3 maneiras de combater a contaminação em edifícios públicos, transportes e instalações de produção
Até 2020, a Dinâmica de Fluidos Computacional, também conhecida como CFD para ar limpo, claramente não era algo que o público em geral notava. Mas quando a pandemia do coronavírus estimulou a comunidade global a agir como nunca antes na história recente, a necessidade de ar limpo e saudável de repente se tornou mais evidente e uma questão maior de atenção pública do que nunca e com isso o CFD chegou à grande mídia . E embora a COVID-19 pareça ter desaparecido há muito tempo, e com ela a atenção pública, a necessidade geral de ar limpo e purificado em instalações públicas, escritórios e transporte continua sendo um fator importante para a qualidade de vida. Mas não são apenas os humanos que precisam de um certo padrão de qualidade do ar para uma vida saudável, da mesma forma, existem muitos produtos para cujos padrões de higiene de produção são muito altos e a contaminação do ar pode representar um grande dano às suas respectivas instalações de produção industrial.
Neste desafio constante por ar saudável e não contaminado, a simulação de dinâmica de fluidos computacional (CFD) pode ser um recurso crucial. O software de simulação CFD do portfólio Simcenter da Siemens é usado pela indústria em várias aplicações para garantir que o ar seja purificado e que possamos respirar com segurança e fabricar produtos com desempenho correto e eficiente.
3 maneiras pelas quais as simulações de CFD ajudam a garantir ar limpo
Nem é preciso dizer que simulações de CFD não podem (e não devem) ser usadas como diretrizes de saúde pública. Mas simulações de CFD, se aplicadas corretamente, podem ajudar de 3 maneiras:
Compreender o transporte de exalações indesejadas de fontes humanas ou não humanas, concentração e mitigação
A simulação CFD oferece múltiplas abordagens para modelar gotículas e aerossóis e seu transporte no espaço e no tempo. As simulações CFD podem mostrar para onde essas partículas viajam, quanto tempo elas permanecem no ar e em quais superfícies elas impactam.
Isso geralmente seria útil em um pequeno ambiente interno com algum tipo de fluxo de ar controlado (salas, carros, trens, aviões, salas limpas, instalações de produção de alimentos, etc.). Ao ar livre, o número de variáveis aumenta e forma qualquer conclusivo
Melhorar/redesenhar ambientes internos para segurança
As simulações de CFD são usadas há muito tempo para entender os fluxos de ar internos e projetar sistemas de HVAC e ambientes internos para conforto e segurança.
O CFD combinado com a otimização do design pode ajudar a analisar centenas de cenários hipotéticos para ambientes internos.
Por exemplo, você pode analisar diversas configurações de ventilação e cortinas de ar para garantir que a maioria das gotículas e aerossóis em uma sala sejam removidos.
Purificadores de ar e desinfetantes podem ser projetados e dispostos para focar em áreas de alta concentração de gotículas.
Projetar equipamentos para remover substâncias perigosas e purificar o ar
Como você esteriliza e purifica espaços internos? Aqui, simulações de CFD podem ajudar a projetar equipamentos de purificação.
Hoje, as empresas usam essas metodologias de CFD para prever a disseminação de partículas contaminantes, gases perigosos ou até mesmo vírus em quase tudo, desde prédios públicos, como aeroportos, escritórios, escolas ou estações de trem, passando pelo transporte público, como em aviões, ônibus ou trens, até instalações industriais para wafers, alimentos ou produtos farmacêuticos. Os exemplos a seguir mostram como os clientes da Siemens usaram simulações de CFD na luta por ar limpo.
CFD para ar limpo em transportes (públicos)
Para a indústria de transporte (aviões, trens e automóveis... navios também), a COVID-19 trouxe os espaços internos para um foco maior. Desde então, esforços contínuos têm sido feitos para garantir ar limpo em qualquer tipo de veículo – especialmente naqueles que transportam um grande número de pessoas.
