2 - 2021

Применение методов вычислительной гидрогазодинамики для моделирования переноса возбудителей болезней в самолетах

Партнерство с Исследовательской лабораторией Военно­воздушных сил США

Корпорация UES была основана как научно­исследовательская организация. Ее сотрудники гордятся участием в совместных проектах с Исследовательской лабораторией Военно­воздушных сил США. Этому партнерству уже более 40 лет. В частности, речь идет об исследованиях, проводимых сектором лаборатории № 117 «Возможности человеческого организма». Работы ведутся по следующим направлениям:

  • современные технологии обнаружения биологических маркеров в воздухе и биологических жидкостях;
  • оценка влияния микробиома на здоровье и работоспособность человека;
  • вопросы токсикологии и промышленной гигиены;
  • высокоэффективный контроль воздействия опасных химических веществ с учетом генетических факторов.

Специалисты из государственной лаборатории совместно с коллегами из корпорации UES разработали и провели исследование, направленное на создание достоверных расчетных моделей движения воздушных потоков в военно­транспортных самолетах и оценку полученных данных. Четкое понимание поведения воздушных потоков позволяет выявлять опасные места, в которых накапливаются возбудители болезней, и разрабатывать эффективные стратегии обеззараживания.

Продукт

Simcenter.

Задачи

  • Отсутствие экспериментальных данных и расчетных моделей, описывающих распространение аэрозолей с биологическими частицами по системе вентиляции грузового отсека самолета.
  • Выявление мест накопления биологических загрязнений на борту самолета и контроль качества дезинфекции.
  • Потребность в новых данных для принятия эффективных мер, исключающих перекрестное заражение совместно перевозимых пациентов.

Ключи к успеху

  • Создание расчетных моделей воздушных потоков, оценка параметров загрязнения аэрозолями с биологическими частицами.
  • Контроль достоверности расчетных моделей с различными входными параметрами.
  • Оценка результатов моделирования и потенциальных траекторий движения частиц.

Результаты

  • Выполнены гидрогазодинамические расчеты четырех сценариев распространения аэрозолей с последующей оценкой полученных результатов.
  • Продемонстрирована применимость методов численного моделирования для расчетов переноса аэрозолей с частицами биологически значимого размера и концентрации.
  • Создана надежная основа для выявления мест осаждения аэрозольных частиц на борту транспортного самолета.
  • Повышена эффективность мер по защите и дезинфекции опасных зон.

Основной вид деятельности клиента

Основанная в 1973 году корпорация UES занимается инновационными исследованиями и разработками мирового уровня для государственных и частных заказчиков. Корпорация UES по праву гордится тем, что ее разработки находят самое широкое применение (www.ues.com).

Местонахождение заказчика

г.Дейтон, шт.Огайо, США.

Применение методов вычислительной гидрогазодинамики для оценки параметров воздушных потоков и выявления точек накопления аэрозолей

Для проведения необходимых гидрогазодинамических расчетов сотрудники сектора лаборатории № 177 и корпорации UES обратились в подразделение Simcenter™ Engineering and Consulting Services. При моделировании был применен программный комплекс для решения гидрогазодинамических и мультифизических задач Simcenter™ STAR­CCM+™, входящий в пакет решений и услуг Xcelerator от компании Siemens Digital Industries Software.

В исследовании рассматривался военно­транспортный самолет C­130 Hercules — «рабочая лошадка» ВВС США. Он применяется для медицинской эвакуации еще с 1960­х
годов. Конструкция C­130 предусматривает быструю трансформацию грузового отсека в летающий госпиталь на 74 лежачих пациента. Для этого воздушное судно оснащено специальным электрическим и кислородным оборудованием.

Целью исследования было провести моделирование распространения биологических аэрозолей (при кашле) и построение траекторий движения частиц аэрозоля внутри фюзеляжа. В типовом сценарии рассматривалась загрузка борта большим количеством лежачих больных. Кашель инфицированного больного моделировался в Simcenter STAR­CCM+ в виде воздушного потока, переносящего капли различного размера. На основе геометрической модели самолета C­130 инженеры корпорации UES провели первоначальную оценку характера движения воздушных потоков в установившемся режиме. Затем консультанты из Simcenter Engineering модифицировали модели с целью расчета траекторий многофазных частиц в неустановившихся режимах. Расчет выполнялся на суперкомпьютерном кластере из 200 процессоров. Всего за пару дней специалисты из Simcenter Engineering провели целый ряд расчетов в различных масштабах и передали полученные результаты в корпорацию UES, а также в ВВС США.

При расчетах столь сложных сценариев переноса возбудителей болезней достоверность численного моделирования имеет решающее значение. Благодаря мультифизичности решения, Simcenter STAR­CCM+ позволяет точно спрогнозировать траекторию движения диспергированных в воздухе твердых частиц. Кроме того, данная система отслеживает положение частиц в разные моменты времени, выявляя при этом, где будут скапливаться частицы того или иного размера, как долго они будут находиться в воздухе и какая масса частиц накопится на внутренних поверхностях. В дополнение, автоматизированный конвейерный рабочий процесс моделирования позволяет с легкостью перейти от расчета единичного случая к расчету сотен различных сценариев.

На основании полученных результатов ВВС США принимает важнейшие решения относительно воздушной транспортировки инфекционных больных.

Совершенствование системы вентиляции и повышение безопасности

На основе результатов расчетов были внесены изменения в конструкцию системы вентиляции грузового отсека, а также разработаны правила безопасности летных экипажей при перевозке инфицированных больных. Для оптимизации проектных решений возможно проведение дополнительных расчетов: с разным числом пациентов, различными характеристиками воздушных потоков в системе вентиляции или с иной компоновкой самолетных отсеков.

Данная работа продемонстрировала возможность применения методов численного моделирования при анализе распределения аэрозолей с частицами биологически значимого размера и концентрации на борту транспортного самолета. Для оценки достоверности результатов компьютерного моделирования потребуются дополнительные исследования.

Полученные знания о переносе аэрозолей с биологическими частицами и их осаждения в грузовых отсеках самолетов помогут в совершенствовании правил безопасности, методик отбора проб и дезинфекции наиболее загрязненных мест. Все это способствует безопасной перевозке больных и защите персонала Военно­воздушных сил США.