Как мне кажется, наука и техника всегда были направлены на решение различных проблем нашей повседневной жизни. Моей первой исследовательской работой (в седьмом классе) был проект крыши, которая преобразовывала энергию выпадающих осадков в электричество для снабжения дома. Через год я придумал гидравлический бандаж, динамически поддерживающий колено с усилием, зависящим от физической активности пациента. В прошлом году я создал самоочищающийся контейнер, чтобы решить проблему вывоза мусора в пригородах.

Вероятно, наибольшую известность мне принёс мой недавний проект, с которым я выиграл Всемирный смотр-конкурс научных и инженерных проектов Intel ISEF 2015. За победу соревновались 1700 школьников и студентов техникумов, прошедших национальный отбор в более чем 75 странах. В том году я озадачился проблемой распространения патогенных микроорганизмов по воздуху на борту самолета и создал первую в отрасли высокоточную модель воздушных потоков в салоне. Используя результаты этого анализа, я разработал экономически выгодное решение, которое изменило систему вентилирования салона, создав зоны личного дыхания для каждого пассажира, существенно (более чем в 55 раз) уменьшило передачу патогенных микроорганизмов и увеличило количество свежего воздуха в салоне самолета на 190%.

Миллиарды людей ежегодно летают на самолетах, в герметичных салонах которых изолированный воздух может распространять болезни воздушно-капельным путем. Когда я узнал о прошлогодней вспышке вируса Эболы, я был поражен, насколько благоприятна среда салона самолета для распространения болезней. Особо неприятен тот факт, что если Эбола передается на ограниченное расстояние посредством больших капель, то другие заболевания, включая атипичную пневмонию и грипп, передаются воздушным путем на большие расстояния. Статистика по вспышкам этих болезней поражает. Так, одна группа исследователей обнаружила, что человек с гриппом H1N1 за рейс может передать заболевание 17 пассажирам. В другом исследовании был опубликован случай из практики, в котором один пассажир с атипичной пневмонией заразил 22 других пассажира за всего лишь трехчасовой рейс.

Миллиарды долларов были потрачены на изучение внешних обводов самолета с целью улучшения аэродинамики и эффективности расхода топлива. К сожалению, если проанализировать нынешние исследования в сфере циркуляции воздуха на борту самолета, мы увидим, что наше понимание этого вопроса в значительной мере недостаточно. Из-за ограниченной точности экспериментальных измерительных методов предпочтительным инструментом в этой отрасли является CFD моделирование (computational fluid dynamics – вычислительная гидродинамика). Однако большая часть как коммерческих, так и научных исследований циркуляции воздуха в салоне самолета содержат существенные неточности. Мы нашли статьи, в которых геометрия манекенов людей и салона была очень приближенной, вентиляционные отверстия в салоне были расположены неверно, а также исследования, в которых были неправильно учтены сложные взаимодействия воздушных потоков. Все эти факторы приводят к неточному представлению о действительном  течении воздуха на борту самолета.

В моей работе я поставил себе задачу понять, что же на самом деле происходит в салоне самолета. Обращаясь к общедоступным чертежам и статистическим данным, я построил компьютерную модель с нуля, обеспечив точное воспроизведение человеческих манекенов и основных поверхностей салона.  Я также хотел убедиться, что все необходимые физические явления, включая теплообмен и конвекцию, были правильно учтены. Когда пришло время выбирать программное обеспечение для расчёта, не было никаких сомнений: в подавляющем количестве статей в этой отрасли использовался ANSYS. Я связался с компанией ANSYS, представив мою идею в надежде на лучшее: «Я –  амбициозный ученик средней школы, который хочет изменить способ циркуляции воздуха в гражданских авиалайнерах». Можете себе представить, насколько я был признателен, когда компания ANSYS согласилась предоставить мне лицензию на пакет CFD программ для моего проекта.

Вхождение в мир СFD потребовало от меня существенного повышения технических навыков. У меня уже был трёхлетний опыт работы в системах компьютерного моделирования, который я накопил во время моих занятий робототехникой и на предыдущих исследовательских проектах. В свободное время я также занимался программированием и вычислительной физикой. Разумеется, работа в CFD требует достаточно глубоких знаний во всех этих сферах. Я принял вызов – понять принцип работы CFD – и погрузился в поиски, изучая научную литературу и просматривая доступные обучающие материалы. Незадолго до этого я прочувствовал, как вычислительная мощность компьютера способна ограничить возможности исследователя, и это подтолкнуло меня собрать компьютер с восьмиядерным процессором, чтобы достойно встретить предполагаемые сложности моего исследования.