Airbus – Compreendendo a propagação de gotículas de tosse na cabine da aeronave
A Siemens e a Airbus estão usando o Simcenter STAR-CCM+ para entender o transporte de partículas/gotículas de uma tosse humana na cabine de uma aeronave.
Usando simulações de CFD, a equipe modelou o transporte de gotículas de tosse em uma cabine de aeronave. O impacto e a eficácia das máscaras faciais na redução da transmissão de gotículas em uma aeronave também são modelados.
A equipe conjunta desenvolveu a metodologia CFD que aborda três coisas:
Simulação de gotículas de tosse de um ser humano médio
Desafios na modelagem do ambiente de cabine de aeronaves
Etapas envolvidas na compreensão do risco de transmissão do vírus por meio de gotículas de tosse
Norton Straw (agora element Digital Engineering) – ventilação em trens
A UK Rolling Stock Owning Company (trens, para leitores do resto do mundo) contatou a Norton Straw (agora element Digital Engineering) para ajudar a minimizar a transmissão a bordo dos trens. Usando simulação CFD com Simcenter STAR-CCM+, os engenheiros da Norton Straw analisaram o fluxo de ar na cabine do trem resultante de muitas estratégias de mitigação – janelas abertas, proteção de plástico entre os passageiros, fluxo de ar de ventilação diferente, etc.
Os resultados da simulação, também apresentados com o Simcenter STAR-CCM+ Virtual Reality (VR), ajudaram o fabricante a avaliar a eficácia da ventilação de diferentes configurações de cabine
UES/USAF – Avaliação do transporte de agentes biológicos em aeronaves
Como identificar pontos críticos de contaminação por bioaerossol em uma aeronave médica e confirmar a descontaminação após a exposição?
A UES, Inc. fez uma parceria com a 711 th Human Performance Wing (HPW) do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA para encontrar a resposta usando o Simcenter STAR-CCM+. Simcenter Engineering Services ajudou a equipe a simular uma tosse de um passageiro infectado em uma aeronave C-130 Hercules com vários passageiros.
Os resultados das simulações de CFD serão usados para orientar procedimentos aprimorados e estratégias de amostragem para detecção de bioaerossol e descontaminação de superfícies. Isso ajuda a Força Aérea dos EUA a tomar decisões críticas sobre o transporte de pacientes infecciosos.
CFD para ar limpo em edifícios
Outra área onde as simulações de CFD podem ser de grande utilidade é em espaços internos imóveis, onde novamente o fluxo de ar e a ventilação podem ser controlados.
HOLT Architects/ME Engineering – Criando espaços de escritório mais seguros com CFD
A HOLT Architects, em associação com a M/E Engineering, publicou alguns resultados interessantes sobre suas estratégias para reduzir a transmissão aérea de vírus. A M/E Engineering é bem conhecida por sua expertise em modelagem CFD. Usando o Simcenter STAR-CCM+, eles ajudaram os arquitetos da HOLT a estudar a transmissão de gotículas em seu escritório em Ithaca, NY. Este estudo e o redesenho do sistema de ventilação estão ajudando os funcionários a trabalhar com segurança no escritório.
Modelos CAD do espaço real do escritório foram usados. Quando a COVID estava no auge, simulações CFD de tosses múltiplas com e sem máscara facial foram analisadas com o Simcenter STAR-CCM+. A análise considerou o arranjo do escritório, mobília, padrões de fluxo de ar, barreiras e localização das pessoas. Mesmo que as máscaras em espaços de escritório sejam coisa do passado novamente, esse tipo de simulação de tosse específica do ambiente pode ajudar a redesenhar os sistemas de HVAC e ventilação interna. Quanto menor o espaço (e dentro de casa), menores são as variáveis que controlam a transmissão de gotículas.
E se um paciente infectado tossir? E se o sistema HVAC for trocado? E se uma janela puder ser aberta? Onde enfrentar os dispositivos de esterilização/desinfecção? Essas e outras perguntas, projetos de CFD podem responder.
