用科技解读「原地过年」背后的缘由

▲用科技解读「原地过年」背后的缘由

目前疫情形势仍不容乐观，春运和寒冬给病毒的扩散和传播带来了有利的条件。

   

假如你能“真实”看到“病毒的踪迹”

那么我们将更容易理解以下问题。

   

   

这是生活中最常见的一个情景，在办公室等室内空间经常发生。通过仿真技术我们可以清晰的看到，喷嚏或者咳嗽会产生大量的雾状颗粒，这些颗粒可以飞行相当远的距离。在现实中你可能看不到，但并不代表它不存在。

简单的遮挡其实并不能起到很好的作用，微小的颗粒还是会扩散出去。

我们通过一个简单的对照试验，来直观的感受一下。左边是不戴口罩的情况，我们看到颗粒对周围环境产生了大量的污染。右边是佩戴口罩的情况，很明显颗粒减少了很多。

所以，在公共场合佩戴口罩是非常必要的，它可以大大降低可能携带了病毒的颗粒传播的可能性，同时也很好的保护了自身的安全。

     

改善出行安全，科技能做些什么？

     

春运带来的日均4000万人次旅客发送量，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带来了极大的考验，空调及通风换气系统等因素也会密切影响到气流的传播。专业的仿真分析提供的定性、定量以及可视化的分析手段，可以轻松的解释为什么春运会加大疫情传播的风险，同时为人们的安全出行提供参考，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。

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。

下面我们就来分析一下春运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，创造了“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。

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减少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，并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解决方案允许快速测试这些概念的可行性，并改进它们的设计，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。

对于大型的交通枢纽，如机场和车站，我们通过仿真模拟去验证现有的通风系统的有效性和效率，通过改变通风系统的不同配置和运行条件来帮助改善机场/大型建筑物中的空气质量。这使我们能够了解建筑物中的气流，突出显示潜在的高风险区域，提出相应的解决方案，也大大的提升了旅客的信心。

春运带来的交通和疫情的双重压力，大大的考验了我们日常生活的基础设施。借助科技手段，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，尽量减少乘客之间的传染风险。同时通过可视化、形象化的视频展示，更易于理解，也为乘客的安全出行提供了指引，增加了信心。

     

本文作者

     

     

方一之      

达索系统建筑、城市与基础设施行业

大中华行业咨询顾问

   

拥有道路与桥梁工程学士学位、结构工程硕士学位以及多年海外设计和工程工作经验。

深耕于土木工程行业“数字孪生”及端到端应用、大型房企数字化转型以及装配式建筑全生命周期数字化管理等领域。