Каждый день после школы я проводил по меньшей мере три часа, усердствуя над моим проектом. По мере возрастания уверенности в собственных силах, я перешел к моделированию собственных вариантов движения потоков воздуха. Начиная с расчётов для пустого салона, я постепенно дошёл до весьма сложной модели. Предыдущие исследования в большей степени производились на сетках относительно низкого качества: 3-5 миллионов ячеек не давали полного представления о потоках воздуха. В моем анализе впервые в отрасли я использовал сетку с 20 миллионнами ячеек, которая вместе с точными геометрическими моделями и тщательно выбранной математической реализацией физических явлений обеспечивает наиболее достоверный результат.

Мои расчёты сделали понятным основной механизм распространения заболевания, который запускается, когда на борту чихает пассажир. В обычном салоне системы циркуляции могут длительное время гонять загрязненный воздух, не давая возможности очищающим HEPA фильтрам, расположенным в нижней части салона, абсорбировать патогенные микроорганизмы. Расчёты показывают, что патогенные микроорганизмы, исходящие от одного пассажира, могут длительное время кружиться по салону, проходя через зоны дыхания соседей по нескольку раз, прежде чем они достигнут фильтра. Пассажиры могут принимать некоторые меры для предупреждения заражения, скажем, мыть руки для предотвращения заражения от поверхностей откидных столиков и других элементов салона, но противопоставить что-либо общей воздушной обстановке на борту самолета значительно сложнее.

Наконец, я решил сделать шаг вперед, разработав оптимальное решение для улучшения вентиляции салона на основе результатов, полученных в 32 расчётах различных вариантов распространения воздуха. В конечном счете, я получил патент на направляющую систему для впуска воздуха в салон. Стоимость её производства эквивалентна цене обычного пассажирского билета на самолёт, а установка может быть проведена всего за одну ночь. Моя система увеличивает доступ свежего воздуха на 190% и сокращает концентрацию патогенных микроорганизмов в 55 раз по сравнению с обычными, не модифицированными, салонами. Наконец, новая система была испытана на масштабной модели для нескольких расчетных случаев. Все результаты испытаний совпали с результатами CFD, что подтверждает эффективность моей инновационной разработки.

После каникул, в течение следующего года обучения в выпускном классе, я надеюсь на совместную работу с авиаперевозчиками и разработчиками авиационной техники для внедрения моего изобретения для изменения циркуляции воздуха в салоне. Учитывая мгновенность вспышек некоторых заболеваний (например, ближневосточный респираторный синдром), очень важно начать принимать меры для улучшения циркуляции воздуха на борту самолета. Таким образом, мы сможем уменьшить опасность потенциально возможной эпидемии болезни.
Инструмент, который помог мне в моей разработке, сам по себе является интересным предметом для изучения. В дальнейшем я надеюсь продолжить использовать ANSYS для поддержки вопросов реализации моего проекта, и я настаиваю на этом в переговорах с авиакомпаниями, которые уже выразили интерес к моей системе вентиляции. Излишне говорить о том, что время реализации крайне важно для моего проекта. Так что я приглашаю к сотрудничеству всех, кто разделяет мои взгляды на перспективу моей разработки, чтобы в самом ближайшем времени мы действительно сделали существенное изменение в деле сохранения здоровья.

Аб авторе

Реймонд Ванг – 18-летний канадский новатор, который любит науку, инженерию и предпринимательство. Он вошёл в канадский рейтинг «Top 20 Under 20» и получил престижную награду имени Гордона Мура за лучший проект на конкурсе Intel ISEF 2015. Реймонд пытается решать проблемы современного мира с 12 лет. Он основал собственную компанию для предоставления инженерных услуг в области возобновляемой энергии, биомеханики и управлении окружающей средой. Реймонд изобрёл способ снижения распространения болезней в салоне самолёта, который поможет предотвращать эпидемии. Его работы были оценены как на национальном, так и на международном уровне, он был докладчиком на конференции TED. Реймонд также работает старшим редактором в Студенческой редколлегии (ISEB) журнала студенческой науки и технологии (Journal of Student Science and Technology). Он также увлекается музыкой, играет на кларнете в Canadian National Youth Band и является заядлым пианистом. Реймонд нацелен на улучшение нашего мира и видит свою карьеру в области науки и бизнес-проектов по внедрению инженерных решений.

Источник: http://www.ansys-blog.com/aircraft-cabin-airflow-curbing-disease-spread/
Автор:  Raymond Wang