CN111507051A - 一种针对口罩内外流质的cfd计算方法 - Google Patents
一种针对口罩内外流质的cfd计算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111507051A CN111507051A CN202010314794.4A CN202010314794A CN111507051A CN 111507051 A CN111507051 A CN 111507051A CN 202010314794 A CN202010314794 A CN 202010314794A CN 111507051 A CN111507051 A CN 111507051A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mask
- fluid
- cfd
- face
- outside
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/12—Cloth
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Algebra (AREA)
- Respiratory Apparatuses And Protective Means (AREA)
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010314794.4A CN111507051B (zh) | 2020-04-21 | 2020-04-21 | 一种针对口罩内外流质的cfd计算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010314794.4A CN111507051B (zh) | 2020-04-21 | 2020-04-21 | 一种针对口罩内外流质的cfd计算方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111507051A true CN111507051A (zh) | 2020-08-07 |
| CN111507051B CN111507051B (zh) | 2022-09-02 |
Family
ID=71864148
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010314794.4A Active CN111507051B (zh) | 2020-04-21 | 2020-04-21 | 一种针对口罩内外流质的cfd计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111507051B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005249418A (ja) * | 2004-03-01 | 2005-09-15 | Mazda Motor Corp | エンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラム |
| CN104573365A (zh) * | 2015-01-09 | 2015-04-29 | 华南理工大学 | 一种流动调整器性能评估方法 |
| CN109033664A (zh) * | 2018-08-07 | 2018-12-18 | 北京建筑大学 | 基于cfd的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法 |
-
2020
- 2020-04-21 CN CN202010314794.4A patent/CN111507051B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005249418A (ja) * | 2004-03-01 | 2005-09-15 | Mazda Motor Corp | エンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラム |
| CN104573365A (zh) * | 2015-01-09 | 2015-04-29 | 华南理工大学 | 一种流动调整器性能评估方法 |
| CN109033664A (zh) * | 2018-08-07 | 2018-12-18 | 北京建筑大学 | 基于cfd的考虑建筑体穿流效应的建筑风环境评估方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张静等: "基于CFD分析的呼吸防护面具罩体设计", 《中国个体防护装备》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111507051B (zh) | 2022-09-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Particle inhalation and deposition in a human nasal cavity from the external surrounding environment | |
| Kelly et al. | Particle deposition in human nasal airway replicas manufactured by different methods. Part II: Ultrafine particles | |
| CN107369173B (zh) | 基于人脸面部空气滤过装置3d打印方法及其滤过装置 | |
| Inthavong et al. | Detailed predictions of particle aspiration affected by respiratory inhalation and airflow | |
| Perić et al. | Analytical and numerical investigation of the airflow in face masks used for protection against COVID-19 virus--implications for mask design and usage | |
| CN109781608B (zh) | 一种口罩过滤性能测试装置及方法 | |
| CN107044946A (zh) | 一种口罩动态呼吸阻力自动测试装置 | |
| CN103330962A (zh) | 一种具有模拟呼吸功能的吸痰机 | |
| CN111766092B (zh) | 病毒飞沫气溶胶感染交互仿真实验系统 | |
| Mutuku et al. | Flow characterization in healthy airways and airways with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) during different inhalation conditions | |
| Oh et al. | Numerical modeling of cough airflow: Establishment of spatial–temporal experimental dataset and CFD simulation method | |
| Jia et al. | Towards an accurate CFD prediction of airflow and dispersion through face mask | |
| CN111539161A (zh) | 一种针对口罩设计参数的多性能优化方法 | |
| CN111507051B (zh) | 一种针对口罩内外流质的cfd计算方法 | |
| Chen et al. | Predominance of inhalation route in short-range transmission of respiratory viruses: Investigation based on computational fluid dynamics | |
| WO1987002898A1 (en) | A non-invasive, quantitative method for fit testing respirators and corresponding respirator apparatus | |
| CN111382548B (zh) | 一种基于径向基函数的口罩性能与设计参数关系的显式化方法 | |
| Si et al. | Visualization and quantification of facemask leakage flows and interpersonal transmission with varying face coverings | |
| Rosa et al. | Experimental assessment of an air curtain-sealed personal protective equipment for medical care: Influence of breathing and thermal plume | |
| Kim et al. | Flow visualization through particle image velocimetry in realistic model of rhesus monkey’s upper airway | |
| Lei et al. | Computing carbon dioxide and humidity in filtering facepiece respirator cavity during breathing cycles | |
| Oh et al. | Numerical analysis of airflow dynamics generated by human coughing based on PIV experimental results | |
| Lei et al. | Lei et al.: Application of Digital Human Modeling for Evaluating Loose-Fitting Powered Air-Purifying Respirators | |
| Lei et al. | Mesh generation with a standardized headform for CFD simulations of particle aspiration | |
| Pushpawela et al. | Quantification of face seal leakage using parallel resistance model |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20220810 Address after: 150000 145 Nantong street, Nangang District, Harbin, Heilongjiang. Applicant after: HARBIN ENGINEERING University Address before: 266580 No. 66 Changjiang West Road, Huangdao District, Qingdao, Shandong. Applicant before: CHINA University OF PETROLEUM (EAST CHINA) |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |