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基于Fluent呼气过程病毒扩散案例Step by Step

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6月前浏览11892

导读：新冠状肺炎疫情，给我们的工作和生活造成了很大的影响，但是在大家共同的努力下，确诊病例连续下降，一些企业也已经逐渐开始复工。几乎所有的复工通知中都要求员工上班期间佩戴口罩，那么佩戴口罩就真的万无一失了吗？

通过调查发现，很多佩戴口罩的人都没有达到贴合度的要求，根据日本的一项调查研究，如上图所示的佩戴情况，感染率为100%。

本文根据实际佩戴情况，对佩戴口罩时的呼气过程进行了仿真分析，分析佩戴口罩不正确时呼出气体的扩散情况。

一、案例分析

模型扫描图示

如上图所示，为了使仿真更加真实，几何模型采用三维扫描实际人脸模型和戴口罩模型，详细模型如图所示，

流体计算域中存在面体，画网格的时候不能忽略，在workbench meshing中需要划分Assembly Meshing，如果必要需要打开Beta功能。由于本文以Fluent为主，而不同工程师使用的网格划分工具不同，在这里不做过多介绍。

将网格读入Fluent以后，开始进行求解器设置。

1、检查网格质量

2、进行基础设置

由于本次模拟呼出气体的扩散过程，需要使用瞬态计算，Fluent默认为稳态计算，因此需要设置成瞬态。

3、物理模型设置

物理模型设置包括两部分：

1）湍流模型设置，本次模拟主要考虑气体的扩散和混合，不关注壁面处的分离和受力，因此采用k-ε Realizable湍流模型；

2)组分运输模型设置，计算域中的流体均为气体，而人呼出的气体有多种组分，因此需要打开组分运输模型。

4、材料属性设置

设置完物理模型后，材料面板中会增加相关的材料，如图所示

本次模拟有三种气体材料：外流场的空气（air），呼出气体二氧化碳（co2）和病毒气体（poison）。材料面板已经有空气，二氧化碳气体可以从Fluent材料库中提取，病毒气体需要自定义。

双击材料面板中的二氧化碳材料，通过修改二氧化碳材料定义病毒气体，将Name修改成poison，清空化学式，由于组分输运单个材料属性中只有比热容和摩尔质量，因此暂时不需要修改气体材料属性，修改完后不要覆盖二氧化碳材料。

多组分材料默认的为氧气（O2）、氮气（N2）和水蒸气（H2O），本次模拟的多组分材料为空气、二氧化碳和病毒气体，需要修改组分运输材料，双击材料面板中的Mixture-template，进行修改。

Mixture-template中的气体材料最终只有毒性气体、二氧化碳和空气，组分运输气体的顺序很重要，其中组分占比最大的气体要放在最后，然后修改气体属性。

5、操作条件设置

设置完材料后，需要对操作环境进行设置，操作环境包括：操作压强、操作密度，重力加速度，其中参考位置和操作密度对于没有压力边界的以重力扩散为主的仿真比较重要，本次模拟参考位置选择相对稳定的大气压的位置，操作密度选择初始平均密度。

6、边界条件设置

边界条件包括：两个入口（鼻腔），对称面和壁面，其中速度入口包括速度和组分两部分，组分设置可以设置质量浓度，也可以设置摩尔浓度，本次模拟采用摩尔浓度。

7、求解设置

求解设置包括：选择求解方法，设置松弛因子，设置检测曲线，设置初始化和计算子歩和步数。本次仿真为瞬态计算，选择瞬态计算常用的PISO求解方法，对于体积力起主要作用的流动问题，压力离散格式选择PRSTO！或者Body Force Weighted，本次仿真选择PRSTO！离散格式。

由于本次模拟的模型是stl格式，口罩和面部之间缝隙小，且表面情况复杂，因此本次模拟暂不考虑连续性曲线的收敛性，通过检测曲线和其他残差曲线判断计算是否收敛。

8、结果后处理

为了即查看完整的模型，同时查看到内部气体的分布情况，本次结果后处理均采用Scene进行查看，查看步骤如下：

以上就是笔者关于呼吸过程病毒扩散案例step by step全过程，欢迎大家自行练习，注意：点文尾的的阅读原文，可获取到本案例的模型文件。

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作者：CFD小学生，仿真秀专栏作者

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首次发布时间：2020-03-10