西安疫情源头成迷，如何验证机场空调送风系统的安全性？
▲西安疫情源头成迷，如何验证机场空调送风系统的安全性？
截至12月30日，本轮西安疫情已累计报告本土确诊病例1252例，连续5日新增达到150人以上，成为继武汉疫情后单地疫情确诊数量最多的一次，目前西安也已经开始采取一定的措施进一步遏制疫情传播。
然而随着疫情的不断蔓延，病毒传播的源头也更加扑朔迷离。自12月4日的PK854航班入境以来已发现几条主要的传播链，但目前看来，大概率还存在其他未知的传播链。而机场作为疫情可能存在的第一“着陆”点，开始受到了社会各方的关注，争议的焦点在于空调送风系统会不会将病毒从国际候机区抽送到200余米外的国内候机区域，从而导致了国内乘机人员的感染？
那么问题来了，机场的送风系统是否安全？
面对这些“看不见，摸不着”的猜测
如何通过科技手段还原送风系统？
疫情以来，达索系统帮助过国内外很多机场、车站、剧场、以及交通工具做过类似的气流仿真实验，可以很好的回答下面的问题：
空气气流是怎么传播和运动的？
新鲜空气多久能够循环一次？
空气在流动中有没有受到污染？
通过分析，我们可以清晰地看到机场空调系统“送风”和“回风”过程中的空气运动轨迹，也可以轻易地模拟不同场景下病毒是否混入了新鲜空气及它的去向。同时也可以结合实验来模拟不同的处置措施，比如直接“掐断”回风系统，来观察新的气流循环情况，从而确保机场内空气的安全。
精确的仿真模拟需要一个能够模拟气流和液滴颗粒行为的求解器。达索系统的 SIMULIA CFD/Fluid流体解决方案由PowerFlow和XFlow等关键技术驱动，能够准确地模拟复杂环境下的湍流气流、颗粒运动和跟踪以及表面沉积，可以提供定性、定量以及可视化的分析手段。同时还可以考虑结合常规加热、通风和空调(HVAC)关键性能指标(KPI)来预测液滴传播，在加热或冷却情况下的行为，实现保证安全性的同时也确保舒适性。
其实这项技术在疫情之初的武汉雷神山医院的建设中已经得到验证，通过应用计算流体动力学（CFD）辅助了暖通送风排风系统设计，该项技术和成果取得了国内外的一致认可。作为雷神山医院的设计方，中南建筑设计院股份有限公司一直把避免相关环境污染作为重点设计考量，尤其是对于“院内如何避免因空气流动而造成交叉感染，最大限度地保障医护人员的工作环境安全；如何把院内交叉感染降到最低”等问题，更是设计考量中的重点。
在暖通送风排风系统设计时建立BIM模型，运用达索系统的XFLOW软件模拟雷神山医院病房内空气流动和污染物瞬态分布，并基于XFLOW工具计算病人和医护人员位置污染物浓度与暖通布局的关系，对病房内污染物浓度控制以及后期类似医院建设提出了宝贵的建议。
春运在即，其将带来日均4000万人次的旅客发送量。人群的高度聚集对交通工具、交通枢纽以及相应的公共场合的疫情防控带来了极大的考验，空调及通风换气系统等因素会密切影响到气流的传播。通过专业的仿真分析，可以减少春运中疫情传播的风险，为人们的安全出行提供参考，同时，也能够为公共交通的服务商改善环境安全提供重要的技术手段。
下面我们就来分析一下春运交通中最常见的几个场景。
为了展示这个场景，我们尽可能的在数字环境中还原了真实世界的几何、物理、化学的各种因素，创建了“虚拟孪生”模型。
模拟情景是在一辆封闭无窗的公交车上，满载乘客，其中有些人站立。车上的通风情况是沿着公交车长度有4个HVAC空调，每个空调有7小个出风口，空气每小时完成循环3.75次。同时考虑了各个位置的温度预设，如发动机面板、门窗、车顶、人体皮肤以及地域太阳辐射等综合因素。
考虑到热力学的影响，分析了该设定下的车厢内的气流环境，我们发现在后排有强劲的上升气流导致车厢前后结果有所差异。暖通空调的气流在车厢内的循环也是很不均衡的，另外乘客产生的热量和太阳辐射在一定程度上通过HVAC进行平衡，在很大程度上也通过冷窗对流进行平衡。
在这样的前提下，我们分析了发生咳嗽和喷嚏之后的微颗粒的沉积情况，以便更好的分析车内的污染物扩散情况。结果表明咳嗽或喷嚏之后，粗颗粒会在口腔前方迅速下降，如果此时携带病毒的乘客佩戴了口罩，那么在他的周围没有发现明显的颗粒沉积。另外从时间观测表明在咳嗽发生后的30秒到180秒内颗粒沉淀没有明显变化。
这是在特定条件下进行模拟的情景和结果，并不一定能反映现实中每辆公交车的情况，只是希望这些分析结果给大家带来一些参考价值。
公交车内的气流主循环与颗粒的扩散极为相关
