Практически все ведущие разработчики систем автоматизированного проектирования (САПР) неизменно включают теперь в свои портфолио самые разные программные решения для эффективного анализа гидрогазодинамики. Это обусловлено широким спектром решаемых задач, от расчета движения разных жидкостей в насосах до моделирования воздушных потоков в жилых кварталах. Autodesk также следует этой тенденции. Программный продукт Autodesk CFD, вероятно, лидирует по разнообразию областей применения. Однако проект, о котором я хотел бы рассказать, поразил меня и моих коллег своим нестандартным использованием Autodesk CFD в сфере здравоохранения. Проект Hospital Twin, разработанный компанией Royal HaskoningDHV, представляет собой цифровой двойник больницы. В основе проекта лежит создание точной цифровой модели помещения на основании физических данных, на которой Subsequently проводятся симуляции реальных процессов, происходящих в больнице.
Рассмотрим конкретный пример применения цифрового двойника – модернизацию операционных. Цель модернизации заключалась не только в оптимальном размещении оборудования для удобства проведения медицинских процедур, но и в минимизации риска распространения внутрибольничных инфекций.
Дело в том, что лечение пациентов в США в большинстве случаев оплачивается страховыми компаниями. Но вот лечение от инфекций, полученных в стенах больницы, не покрывается этими выплатами. И клиники вынуждены полностью финансировать такое лечение из своего бюджета. Поэтому предотвращение внутрибольничных инфекций, помимо безопасности персонала и пациентов, имеет важное экономическое значение.
Помещение операционной – сердце больницы, где пространство продумано до мелочей, а свободное место практически отсутствует. Сложная система включает в себя персонал, мебель, медицинское оборудование и осветительные приборы – и всё это неизбежно влияет на движение воздушных потоков. С помощью Autodesk CFD компании Royal HaskoningDHV удалось определить оптимальную конструкцию вентиляции для эффективного воздухообмена в стерильном помещении.
Рассмотрим, как шла работа над проектом Hospital Twin. Сначала команда создала цифровую модель помещения в Revit, после чего её нужно было адаптировать для расчетов в Autodesk CFD. Мы знаем, что программа использует метод конечных элементов, и если элементов будет слишком много, эффективность анализа снизится. Значит, необходимо упростить модель. При этом важно помнить, что операционное помещение содержит в себе множество предметов, каждый из которых влияет на поведение воздушных потоков, и пренебрежение каким-либо элементом может радикально сказаться на точности CFD-расчета. Здесь на помощь призвали Fusion 360. Он позволил упростить трехмерную модель для подготовки к анализу, сохранив при этом детализацию наполнения зала. Это стало возможным благодаря загрузке во Fusion 360 библиотеки объектов, присутствующих в больнице. Таким образом, команда смогла не только наполнить трехмерную модель комнаты, но и редактировать её, меняя расположение предметов для разных итераций расчета.
После этого модель перенесли в Autodesk 3ds Max для последующего рендеринга. Этот шаг не является обязательным для работы Autodesk CFD. Он, скорее, предназначен для удобства презентации модели, так как позволяет адаптировать объект для работы в виртуальной реальности. Надев VR-очки, можно очутиться внутри цифровой модели и принять решение об изменении дизайна помещения, расстановке оборудования и так далее. Но уж если мы рассматриваем проект детально, я решил рассказать и об этом его этапе.
Следующий шаг – симуляция движения воздушных потоков в Autodesk CFD. С его помощью можно легко выполнить анализ поступления и удаления загрязнений. Вы сможете увидеть, что именно происходит при этом внутри помещения. Программа позволяет сравнить несколько вариантов конфигурации вентиляционной системы, а режим анимации покажет, как движутся частицы. Например, на картинке ниже видно, как на движение воздуха влияют лампы. Зачастую проектировщики не придают значения таким деталям.
Также большое значение имеет расположение решеток вентиляции. Прежде чем использовать диффузоры, их поведение было смоделировано в Autodesk CFD. В результате стало видно, что возле одного диффузора воздух как бы прилипает к стене, что делает неэффективной его работу. Чтобы лучше представить поведение потока, было проведено натурное испытание – на диффузор пустили дым и убедились, что большая его часть распространяется вдоль стены, скапливаясь в углу.
Оборудование над операционным столом тоже влияет на движение воздушных потоков. В результате моделирования была получена диаграмма скорости, которая говорит о том, что под лампами образуются зоны застоя, а под экранами присутствуют завихрения. Для подтверждения снова были проведены натурные испытания, которые подтвердили данные Autodesk CFD. Конечно, такое поведение воздуха неблагоприятно для пациента, находящегося на операционном столе.
Для исправления данной ситуации лампы были заменены на модель другой формы. После проведения повторного моделирования, разница оказалась очевидной. Вы можете увидеть два результата симуляции движения потоков воздуха на изображениях ниже.
Но это еще не всё. Оказалось, что источником опасности является и медперсонал. Чтобы минимизировать потенциальный вред, нужно было грамотно настроить систему кондиционирования. На изображении ниже представлен результат моделирования загрязнений, исходящих от людей.
Именно так, шаг за шагом, проводя всё новые расчеты и постоянно изменяя наполнение и расстановку предметов в операционной, команда Royal HaskoningDHV смогла определить оптимальную схему для эффективного выведения из зала загрязнений, несущих потенциальную опасность для пациентов. Задача противодействия распространению внутрибольничных инфекций была решена с минимальными временными и финансовыми затратами.
Но это не единственный пример эффективного применения Autodesk CFD для нужд больницы. Получение лицензии на оказание медицинской деятельности зависит от соответствия больницы постоянно возрастающим требованиям безопасности. Чтобы отвечать им, больницам часто приходится изменять существующие конструкции помещений и вспомогательных систем. И мы понимаем, что объем инвестиций в такую модернизацию имеет огромное значение. Виртуальное моделирование помогает добиться поставленных целей с минимальными затратами.
На изображении ниже вы видите диаграммы изоповерхности скорости 0,5 м/сек. Верхняя картинка — это существующая конфигурация, на средней изображена проверка влияния воздушного экрана, а нижняя показывает результат с применением дополнительных воздуховодов. Моделирование с различными скоростями показало, что оптимального варианта можно добиться усовершенствованием некоторых деталей, без необходимости менять всю систему. Такое решение позволило больнице успешно пройти сертификацию и сэкономить достаточно много денег.
Другая сложная задача – создание оптимальной вентиляции в гибридных операционных комнатах. В этом пространстве традиционная операционная зона сочетается с большим количеством диагностического оборудования: МРТ- и КТ-сканерами, ангиографическими системами, аппаратами УЗИ. Сложность заключается в том, что это оборудование необходимо постоянно перемещать. Здесь также находится применение возможностям Autodesk CFD и Fusion 360. Сотрудникам Royal HaskoningDHV и коллегам из Autodesk удалось определить удачное расположение воздуховодов благодаря множеству итераций конфигурации помещения во Fusion 360 и моделированию движения потоков воздуха на каждом этапе в Autodesk CFD. В итоге команда добилась решения, которое устроило всех.
Таким образом, Autodesk CFD успешно показал свое применение в столь неожиданной для себя области, как здравоохранение. Стоит отдать должное и его верному спутнику – Fusion 360. Этот тандем позволяет оперативно работать с 3D-моделями и проводить расчет потоков. Опыт показывает, что наиболее эффективные решения находятся на пересечении разных дисциплин или областей. Так и с программными продуктами Autodesk – если найти точки их пересечения, вы получите потрясающий по скорости и эффективности.
Автор: Алексей Видякин
Источник: http://isicad.ru/
