CN111507051A - 一种针对口罩内外流质的cfd计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对口罩内外流质的CFD计算方法，具体涉及计算流体力学领域。该方法通过确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，建立口罩的CFD计算模型，利用3D扫描获得口罩的结构模型，选取口罩设计参数，结合口罩的结构模型与CFD计算模型，建立口罩内外流质的CFD计算模型，设置边界、流质流速、环境温度及湿度，模拟不同情况下口罩的阻挡过程，获得相应的口罩内外流场分布情况，利用CFD模拟计算结果中的口罩内外粒子浓度差、口罩内外流质压力差、口罩与面部缝隙处的流量值对应表征口罩的防护能力、呼吸阻力、气密性能。本发明将CFD模拟应用于口罩性能检测中，具有时间短、成本低、效率高的优势，对于口罩的质量评估具有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及计算流体力学领域，具体涉及一种针对口罩内外流质的CFD计算方法。
背景技术
呼吸道传染病主要通过咳嗽、喷嚏、飞沫、气溶胶、接触及近距离直接吸入患者呼出气体等方式传播。口罩作为有效预防呼吸道传染病的护具，不仅可以阻挡他人喷射的飞沫吸入佩戴者体内，还可以降低佩戴者在呼吸、咳嗽、打喷嚏时向外喷出的飞沫总量及喷射速度，在呼吸道传染病的防护过程中具有重要作用。
然而市面上口罩种类繁多，质量参差不齐，为了保证口罩的防护效果，需要对口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性能等重要指标进行检测，市场监管部门对于口罩性能的检测多基于实验检测和市场调研，检测时间较长，投入实验成本较高，需要投入较多的人力物力，而计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)作为一门融合了流体力学与计算机科学的新兴交叉学科，具有成本低、工作效率高的优势，已逐渐成为产品开发的重要手段。
因此，利用CFD模拟对口罩内外流质的流动机理及口罩的防护性能进行研究，对于检测口罩质量、预防呼吸道传染病的传播具有重要意义。
发明内容
本发明针对口罩防护能力、呼吸阻力、气密性能的表征，提供了一种针对口罩内外流质的CFD计算方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种针对口罩内外流质的CFD计算方法，具体包括以下步骤：
步骤1，确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，建立口罩的CFD计算模型；
步骤2，利用三维激光扫描技术对口罩进行3D扫描，获得与实物结构相同的3D扫描模型，选取口罩厚度、材料孔隙率、面部贴合缝隙大小作为口罩设计参数，根据3D扫描得到的口罩结构，确定口罩厚度、材料孔隙率、面部贴合缝隙大小，结合口罩的CFD计算模型，建立口罩外部流质的CFD计算模型，通过设置边界、流质流速、环境温度及湿度，模拟口罩对外部流质的阻挡过程，获得口罩内外的流场分布，计算口罩内外粒子浓度差；
步骤3，采用与步骤2相同的口罩结构及口罩厚度、材料孔隙率、面部贴合缝隙大小，结合口罩的CFD计算模型，建立口罩内部流质的CFD模型，通过设置边界、流质流速、环境温度及湿度，分别模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，获得呼吸、咳嗽、打喷嚏过程中口罩内外的流场分布，计算呼吸、咳嗽、打喷嚏过程中口罩内外流质压力差及口罩与面部缝隙处的流量值；
步骤4，利用CFD模拟计算结果表征口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性能，其中，利用模拟口罩对外部流质的阻挡过程中计算的口罩内外粒子浓度差表征口罩的防护能力，利用模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程中计算的口罩内外流质压力差表征口罩的呼吸阻力，利用模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程中计算的口罩与面部缝隙处的流量值表征口罩的气密性能。
优选地，所述步骤1中，流体控制方程组包括连续性方程和Navier-Stokes方程，多孔介质两相流方法中，多孔介质理论采用Darcy-Forchheimer定律，两相流方法采用欧拉-拉格朗日描述法，湍流模型选用标准k-ε模型。
优选地，所述步骤2和步骤3中，利用计算流体力学分析软件CFX模拟口罩对外部流质的阻挡过程及呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，设置边界为口鼻处、口罩与面部缝隙处、人面部、流固耦合面，并将口鼻处设置为流质入口、口罩与面部缝隙处设置为流质出口、口罩面设置为多孔域面、人面部设置为壁面。
本发明具有如下有益效果：
本发明从力学角度对口罩内外流质的流动机理进行研究，为口罩的质量检测提供了新方法；本发明通过结合3D扫描结果建立与实际口罩结构相同的CFD计算模型，利用CFD模拟计算结果对口罩性能进行表征，依次将口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性能转化为流体力学计算参数，有利于口罩性能的快速检验；本发明相比于传统的实验检测和市场调研，缩短了检测时间，降低了人力物力成本，具有研究成本低、效率高的优势，对于口罩的质量评估具有重大意义。
附图说明
图1为一种针对口罩内外流质的CFD计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种针对口罩内外流质的CFD计算方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1，确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，建立口罩的CFD计算模型；由于流体控制方程组包括连续性方程和Navier-Stokes方程，多孔介质两相流方法中，多孔介质理论采用Darcy-Forchheimer定律，两相流方法采用欧拉-拉格朗日描述法，因此，设置口罩的CFD计算模型中域类型为流体域和多孔介质域、多孔介质交界面为多孔-液交界面、湍流模型为标准k-ε模型。
步骤2，利用三维激光扫描技术对用于防护的KN95口罩实物进行3D扫描，获得与实际KN95口罩结构相同的3D扫描口罩模型，选取口罩厚度、材料孔隙率、面部贴合缝隙大小作为口罩设计参数，根据3D扫描确定口罩厚度为5mm、材料孔隙率为0.75、面部贴合缝隙大小为5mm，结合3D扫描的口罩结构和口罩的CFD计算模型，建立口罩外部流质的CFD计算模型，分别设置口鼻处、口罩与面部缝隙处、人面部、流固耦合面为边界，并将口鼻处设置为流质入口，口罩与面部缝隙处设置为流质出口，口罩面设置为多孔域面，人面部设置为壁面；设置人体正常呼吸的流质流速为2.5m/s，利用计算流体力学分析软件CFX模拟环境温度为25℃、湿度为32％条件下口罩对外部流质的阻挡过程，获得口罩内外的流场分布，计算口罩内外粒子浓度差。
步骤3，采用与步骤2相同的口罩厚度、材料孔隙率、面部贴合缝隙大小，即口罩厚度为5mm、材料孔隙率为0.75、面部贴合缝隙大小为5mm，结合口罩的CFD计算模型，建立口罩内部流质的CFD模型，分别设置口鼻处、口罩与面部缝隙处、人面部、流固耦合面为边界，并将口鼻处设置为流质入口，口罩与面部缝隙处设置为流质出口，口罩面设置为多孔域面，人面部设置为壁面；利用计算流体力学分析软件CFX模拟环境温度为25℃、湿度为32％条件下人体呼吸、咳嗽、打喷嚏过程，针对模拟人体不同状态时流质流速存在差异，设置不同的流质流速，其中，人体正常呼吸时设置流质流速为2.5m/s，打喷嚏时设置流质流速为50m/s，咳嗽时设置流质流速为39m/s，获得呼吸、喷嚏、打咳嗽过程中口罩内外的流场分布，计算呼吸、喷嚏、打咳嗽过程中口罩内外流质压力差及口罩与面部缝隙处的流量值。
步骤4，利用CFD模拟计算结果表征口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性能，利用模拟口罩对外部流质的阻挡过程中计算的口罩内外粒子浓度差表征口罩的防护能力，利用模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程中计算的口罩内外流质压力差表征口罩的呼吸阻力，利用模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程中计算的口罩与面部缝隙处的流量值表征口罩的气密性能。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种针对口罩内外流质的CFD计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，建立口罩的CFD计算模型；
步骤2，利用三维激光扫描技术对口罩进行3D扫描，获得与实物结构相同的3D扫描模型，选取口罩厚度、材料孔隙率、面部贴合缝隙大小作为口罩设计参数，根据3D扫描得到的口罩结构，确定口罩厚度、材料孔隙率、面部贴合缝隙大小，结合口罩的CFD计算模型，建立口罩外部流质的CFD计算模型，通过设置边界、流质流速、环境温度及湿度，模拟口罩对外部流质的阻挡过程，获得口罩内外的流场分布，计算口罩内外粒子浓度差；
步骤3，采用与步骤2相同的口罩结构及口罩厚度、材料孔隙率、面部贴合缝隙大小，结合口罩的CFD计算模型，建立口罩内部流质的CFD模型，通过设置边界、流质流速、环境温度及湿度，分别模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，获得呼吸、咳嗽、打喷嚏过程中口罩内外的流场分布，计算呼吸、咳嗽、打喷嚏过程中口罩内外流质压力差及口罩与面部缝隙处的流量值；
步骤4，利用CFD模拟计算结果表征口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性能，其中，利用模拟口罩对外部流质的阻挡过程中计算的口罩内外粒子浓度差表征口罩的防护能力，利用模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程中计算的口罩内外流质压力差表征口罩的呼吸阻力，利用模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程中计算的口罩与面部缝隙处的流量值表征口罩的气密性能。
2.如权利要求1所述的一种针对口罩内外流质的CFD计算方法，其特征在于，所述步骤1中，流体控制方程组包括连续性方程和Navier-Stokes方程，多孔介质两相流方法中，多孔介质理论采用Darcy-Forchheimer定律，两相流方法采用欧拉-拉格朗日描述法，湍流模型选用标准k-ε模型。
3.如权利要求1所述的一种针对口罩内外流质的CFD计算方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3中，利用计算流体力学分析软件CFX模拟口罩对外部流质的阻挡过程及呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，设置边界为口鼻处、口罩与面部缝隙处、人面部、流固耦合面，并将口鼻处设置为流质入口、口罩与面部缝隙处设置为流质出口、口罩面设置为多孔域面、人面部设置为壁面。
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