تنفس (ناپایا) بیمار کرونا در اتاق بیمارستان، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (تنفس)

هدف از این مسأله، شبیه سازی تنفس از دهان بیمار کرونا در اتاق بیمارستان با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) می‌باشد.

درواقع، در پروژه حاضر یک اتاق بستری بیمارستان طراحی کردیم که مجهز به سیستم تهویه مطبوع و هواسازی است. از سوی دیگر، بیمار در هر مرتبه دم و بازدم، اکسیژن دریافت می‌کند و دی‌اکسید کربن را خارج می‌کند.

هدف اصلی شبیه سازی حاضر این است که در مقابل خروج هوای آلوده از دهان بیمار به محیط، اجازه دهد تا هوای تازه (حامل اکسیژن) به طور مداوم به داخل اتاق جریان یابد.

سیستم‌های تهویه مطبوع طراحی شده در سقف و کف اتاق وظیفه گردش هوای تازه در داخل اتاق و هدایت آن از منافذ کناری به محیط بیرون را بر عهده دارند.

این مدل از یک اتاق مکعبی به ابعاد 2.9 متر ⨯ 2.23 متر ⨯ 3.7 متر تشکیل شده است، بنابراین، یک تخت بیمارستان و یک بیمار روی آن طراحی کرده‌ایم. همچنین شش پنل دایره‌ای به عنوان جریان ورودی هوای تازه و پنج پنل مستطیلی برای جریان خروجی در دیواره‌های اتاق در نظر گرفته‌ایم.

هندسه مدل حاضر را به صورت سه بعدی با استفاده از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر (ANSYS Design Modeler) طراحی کرده‌ایم. از آنجایی که هدف اصلی مسأله، تمرکز بر جریان هوای بازدمی از دهان بیمار است، سطح دهان بیمار را به عنوان مرز ورودی در نظر گرفته‌ایم.

سپس این مدل را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی کردیم. این مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 4354238 سلول با شبکه بندی ایجاد شده است. شبکه‌ها در نواحی مجاور مرزهای داخلی کوچک‌تر بوده و دقت بالاتری دارد.

به دلیل این که فرایند تنفس به گذر زمان وابسته است، مسأله حاضر ناپایای زمانی (unsteady) است و دارای گام زمانی 0.01 ثانیه است.

روش‌های استفاده شده

جریان هوای تازه وارد شده به فضای داخلی اتاق از ترکیب اکسیژن (O₂) و نیتروژن (N₂) با نسبت 3.76 تشکیل شده است. هوای خروجی از دهان بیمار نیز حاوی دی‌اکسید کربن (CO₂) است.

بنابراین در شبیه سازی حاضر از مدل انتقال گونه‌ها (species transport) استفاده شده است. بدین ترتیب جریان هوا با کسر جرمی اکسیژن 0.23 و نیتروژن با کسر جرمی 0.77 و بدون هیچ درصدی از دی‌اکسید کربن از کولرهای اتاق وارد فضای داخلی اتاق می‌شود.

این جریان هوای تازه دارای سرعت 1 متر بر ثانیه و دمای 293.15 کلوین است.

همچنین به دلیل این که جریان هوای متشکل از اکسیژن، نیتروژن و دی‌اکسید کربن به شکل هوای بازدمی از دهان بیمار به عنوان یک منبع خارج می‌شود، از مدل فاز گسسته (DPM) استفاده شده است. از آنجایی که در این مدل، ذرات تشکیل دهنده جریان گونه‌های گازی بازدمی ردیابی می‌شوند، به این نوع دیدگاه در بررسی رفتار سیال ذرات، دیدگاه لاگرانژی (Lagrangian) گفته می‌شود.

در این مدل فرض بر این است که هوای بازدمی از دهان بیمار دارای اکسیژن با کسر جرمی 0.16 و دی‌اکسید کربن با کسر جرمی 0.04 و با دمای 310.15 کلوین است.

همچنین، نرخ جریان ورودی از ناحیه دهان به عنوان تابع تعریف‌شده توسط کاربر (UDF) تعریف می‌شود. درواقع در زمام تنفس، دهان دائماً دم می‌کند و بینی بازدم می‌کند. اما در مدل حاضر،  فقط دهان منبع ثابتی برای دم و بازدم فرض شده است. بنابراین هر دو دم و بازدم باید برای ناحیه دهان تعریف شوند. پس برای تعیین سرعت جریان هوای ورودی از دهان به داخل اتاق، از UDF استفاده می‌شود.

بزرگی سرعت جریان هوا 0.25 متر بر ثانیه است. بنابراین، در هر بازه 2.5 ثانیه، وابسته به این که عمل دم یا بازدم باشد، مقدار منفی یا مثبت می‌شود. بنابراین سرعت ورودی در ناحیه دهان در زمان بازدم مقدار مثبتی دارد، زیرا هوا را خارج می‌کند. در زمان استنشاق، به دلیل دریافت هوا مقدار منفی دارد.

نتایج

زمانی که هدف ما بررسی رفتار ذرات از دیدگاه لاگرانژی و گسسته باشد، از مدل فاز گسسته (DPM) استفاده می‌کنیم.

در مدل حاضر جریان هوای بازدمی شامل اکسیژن، نیتروژن و دی‌اکسید کربن از دهان بیمار به صورت ذره به فضای داخلی اتاق عمل منتقل می‌شود. با انتخاب حالت ردیابی ذرات ناپایا (unsteady particle tracking)، رفتار ذرات معلق در هوا تحت تأثیر گذر زمان قرار می‌گیرد.

بنابراین، ما می‌توانیم ذرات ویروس کرونا را در اتاق بستری در حضور سیستم‌های تهویه مطبوع و هواساز از نظر زمانی به سرعت تجزیه و تحلیل کنیم.