CFD Simulation vermindert Risiko einer Covid-19 Infektion
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Im Zuge der Corona Pandemie wird die CFD Simulation zur Optimierung bestehender Sicherheitsmaßnahmen in verschiedensten Einrichtungen eingesetzt. So hat Dassault Systèmes mit seiner Simulia Software u. a. das Pariser Krankenhaus Pitié-Salpêtrière AP-HP bei der Bewertung des Infektionsrisikos durch luftübertragene Coronaviren in mehreren Räumlichkeiten unterstützt. Auch führte die Bewertung der Aerosol Verteilung in der Kantine der GEA zur sicheren Wiedereröffnung der Räume.
Inhalt
CFD Simulation im Krankenhaus
Dassault Systèmes unterstützt das Krankenhaus Pitié-Salpêtrière in Paris mit der CFD Simulation bei der Bewertung des Risikos einer Covid-19 Infektion. Das Krankenhaus setzt dabei auf die 3D Luftströmungssimulation. So verbessert es die vorhandenen Sicherheitsmaßnahmen und verringert die Expositionsrisiken in Patientenpflege und am Arbeitsplatz.
Die CFD Spezialisten von Dassault Systèmes gründeten mit dem Krankenhaus Management und dem Pariser Architekten Arnaud Delloye eine Projektgruppe, als Frankreich im Oktober 2020 den zweiten landesweiten Lockdown verkündete.
3D Simulationssoftware gestaltet durch Power User
Das Ziel war, die geplanten Umbaumaßnahmen an einem postoperativen Überwachungsraum zu bewerten. Es wurden verschiedene Szenarien simuliert, wie für den Fall, dass sich infizierte und nicht infizierte Personen gleichzeitig in diesem Raum aufhalten. So untersuchten die Beteiligten mögliche Lösungen, welche die bestehenden Sicherheitsmaßnahmen des Krankenhauses proaktiv ergänzen können. Damit sollte das Risiko einer Exposition für die nicht infizierten Patienten und Mitarbeiter verringert werden.
Simulation von Luft Strömung und Tröpfchenablagerung
Mit der Simulationssoftware Simulia wurden die Luft Strömung und Tröpfchenablagerungen im Raum modelliert und analysiert. Anhand der CFD Simulation kam man zur optimalen Lösung in Form einer Kombination aus zwei Komponenten: einer Trennwand und einem speziellen Abluftventilator über jedem infizierten Patienten.
Konstruktionssoftware für die blitzschnelle Produktentwicklung
Ein ähnliches Luftstromsystem hatte der Architekt bereits für ein Pariser Restaurant entworfen. In der Zusammenarbeit haben medizinisches Fachpersonals, Bauingenieure und CFD Spezialisten einen neuen wissenschaftlichen Ansatz entwickelt.
Im Rahmen eines Förderprogramms von Dassault Systèmes ist dieses Projekt das neueste seit Beginn der Pandemie. Zuvor haben die Dassault Spezialisten bereits ein weiteres AP-HP-Krankenhaus in Paris, Bichat – Claude Bernard, beim Umbau einer Traumastation beraten. Im Zuge der Pandemie ging es darum, Patientenbetten optimal zu positionieren, Oberflächenkontamination zu untersuchen und neue Luftfiltersysteme zu installieren.
Parallelen der einzelnen Projekte
Bei all diesen Projekten werden die besonderen Gegebenheiten eines Bereichs gezielt berücksichtigt, um spezifische Risiken und Lösungen zu identifizieren. Auch Beiträge von Studenten von Frankreichs führender technischen Universität Ecole Polytechnique fließen in diese kollektiven Anstrengungen mit ein. In den kommenden Wochen wird Dassault die Risiken der Virenausbreitung in den Kantinen zweier AP-HP-Krankenhäusern simulieren, identifizieren und Maßnahmen empfehlen, welche die bereits vorhandenen Vorkehrungen für das Krankenhauspersonal verstärken.
„In unserem Bemühen, die Auswirkungen des Virus auf unsere Mitbürger und die Gesundheitssysteme zu minimieren, müssen wir weiter einen proaktiven Ansatz verfolgen“, so Claire Biot, Vice President, Life Sciences Industry bei Dassault Systèmes. „Mit unseren Simulationen können wir die Sicherheit in Krankenhäusern, Pflegeheimen und Spezialkliniken verbessern und die baulichen Verhältnisse von geplanten Um- oder Neubauten optimieren. Diese Zusammenarbeit ist Teil unserer Mission, Produkt, Natur und Leben in Einklang zu bringen und die Welt zu einem besseren, sichereren und gesünderen Ort zu machen.“
CFD Simulation in GEA Kantine
Die Kantinen der GEA wurden im März 2020 auf Grund der Corona-Pandemie an allen Standorten geschlossen. Derzeit nutzt der weltweit größte Systemanbieter für die nahrungsmittelverarbeitende Industrie eine Simulia Anwendung, welche Luftströmungen in der Mitarbeiter Kantine in Oelde simuliert. Die CFD Simulation der Aerosol Verteilung erfolgt auf Basis der 3D Experience Software von Dassaul Systèmes und hat die sichere Wiedereröffnung der Räume zum Ziel.
„Die Kantine ist ein wirklich wichtiger Ort”, sagt Erich Nitzsche, Vice President Engineering Standards & Services bei GEA. „Jeder kommt hierher, um sich beim Essen oder Espresso mit Kollegen auszutauschen. Wir mussten die Kantine schließen und desinfizieren. Und gleichzeitig stellt sich die Frage, wie wir diese wieder öffnen können, ohne die Gesundheit der Mitarbeiter zu gefährden.“
Simulation der Aerosol Verteilung und digitaler Zwilling
Das Coronavirus verteilt sich durch Tröpfchen in der Umgebungsluft. Die GEA möchte herausfinden, wie sich die Aerosol Verteilung in der eigenen Kantine verhält. Dazu beauftrage das Unternehmen Dassault Systèmes Engineering Services mit der Simulation der Strömungsmechanik in der Kantine. Mithilfe der Engineering CFD Simulation (Computational Fluid Dynamics) wurde für die Wiedereröffnung verschiedene Szenarien simuliert und visualisiert.
Darauf aufbauend soll eine effektive Risikomanagementstrategie umgesetzt werden. Hierfür wurde die Kantine mit Simulia Powerflow vollständig als digitaler Zwilling abgebildet. Darin wurden die Strömungen der Luft inklusive der gesamten Lüftungsanlage simuliert. Auch der Transport potenziell kontaminierter Tröpfchen, die ausgeatmet werden, wird simuliert.
Ergonomischer Computerarbeitsplatz in Büro und Homeoffice
Mittels der CFD-Simulation sollen sichere Gegenmaßnahmen getroffen werden können. Mit der Initiative Back to Work möchte GEA die Firmensitze wieder vollständig öffnen. Zusammen mit Dassault Systèmes hat man dazu einen dreidimensionalen virtuellen Zwilling der Kantine erstellt. „Ich sehe den digitalen Zwilling eher als digitale Marionette an, die wir während dieser Zeit haben tanzen lassen“, sagt Erich Nitzsche.
Strategie zur Risikobewältigung
Mit der CFD Simulation wurden Partikelbewegungen durch Husten oder Niesen von infizierten Personen simuliert. Die Strömungssimulation zeigte, wie das Virus sich über die Luft ausbreitet und dabei eine Kontamination auf Oberflächen wie Tellern, Tabletts und Tischen stattfindet. Unerwartet zeigte der virtuelle Zwilling zudem Bereiche mit besonders hoher Virusbelastung auf.
Die Ergebnisse der Strömungssimulation helfen GEA, das Verhalten der Luft Strömungen besser zu verstehen und eine mögliche Virusausbreitung zu erkennen. Die Verbreitung größerer Tröpfchen oder Aerosole in der Luft nach dem Atmen und Husten werden an verschiedenen Stellen der Kantine überprüft. Daraus konnten Empfehlungen abgeleitet werden, die GEA bei der Entscheidungsfindung für die vollständige Öffnung der Kantine unterstützen. Realistische Simulationen helfen zudem, neue Maßnahmen zu kommunizieren und die Mitarbeiter weiter zu sensibilisieren.
Die Erkenntnisse aus der CFD-Simulation werden bei GEA nun für die Entwicklung und Umsetzung einer effektiven Risikobewältigungsstrategie genutzt. Sie soll für mehr Sicherheit in der Kantine sorgen. Darin enthalten sind Anpassungen von Ein- und Ausgängen, Sitzmöglichkeiten, eine klare Trennung des Küchenbereichs von der Essensausgabe. Auch bei der Belüftung müssen Änderungen vorgenommen werden. Zudem sollen weitere Sicherheitsmaßnahmen das Küchenpersonal schützen.
Zusammenarbeit mit Dassault Systèmes
„Die Strömungssimulation ermöglicht wertvolle Lernprozesse und wird eine große Rolle in unseren Entscheidungsprozessen zur Wiedereröffnung unserer Kantine spielen“, sagt Erich Nitzsche. „Die Ergebnisse unserer Zusammenarbeit mit Dassault Systèmes übertrafen unsere Erwartungen und zeigten eine für uns neue Herangehensweise auf.
Numerische Strömungsmechanik zur frühzeitigen Analyse
Insbesondere die Umwandlung von 2D auf 3D Daten war erstaunlich einfach gelungen. Dank der Computational Fluid Dynamics können wir nun die Gesundheit unserer Mitarbeiter zielgerichteter sicherstellen und gleichzeitig negative Auswirkungen auf unser Business verringern. Die Auswahl von Dassault Systèmes macht sich also direkt bezahlt.“
Mitarbeiter bei GEA informieren
GEA plant mit einem Video die Mitarbeiter mit den Simulationsergebnissen vertraut zu machen. Damit kommuniziert das Unternehmen, warum und wie neue Maßnahmen ergriffen werden. Zudem soll gezeigt werden, welche Rolle die Technologie in der Entscheidungsfindung gespielt hat.
„Virtuelle Welten revolutionieren unsere Beziehung zum Wissen und eröffnen unvorstellbare Möglichkeiten“, erklärt Klaus Löckel, Managing Director Eurozentral bei Dassault Systèmes. „Unsere Simulia Anwendungen enthüllen das Unsichtbare, in dem Zeit und Raum eines Ablaufs in der Umgebung dargestellt wird. GEA kann dies nun nachvollziehen, Maßnahmen zur Bewältigung der Coronavirus-Krise ergreifen und so die Sicherheit der Mitarbeiter in den Vordergrund stellen.“
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