【SIMULIA XFlowによるコロナウィルスの根絶】XFlowが雷神山病院でのウィルス汚染の拡散を解き明かす

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※ダッソー・システムズの武漢市での取り組みについてBlog記事を転載いたします。

NCP-2019およびCOVID-19としても知られる新しいコロナウィルスが中国全体に急速に広まり、特に内陸部に位置する湖北省で流行しています。世界保健機関の指導者たちは、32,000人を超える医療従事者がウィルスとの闘いに志願した事を賞賛しました。しかし、中国疾病予防管理センターは、2020年2月17日までに3,000を超える医療従事者がすでにウィルスに汚染されていると推定しています。ダッソー・システムズのSIMULIAソリューションXFlowは、患者と医療従事者の相互汚染を防ぐため、病室内のウィルス汚染拡散を防ぐため使用されました。

中南建設設計院（CSADI）は、病院のレイアウト設計は迅速に潜在的な環境汚染に細心の注意を払っています。CSADI、ダッソー・システムズ、Jiangda Tech、および上海スーパーコンピューターセンターは、膨大な量のCOVID-19感染者が発生しているなか、最も高いレベルで評価されている相互感染の抑制を目標に、共同の仮想シミュレーションチームを設立しました。 ウィルス汚染の拡散と内部換気システムは、2016年にダッソー・システムズによって買収された先進的な数値流体力学ソフトウェアソリューションであるXFlowを使用してシミュレーションされました。 シミュレーションでは、空調換気レイアウトを変えた場合でも、患者及び医療従事者の周辺で汚染濃度が高いことを示し、現在および将来の病院建設に向けた汚染濃度管理のための貴重なソリューションを提供しました。

図1 雷神山病院の病室内

 

CASDIとダッソー・システムズは、図2に示すエンジニアリング経験に基づいて4つの空調システムの設計をしました。A-レイアウトでは、側面上部からの流入する気流と、同じ側の部屋の角部にある換気出口があります。B-レイアウトでは、天井の側面上部から流入する気流と、部屋の反対側の角部にある換気出口があります。C-レイアウトでは、天井の中央上部から流入する気流があり、換気出口部は、部屋の各コーナー部に設置されています。また、D-レイアウトでは、天井の中央上部から流入する気流と患者の頭上に換気出口部があります。 特筆すべきは、換気口の内部に高効率汚染フィルターを設置したことです。

図2 空調システムの設計

 

非定常的なウィルス汚染濃度を出力するために、患者（高さ：0.75m）と医療従事者（高さ：1.5m）の位置に計測点を設定しました。 図3は、さまざまな換気レイアウトに対応する高さ0.75m以下の断面における汚染濃度分布を示しています。 結果、Ａ-レイアウトでは、換気出口部に直接空気を流して強制対流させることで、汚染の飛散を抑制することが可能であることが示されています。 一方、他のレイアウトでは、室内全体に深刻な汚染の拡散が見られました。

図3 換気レイアウトに対応する高さ0.75m以下の断面における汚染濃度分布

 

流れ場比較の詳細な分析により、A-レイアウトソリューションに相当する病室内を「U-タイプ」の換気流路にするべきことが実証されました。図4は、換気入口からの流入した流れの主要な経路を示しており、側壁に流れが干渉した後、直接患者頭部に向いた流れを患者の頭部に向かって流れています。

図4 「U-タイプ」の換気流路（A-レイアウト）

 

図5.は、「U-タイプ」の換気における瞬時の流線に相当するアニメーションの画像になります。

図5 「U-タイプ」の換気におけるアニメーション画像（A-レイアウト）

 

ウィルス汚染の解決策として、XFlowの非定常の汚染拡散アニメーション結果からA-レイアウト相当の「U-タイプ」の換気方法で換気出口を下部に配置し強制対流を生成する事です。

図6 汚染拡散のアニメーション（A-レイアウト）

 

この記事では、先進的な流体力学計算（CFD）ソフトウェアXFlowを使用して、病室のウィルス汚染濃度が様々な空調システムレイアウトでどのように異なる分布になるかを示しています。結果比較から、A-レイアウトは、汚染の拡散が効率的に抑制され、患者と医療従事者の相互感染を防ぐことができる「U-タイプ」の換気が提供できる事を示しています。

図7 建築物の空調システムのアニメーション

 

 

参照：XFlowは、格子ボルツマン法に基づく高速で高精度な数値流体解析ソフトウェアです。スマートシティ、建築物の空調システムや消防システムなどのリアルワールドの産業アプリケーションに向けて高精度で先進的な数値流体力学(CFD)テクノロジーを提供します。

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