäis inimesi. Kliente tuleb sisse ja välja ning sotsiaalse distantseerumise säilitamine on keeruline. Kas sellise stsenaariumi korral saab õhuvoolu juhtimist kasutada ventilatsiooni parandamiseks ja õhu kaudu leviva ülekande ohu vähendamiseks?

Tehnilises plaanis nimetatakse õhuvoolu uurimist vedeliku mehaanikaks ja see on oluline paljudes valdkondades alates lennundusest ja masinaehitusest kuni astrofüüsika ja keskkonnani. Vedelikumehaanika õpetab meile, kuidas õhk liigub läbikäikudes ja takistuste ümber. Vedelikumehaanika matemaatilised võrrandid on hästi teada, kuid nende lahendamine on väga keeruline. Õhuvoolu ennustamiseks on vaja väga keerukaid arvutisimulatsioone ja see on uurimisvaldkond, mida nimetatakse arvutusliku vedeliku dünaamikaks. CFD võib meile öelda, kuidas õhk juuksuritöökojas ringi liigub ja kuidas nakkuslikud tilgad voogude kaudu edasi kanduvad. Samuti saab see arvutada, kuidas ventilaatorid, aknad, kliimaseade ja paljud muud tegurid võivad õhuvoolu muuta.

CFD-d on juba laialdaselt kasutatud õhuvoolu uurimiseks suletud ruumides, nagu raudteeruumid, kontoriruumid ja kaubanduskeskused. Mitmed teatatud uuringud käsitlevad inimeste mugavuse paranemist ja energiatarbimise vähendamist, näiteks kliimaseadmete parema disaini tõttu. Praegusel ajal, mil meie elus domineerib COVID-19, on CFD-uuringud keskendunud maskide mõjule (näitavad, kuidas maskid vähendavad eralduvate tilkade arvu ja nende läbitavat vahemaad) ning õhuvooludele ja aerosooli ülekandumisele ülimalt. turud. Hongkongi grupi aruanne on näidanud, kuidas ühest allikast pärinevad nakkuslikud tilgad võivad levida kogu kiirraudtee sektsiooni.

Täpsemalt, juuksuritöökoja kontekstis saab CFD-d kasutada moderniseerimislahenduste kavandamiseks, et minimeerida õhu kaudu levivate nakkuste levikut. Lihtsad meetmed, nagu väljatõmbeventilaatorite või isegi lihtsa pjedestaalventilaatori paigaldamine ja tagumise ukse avamine (õnneks on meil IITB juuksurisalongis olemas), võivad oluliselt muuta. Idee on kiiresti hajutada tilgad ruumi sees olevast potentsiaalsest allikast väljapoole, et minimeerida juuksuri ja teiste klientide ohtu. Lihtsad arvutused võivad meile juba öelda väljatõmbeventilaatorite jaoks vajaliku suuruse ja võimsuse. Näiteks eeldades, et juuksuritöökoja tüüpiline suurus on 10 jalga x 15 jalga x 10 jalga, kui soovime ruumi õhku iga minut vahetada, on vaja ventilaatoreid, mis suudavad minutis välja imeda 1500 kuupjalga õhku. või 1500 cfm, nagu see on toodud väljatõmbeventilaatori spetsifikatsioonides. Selleks, et seda teha kaks korda kiiremini, saame paigaldada kaks sellist ventilaatorit või ühe väljatõmbeventilaatori võimsusega 3000 cfm.

Kuigi lihtsad arvutused on hea lähtepunkt, on range analüüsi jaoks vaja üksikasjalikku CFD-d. Väljatõmbeventilaatorid võivad kas suurendada loomulikku õhuringlust ruumis või takistada seda. Seetõttu muutub väljatõmbeventilaatori loodud täpsete voolumustrite tundmine kriitiliseks. Näiteks võivad esineda sekundaarsed õhuvoolud, mida mõnikord nimetatakse surnud tsoonideks, kus õhutaskud võivad jääda pikaks ajaks lõksu. Loomulikult ei juhi see õhku ruumist välja ja sellises surnud tsoonis istuv inimene hingab rohkem sisse püsivaid aerosoole. Ventilaatorite ja ventilatsiooniavade paigutamine selliste surnud tsoonide vältimiseks juuksuritöökojas on õhuvoolu juhtimise jaoks ülioluline. Vajame CFD-mudeleid ruumi surnud tsoonide tuvastamiseks ja ka hinnangu andmiseks, kui kaua õhk sellistes taskutes viibib. CFD abil saame paigutada ventilaatorid ja tuulutusavad ruumi arvutimudelisse, et jõuda parima võimaliku lahenduseni.

Arvutada saab ka stsenaariume, kus õhuvool muutub, kui klient uksest sisse tuleb või väljub või kui väljast tuleb äkiline sooja õhu tõmme. CFD võib ka ennustada, kuidas asjad ilma või geograafiliste asukohtade tõttu muutuvad. Kuid vedeliku mehaanika võrrandid ei anna nii kergesti järele isegi tänapäeva arvutitele, kuna probleemid hakkavad muutuma üha keerukamaks. Näiteks vastata lihtsameelsele küsimusele, nagu mis juhtub miljonite juuksejuppidega põrandal? võib laiendada superarvutite piire. Selle teadmine aitab tõesti, sest keegi ei taha, et nad hakkaksid ringi vedelema.

CFD abil loodud moderniseerimislahendusi saab laiendada ka muudesse suletud ruumidesse, nagu nurgapealsed toidupoed, väikesed söögikohad ja arstikliinikud. Igaühel võib olla oma viis õhuvoolu juhtimiseks, et infektsiooni vähendada. CFD võib aidata välja töötada nende vajadustele kohandatud moderniseerimislahendusi. Suuremate seadistuste puhul, nagu loengusaalid, teatrid ja kaubanduskeskused, peame tegelema palju rohkemate inimestega ning mitme sisenemis- ja väljumiskohaga. Probleemi suurus on suurem, kuid teadus on sama. Vajame suuremaid ja rohkem ventilaatoreid ja tuulutusavasid ning CFD võib meile öelda, kuhu on kõige tõhusam neid paigutada. Reaalajas andmetega nutikaid lahendusi saab häälestada vastavalt konkreetsel ajahetkel kohalviibivate inimeste arvule. See võib olla energiatarbimise ja paigaldamise seisukohast tõhusam.

India teadlaste rühm nimega Fluid Mechanics Research for COVID-19 (FMRC) on kokku tulnud, et lahendada majanduse taasavamisest tulenevaid vedelikuvooluprobleeme. See rühm hõlmab teadlasi erinevatest IIT-dest (IIT-Bombay, IIT-Madras, IIT-Roorkee) ja tööstusest ning selle eesmärk on kasutada täiustatud modelleerimisvahendeid, et soovitada moderniseerimislahendusi, mis aitavad vähendada nakkuse edasikandumise riski. Selle rühma jaoks pakuvad erilist huvi küsimused, mis on seotud vedeliku vooluga suletud ruumides, ühistranspordis ja loomulikult klassiruumides.

Kirjanik on IIT Bombay lennundustehnika professor