JB&B – Simulações CFD mostram que abrir janelas é a chave para escolas saudáveis
Simulação Simcenter da JB&B mostra como abrir uma janela em uma sala de aula dilui contaminantes de um aluno infectado
Jaros, Baum & Bolles (JB&B), uma empresa de consultoria em engenharia, trabalhou em estreita colaboração com o New York Times para mostrar como as escolas podem reduzir a exposição à COVID-19 em salas de aula abrindo janelas. Os engenheiros da JB&B usaram simulações de CFD para mostrar como os contaminantes de um aluno infectado circulam em uma sala de aula para três cenários – janelas fechadas, janelas abertas e com um ventilador e purificador de ar instalados.
A história do New York Times é de leitura obrigatória e é uma representação visual brilhante de como manter os contaminantes infectados no mínimo em um ambiente de sala de aula.
CFD para projetar dispositivos de esterilização e purificação
Excelitas Noblelight – Desenvolvimento de purificadores de ar UVC com simulação CFD
A Excelitas Noblelight GmbH vem desenvolvendo fontes de luz especiais desde a invenção da lâmpada de vidro de quartzo em 1904. A luz, seja ultravioleta (UV), infravermelha (IR) ou faixa de onda média, está no centro de tudo o que eles fazem. A empresa aproveitou o poder da luz para resolver uma ampla gama de desafios nas indústrias de fabricação e processo. Com a ajuda do CFD, eles também projetam e fabricam produtos de consumo como o purificador de ar Soluva®, para remover vírus transportados pelo ar de ambientes de saúde, transporte público e salas de aula. A simulação de engenharia não é usada apenas durante a fase de desenvolvimento do produto, mas também para entender a melhor maneira de implantar produtos em campo.
Usamos simulação CFD para ajudar nossos clientes a entender seus processos e onde localizar nossos emissores UV ou IR para torná-los mais eficazes.
Dörte Eggers, engenheira de simulação da Excelitas Noblelight
Norton Straw (agora Element Digital Engineering) – Novo dispositivo de esterilização de ar
De forma semelhante, a supracitada Norton Straw (agora Element Digital Engineering) usou o Simcenter STAR-CCM+ para desenvolver um novo conceito de dispositivo de esterilização de ar. Usando simulações CFD e otimização de design, a empresa projetou um dispositivo de esterilização pequeno, leve e com eficiência energética. O dispositivo ganhou o Innovate UK Covid Response Grant. O dispositivo facilmente fabricável está atualmente sendo produzido com manufatura aditiva. Tratar o ar recirculado em ambientes internos com tal dispositivo de esterilização de ar é uma solução para aplicações ferroviárias, automotivas e de construção.
Contornos de velocidade dentro de um trocador de calor de placas e aletas dentro do premiado dispositivo de esterilização de ar. Simulação CFD usando Simcenter STAR-CCM+
CFD para ar limpo em instalações de produção
A aplicação de CFD para ambiente limpo não para em fornecer ambientes mais saudáveis para seres humanos. Além disso, linhas de produção de produtos que exigem altos padrões de higiene e pureza de material precisam ser mantidas livres de gases perigosos, partículas, névoa ou poeira.
FS Dynamics estabelece método CFD para avaliar contaminação em máquinas de litografia
Na Realize Live Conference Europe de 2024, a consultora de simulação CAE FS Dynamics apresentou uma metodologia CFD de alta fidelidade para avaliar a contaminação em máquinas de litografia, uma importante unidade de produção na indústria de semicondutores. Seu trabalho aborda o desafio de longa data da modelagem de contaminação em máquinas de litografia com um wafer em movimento usando simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Tradicionalmente, a técnica de morphing e remeshing era empregada para capturar o movimento do wafer enquanto avaliava fluxos de ar e rotas de contaminação, apesar de sua lentidão inerente devido ao gargalo de remeshing. A FS Dynamics desenvolveu uma metodologia refinada que aproveita a técnica de malha overset, uma abordagem anteriormente negligenciada devido a suposições de sua inadequação para modelagem de contaminação com baixa concentração de espécies contaminantes. Superando as expectativas, a nova abordagem CFD não apenas se mostra adequada para modelagem de contaminação com wafers em movimento, mas também reduziu significativamente o tempo de computação, permitindo ciclos de desenvolvimento mais rápidos e iterações de design mais ágeis para máquinas de litografia superlimpas.
