מספרה והנגיף

כיצד כלי ניהול זרימת אוויר מפחיתים את התפשטות COVID-19 בחללים סגורים.

מקובל שההתפשטות של נגיף ה-SARS-CoV-2 היא בעיקר מאדם לאדם, דרך הטיפות והאירוסולים שנוצרים על ידי אדם המשתעל, מתעטש או אפילו מדבר.

נכתב על ידי קרישננדו סינהא

כאשר מגיפת COVID-19 מתפתחת בהודו, ההתמקדות הייתה לפתיחת הנעילה ופתיחת הכלכלה. החלה להופיע מציאות קשה שעד שיתפתחו חיסונים או טיפולים חדשים, נצטרך ללמוד לחיות עם המגיפה. מלבד שינויים בהתנהגות החברתית כמו התרחקות פיזית ושימוש במסכות, התאמה מחדש של מקומות עבודה וחללים משותפים, כמו חנויות שכונתיות, בנייני משרדים וכיתות, תמלא תפקיד חשוב בהפחתת הסיכון להדבקה ולהתפשטות של נגיף הקורונה.

מקובל שההתפשטות של נגיף ה-SARS-CoV-2 היא בעיקר מאדם לאדם, דרך הטיפות והאירוסולים שנוצרים על ידי אדם המשתעל, מתעטש או אפילו מדבר. טיפה, בדרך כלל בגודל של תת מילימטר או יותר, נופלת במהירות לקרקע לאחר שהיא נפלטה עקב כוח הכבידה. חלקיקי אירוסול הם הרבה יותר קטנים (קטנים כמו אלפית המילימטר) ויכולים להישאר תלויים באוויר, ועלולים לשאת איתם חלקיקי וירוסים מדבקים, ואנשים יכולים להישמם פנימה. לכן, הבנת זרימת האוויר ואוורור, במיוחד בחללים סגורים שבהם האירוסולים נוטים להתמיד, היא היבט מרכזי בשליטה בהתפשטות הזיהום.

השאלה כעת היא: איך מפחיתים את הסיכון להידבק ב-COVID-19 בחללים סגורים, כמו חנות שכונתית או מספרה? למספרה יש כמה אתגרים ייחודיים. לקוחות בחנות נשארים בישיבה במקום אחד למשך התספורת, בדרך כלל 10-15 דקות. מה משפיע על הסיכון לזיהום בתקופה זו? אין ספק, נימוסי מסכות ואחריו הספר והלקוחות האחרים חשובים, כמו גם ריחוק פיזי בין לקוחות. חשובה לא פחות היא השאלה: האם קיים אוורור הולם לפיזור טיפות אוויר ואירוסולים? אולי, לספר עצמו יש הרבה מאותן שאלות בראש. אחרי הכל, הוא מבלה הרבה יותר זמן מהלקוחות באותו מקום סגור.

אנו רואים את המספרה בקמפוס IIT-Bombay, אליה מגיעים סגל וסטודנטים (שרובם ממשיכים את לימודיהם באינטרנט, מהבית, בשלב זה). למספרה של הקמפוס יש פריסה שדומה אולי למה שאפשר לפגוש ברוב המסגרות העירוניות בארץ. החנות כוללת בדרך כלל חדר סגור (במקרים מסוימים ממוזג - זה המקרה של חנות הקמפוס) ובדרך כלל אינה מאווררת היטב. יש בו יותר מקומץ אנשים בכל זמן נתון. יש לקוחות שנכנסים ויוצאים, ושמירה על ריחוק חברתי היא מאתגרת. האם בתרחיש כזה, האם ניתן להשתמש בניהול זרימת האוויר כדי לשפר את האוורור ולהפחית את הסיכון לשידור באוויר?

במונחים טכניים, חקר זרימת האוויר נקרא מכניקת נוזלים והוא חשוב בתחומים רבים החל מתעופה וחלל והנדסת מכונות ועד אסטרופיזיקה וסביבה. מכניקת נוזלים מלמדת אותנו כיצד האוויר זורם במעברים ומסביב למכשולים. המשוואות המתמטיות של מכניקת הזרימה ידועות היטב, אך הפתרון שלהן קשה מאוד. נדרשות הדמיות מחשב מתוחכמות ביותר כדי לחזות את זרימת האוויר, וזה מהווה תחום מחקר שנקרא דינמיקת נוזלים חישובית. CFD יכול לספר לנו איך האוויר נע במספרה ואיך הטיפות המדבקות נישאות על ידי הזרימות. זה גם יכול לחשב כיצד ניתן לשנות את זרימת האוויר על ידי מאווררים, חלונות, מיזוג אוויר ושלל גורמים אחרים.

כבר נעשה שימוש נרחב ב-CFD ללימוד זרימת אוויר בחללים סגורים כמו תאי רכבת, משרדים וקניונים. מספר מחקרים מדווחים עוסקים בשיפור הנוחות האנושית והפחתת צריכת החשמל, למשל, על ידי עיצוב טוב יותר של מערכות מיזוג אוויר. בזמנים אלה, שנשלטים בחיינו על ידי COVID-19, מחקרי CFD התמקדו בהשפעה של מסכות (המראה כיצד מסכות מצמצמות את מספר הטיפות הנפלטות ואת המרחק שהן עוברות) ושל זרימות אוויר והעברת אירוסול בסופר שווקים. דו'ח של קבוצה בהונג קונג הראה כיצד הטיפות המדבקות ממקור יחיד יכולות להתפשט לכל התא של רכבת מהירה.

באופן ספציפי, בהקשר של המספרה, ניתן להשתמש ב-CFD לעיצוב פתרונות שיפוץ כדי למזער את התפשטות הזיהום באוויר. אמצעים פשוטים כמו התקנת מאווררי פליטה או אפילו מאוורר דום פשוט ופתיחת הדלת האחורית (למרבה המזל, יש לנו אחד במספרה IITB) יכולים לעשות הבדל גדול. הרעיון הוא לפזר במהירות טיפות ממקור פוטנציאלי בתוך החדר אל החוץ כדי למזער את הסיכון לספר וללקוחות אחרים. חישובים פשוטים כבר יכולים לומר לנו את הגודל והכוח הנדרשים על ידי מאווררי פליטה. לדוגמה, בהנחה שגודל טיפוסי למספרה הוא 10 רגל על ​​15 רגל על ​​10 רגל, אם נרצה להחליף את האוויר בחדר בכל דקה, זה ידרוש מאווררים שיכולים לשאוב החוצה 1500 רגל מעוקב של אוויר לדקה, או 1500 cfm כפי שהוא נתון במפרט מאוורר פליטה. כדי לעשות זאת במהירות כפולה, נוכל להתקין שני מאווררים כאלה, או מאוורר פליטה בודד של 3000 cfm.

בעוד שחישובים פשוטים הם נקודת התחלה טובה, צריך CFD מפורט לניתוח קפדני. מאווררי פליטה יכולים להגביר את זרימת האוויר הטבעית בחדר או שהם יכולים לחסום אותו. הכרת דפוסי הזרימה המדויקים שנוצרו על ידי מאוורר הפליטה הופכת קריטית. לדוגמה, יכולות להיות זרימות אוויר משניות, המכונה לפעמים אזורים מתים, שבהם כיסי אוויר יכולים להישאר כלואים במשך זמן רב. באופן טבעי, זה לא מוציא את האוויר מהחדר ואדם שיושב באזור מת כזה נוטה יותר לנשום אירוסולים מתמשכים. המיקום של מאווררים ופתחי אוורור כדי למנוע אזורים מתים כאלה במספרה הוא קריטי לניהול זרימת האוויר. אנחנו צריכים מודלים של CFD כדי לזהות אזורים מתים בחדר וגם לתת הערכה כמה זמן האוויר משתהה בכיסים כאלה. באמצעות CFD נוכל לארגן מאווררים ופתחי אוורור בדגם מחשב של החדר כדי להגיע לפתרון הטוב ביותר האפשרי.

ניתן גם לחשב תרחישים שבהם זרימת האוויר משתנה כאשר לקוח נכנס או יוצא דרך הדלת, או כאשר יש טיוטה פתאומית של אוויר חם מבחוץ. CFD יכול גם לחזות כיצד דברים משתנים עם מזג האוויר או מיקומים גיאוגרפיים. עם זאת, משוואות מכניקת הזרימה אינן נכנעות כל כך בקלות אפילו למחשבים של ימינו, מכיוון שהבעיות מתחילות להיות מורכבות יותר ויותר. למשל, לענות על שאלה פשוטה כמו מה קורה למיליוני חלקי שיער על הרצפה? יכול למתוח את הגבולות של מחשבי על. הידיעה שזה באמת יעזור כי אף אחד לא רוצה שהם יתחילו לצוף.

ניתן להרחיב פתרונות שיפוץ מעוצבים באמצעות CFD לחללים סגורים אחרים כמו חנויות מכולת פינות, מסעדות קטנות ומרפאות רופא. לכל אחד יכול להיות דרך משלו לנהל את זרימת האוויר כדי להפחית את הזיהום. CFD יכול לעזור בפיתוח פתרונות שיפוץ מותאמים לצרכים שלהם. עבור מערכים גדולים יותר כמו אולמות הרצאות, תיאטראות ומרכזי קניות, אנחנו צריכים להתמודד עם הרבה יותר אנשים ומספר מיקומי כניסה ויציאה. גודל הבעיה גדול יותר, אבל המדע זהה. נצטרך יותר מאווררים ופתחי אוורור, ו-CFD יכול לומר לנו היכן הכי יעיל למקם אותם. פתרונות חכמים, עם נתונים בזמן אמת, יכולים להיות מכוונים למספר האנשים הנוכחים בנקודת זמן נתונה. זה עשוי להיות יעיל יותר מבחינת צריכת חשמל והתקנה.

קבוצה של חוקרים הודים בשם מחקר מכניקת הנוזלים ל-COVID-19 (FMRC) התכנסה כדי לטפל בבעיות זרימת הנוזלים הנובעות מהפתיחה מחדש של הכלכלה. קבוצה זו מערבת חוקרים מ-IITs שונים (IIT-Bombay, IIT-Madras, IIT-Roorkee) ומהתעשייה, ומטרתה להשתמש בכלי מידול מתקדמים כדי להציע פתרונות שיפוץ שיסייעו להפחית את הסיכון להעברת זיהום. מעניינים במיוחד קבוצה זו נושאים הנוגעים לזרימת נוזלים בחדרים סגורים, תחבורה ציבורית וכמובן כיתות לימוד.

הכותב הוא פרופסור להנדסת אווירונאוטיקה וחלל, IIT Bombay