重颗粒容易导致局部表面污染，而气溶胶颗粒可以向远方飘散
感染者和被感人群同时佩戴口罩时，才能起到有效的防御效果，站姿和坐姿没有明显的影响
发动机面板附近、出风口及太阳照射的一面相对于温度较低的区域更加安全
如果公共汽车上每个人佩戴口罩，那么乘客吸入的目标颗粒物将减少88%
同样，对于人群密集的列车车厢，我们做了不同人群分步的情况下的颗粒扩散模拟。下图中左边的人群没有能够保持适当的距离，导致病毒传播的风险明显的加大了。而右边的人群由于距离较远，颗粒很快就被通风换气系统稀释了。
除了定时消毒清洁和尽量保持距离，一些措施和设计修改可以降低列车内病毒感染的风险。乘客之间的物理隔离装置，如座椅之间的塑料面板和增加驾驶员周围的屏蔽，都能限制病毒颗粒的传播。气流仿真可以模拟这些屏蔽周围的气流，以评估它们的有效性，并能够优化屏蔽的设计，和评估所采取的安全措施的有效性。
列车车厢内暖通空调系统的设计和通风口的布置对气流模式和病毒颗粒的潜在传播有显著影响。仿真模拟不仅揭示了这些流动的轨迹，还允许工程师测试不同的通风口布置及配置，以尽量减少携带病毒的颗粒气流在乘客之间的传播。仿真还可以设计有效的滤波器系统，通过滤波器识别适当的流量和粒子分布。
常见的飞机机舱布局带来更特殊的环境，比如更封闭的机舱、每个座位的私人空调出风口、贯穿机身的带状进出封口等，这样的布局往往导致病毒颗粒很少跨通道传播，但是更易于向前方传播。
模拟座位2E上的乘客打喷嚏后的第10秒，对此进行颗粒的质量分布分析，我们会发现吸入的颗粒最多的是与打喷嚏在同一排的人，座椅在两排之间起到了很好的保护作用，进风口也会迅速吸走一部分颗粒。同时模拟还发现佩戴口罩可以极大地防止各种表面上沉积污染物质，只有少数且较小的颗粒附着。
与此同时，借助我们的气流仿真技术，航空安全机构已将通风和再循环系统确定为飞机的危险因素。例如，EASA建议航空公司在再循环系统中安装HEPA过滤器，并最大限度地增加新鲜空气流量，或者完全停用再循环风扇。通过仿真模拟揭示空气如何在舱内移动，以及气溶胶化的液滴（可能被污染）能移动多远。这使工程师能够分析重新排列通风口和在空气循环系统中添加过滤器如何阻碍病毒在机舱内传递给其他乘客，同时一些采用新设计概念的座位和客舱布局迅速流行。
SIMULIA的CFD/FLUID解决方案使快速测试这些概念变得可行，并可以改进其设计，以便快速和成功地投入运行，确保乘客的安全。航空公司可以创建清晰、便于理解和有吸引力的可视化数据，使用模拟项目的图像和视频向潜在客户展示安全性，提高乘客和民众的信心。
本轮西安的疫情来势汹汹，并且尚未到达拐点，但是它提醒了我们公共场所空调通风系统对安全的重要性。类似的场景有很多，公司的写字楼、商场、剧院、博物馆、电影院以及工厂等场所，都存在空调送风回风交叉污染的可能性。
同时春运也即将到来，希望借助新的科技手段，我们可以重新审视列车车厢、飞机客舱和汽车以及公共场所的设计和设施，分析污染风险；增加改善措施或者重新设计，尽量降低病毒传染风险；同时通过可视化、形象化的视频展示，更易于公众理解，也能够为其安全出行提供指引，增加信心。
说明
以上图片资料来自于达索系统全球用户案例及技术分享
关于达索系统SIMULIA流体和计算流体动力学仿真软件
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SIMULIA 流体仿真由三项免费技术驱动，可为客户提供可扩展的流体仿真，以满足广泛的实际应用需要。PowerFLOW 和 XFlow 提供了一流的 Lattice Boltzmann 方法 (LBM)，以实现可精确预测实际性能的高保真仿真。Fluid Dynamics Engineer 通过将 CFD 嵌入到 3DEXPERIENCE 平台中的设计、仿真、优化、数据管理和商业智能应用程序中，实现了多尺度多物理视觉效果。此外，塑料注塑成型应用程序允许在产品开发过程的早期验证和优化塑料零件和模具工具设计。
其中PowerFLOW 用于准确高效地执行空气动力学、空气声学和散热管理仿真，在非常复杂的模型几何体上具有最高的保真度。XFlow 可解决复杂的流体问题，其技术在以下领域表现出色：动力传动系统润滑、设备流体性能、E-Drive、不利条件下的车辆性能、燃油箱晃动、流体结构相互作用、UAV 操纵、船舶性能。
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