A Creaform Engineering usa CFD para linhas de envase de vacinas sem contaminação
Sala limpa para fabricação de vacinas. Todos os recursos foram contabilizados nas simulações CFD realizadas com o Simcenter STAR-CCM+, incluindo paredes, móveis, filtragem HEPA, sistema HVAC, barreiras físicas com acesso com luvas (janelas ao redor da linha de produção), transportador, agulhas de enchimento, máquina de fechamento e muitos painéis de controle de instrumentos de medição, bem como as Barreiras de Acesso Restrito com a mesa de acumulação para frascos
O design de salas limpas para fabricação de vacinas e outros medicamentos é precisamente o tópico de um dos artigos da Siemens: Relatório Especial de Ciências Biológicas, uma compilação que abrange uma gama de aplicações de CFD, desde o design de dispositivos médicos até processos de fabricação farmacêutica. Nesse artigo, as empresas Creaform e Laporte colaboraram para realizar uma simulação altamente detalhada de uma sala limpa para fabricação de vacinas, para obter insights preditivos para complementar os testes de fumaça tradicionais no processo de comissionamento de salas limpas. As simulações de CFD foram usadas para demonstrar a eficácia das barreiras aerodinâmicas e garantiram o caminho de fluxo adequado em torno de componentes não estéreis das máquinas. Conforme apontado no artigo, "Não apenas a conformidade regulatória da sala limpa estava em jogo, mas com a alta taxa de produção da linha (centenas de enchimentos de frascos por minuto), a contaminação representaria uma perda financeira e de tempo considerável porque leva ao desperdício de doses de vacina."
A Clean Air usa CFD para testar virtualmente capelas de exaustão
Capelas de exaustão são essenciais para laboratórios que geram substâncias perigosas transportadas pelo ar durante experimentos, processos e aumento de escala. Elas são projetadas para capturar e remover gases, vapores e aerossóis para reduzir o risco de exposição a um nível seguro. Nos 30 anos em que a Clean Air Limited (Clean Air) vem projetando, fabricando e instalando capelas de exaustão, proteger as pessoas sempre foi sua prioridade. Um dos pontos de venda exclusivos da Clean Air é seu compromisso de liderar a indústria de capelas de exaustão em segurança ambiental e sustentabilidade.
O hexafluoreto de enxofre (SF₆) é usado para provar a eficácia de uma capela de exaustão durante os testes, mas foi identificado como o gás de efeito estufa mais prejudicial. O equivalente a aproximadamente três toneladas de dióxido de carbono (CO₂) liberado durante os testes de tipo, e outra tonelada é liberada durante os testes no local. A maioria das capelas de exaustão é testada com o teste no local, então aproximadamente 1t CO₂ por capela e depois 3t por "tipo" de capela de exaustão. Para reduzir a pegada de carbono, a Clean Air trabalhou com a parceira da Siemens, Maya HTT, e desenvolveu um novo processo que substitui os testes de design pela simulação de dinâmica de fluidos computacional (CFD), garantindo que o desempenho e a segurança sejam garantidos sem impactar o meio ambiente.
Agende uma reunião com a CAEXPERTS e descubra como a dinâmica de fluidos computacional (CFD) pode transformar seus projetos e garantir qualidade de ar limpa e segura em ambientes críticos! Seja para otimizar instalações industriais, redesenhar sistemas de ventilação ou projetar dispositivos de purificação, nossos especialistas estão prontos para ajudar você a implementar soluções inovadoras com o Simcenter STAR-CCM+.
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E-mail: contato@caexperts.com.br
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