新冠狀肺炎疫情，給我們的工作和生活造成了很大的影響，但是在大家共同的努力下，確診病例連續下降，一些企業也已經逐漸開始復工。幾乎所有的復工通知中都要求員工上班期間佩戴口罩，那麼佩戴口罩就真的萬無一失了嗎？
通過調查發現，很多佩戴口罩的人都沒有達到貼合度的要求，根據日本的一項調查研究，如上圖所示的佩戴情況，感染率為100%。
本文根據實際佩戴情況，對佩戴口罩時的呼氣過程進行了仿真分析，分析佩戴口罩不正確時呼出氣體的擴散情況。
案例分析
仿真目的：模擬成人戴口罩呼氣過程中，病毒氣體的洩漏情況。
物理模型：多組分氣；湍流；瞬態計算。
仿真邊界：入口邊界，對稱邊界，內部壁面（口罩）。
仿真計算域：外流場包含內部壁面（口罩）。
幾何和網絡
模型掃描圖示
如上圖所示，為了使仿真更加真實，幾何模型採用三維掃描實際人臉模型和戴口罩模型，詳細模型如圖所示，流體計算域中存在面體，畫網格的時候不能忽略，在workbench meshing中需要劃分Assembly Meshing，如果必要需要打開Beta功能。由於本文以Fluent為主，而不同工程師使用的網格劃分工具不同，在這裡不做過多介紹。
Fluent求解設置
將網格讀入Fluent以後，開始進行求解器設置。
1、檢查網格質量
2、進行基礎設置
由於本次模擬呼出氣體的擴散過程，需要使用瞬態計算，Fluent默認為穩態計算，因此需要設置成瞬態。
3、物理模型設置
物理模型設置包括兩部分：
1）湍流模型設置 ，本次模擬主要考慮氣體的擴散和混合，不關注壁面處的分離和受力，因此採用k-ε Realizable湍流模型；
2)組分運輸模型設置，計算域中的流體均為氣體，而人呼出的氣體有多種組分，因此需要打開組分運輸模型。
4、材料屬性設置
設置完物理模型後，材料面板中會增加相關的材料，如圖所示
本次模擬有三種氣體材料：外流場的空氣（air），呼出氣體二氧化碳（co2）和病毒氣體（poison）。材料面板已經有空氣，二氧化碳氣體可以從Fluent材料庫中提取，病毒氣體需要自定義。
雙擊材料面板中的二氧化碳材料，通過修改二氧化碳材料定義病毒氣體，將Name修改成poison，清空化學式，由於組分輸運單個材料屬性中只有比熱容和摩爾質量，因此暫時不需要修改氣體材料屬性，修改完後不要覆蓋二氧化碳材料。
多組分材料默認的為氧氣（O2）、氮氣（N2）和水蒸氣（H2O），本次模擬的多組分材料為空氣、二氧化碳和病毒氣體，需要修改組分運輸材料，雙擊材料面板中的Mixture-template，進行修改。
Mixture-template中的氣體材料最終只有毒性氣體、二氧化碳和空氣，組分運輸氣體的順序很重要，其中組分佔比最大的氣體要放在最後，然後修改氣體屬性。
5、操作條件設置
設置完材料後，需要對操作環境進行設置，操作環境包括：操作壓強、操作密度，重力加速度，其中參考位置和操作密度對於沒有壓力邊界的以重力擴散為主的仿真比較重要，本次模擬參考位置選擇相對穩定的大氣壓的位置，操作密度選擇初始平均密度。
6、邊界條件設置
邊界條件包括：兩個入口（鼻腔），對稱面和壁面，其中速度入口包括速度和組分兩部分，組分設置可以設置質量濃度，也可以設置摩爾濃度，本次模擬採用摩爾濃度。
7、求解設置
求解設置包括：選擇求解方法，設置鬆弛因子，設置檢測曲線，設置初始化和計算子歩和步數。本次仿真為瞬態計算，選擇瞬態計算常用的PISO求解方法，對於體積力起主要作用的流動問題，壓力離散格式選擇PRSTO！或者Body Force Weighted，本次仿真選擇PRSTO！離散格式。
由於本次模擬的模型是stl格式，口罩和麵部之間縫隙小，且表面情況複雜，因此本次模擬暫不考慮連續性曲線的收斂性，通過檢測曲線和其他殘差曲線判斷計算是否收斂。
8、結果後處理
為了即查看完整的模型，同時查看到內部氣體的分佈情況，本次結果後處理均採用Scene進行查看，查看步驟如下：
以上就是筆者關於呼吸過程病毒擴散案例step by step全過程，歡迎大家自行練習。
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