CSBE-SCGAB

Experimental validation of CFD simulations of bioaerosol movement in a mechanically ventilated airspace

Authors: Amy La and Qiang Zhang
Description: A CFD (computational fluid dynamics) model was developed to simulate the movement of bioaerosols in mechanically-ventilated chambers and the results were validated with experiments. Liquid aerosols containing Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus (PRRSV) were artificially generated in the chambers. Bioaerosol concentration was monitored with an optical particle counter until steady-state conditions were achieved (aerosols containing viruses are referred to as bioaerosols in this paper). Four treatments with two ventilation rates and two bioaerosol generation rates were tested. The standard k-ɛ turbulence model and a discrete phase model with unsteady tracking was used in an ANSYS Fluent CFD model to simulate the airflow and bioaerosol movement until steady-state was reached. A mesh refinement test was performed to select an optimal mesh size for simulations. The CFD simulations showed good agreement with the measured bioaerosol concentrations at steady-state with differences of 2% to 8%, normalized mean square error of 0.01 to 0.19, and fractional bias of 0.02 to 0.08. Simulations and validation during the transient phase could not be verified because of limited measurement locations.
Keywords: bioaerosol, computational fluid dynamics (CFD), ventilated airspace, airflow pattern.
Résumé: Un modèle MFN [CFD] (mécanique des fluides numérique) a été développé pour simuler le mouvement de bioaérosols dans des salles ventilées mécaniquement et les résultats ont été validés par des essais. Des bioaérosols liquides contenant le virus du syndrome reproducteur et respiratoire porcin (SRRP) [PRRSV] ont été introduits artificiellement dans les salles. La concentration des bioaérosols a été mesurée avec un compteur optique de particules jusqu’à ce que des conditions en régime permanent soient atteintes (les aérosols contenant les virus sont appelés bioaérosols dans cette publication). Quatre traitements (deux taux de ventilation et deux taux d’introduction) ont été testés. Le modèle standard de turbulence k-ɛ et un modèle de phase discrète avec suivi non permanent ont été utilisés dans un modèle MFN ANSYS Fluent pour simuler l’écoulement de l’air et le mouvement des bioaérosols jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint. Un test de raffinement du maillage a été réalisé pour obtenir un maillage optimal pour les simulations. Les simulations MFN ont donné des résultats similaires aux concentrations de bioaérosol mesurées en régime permanent avec des différences allant de 2 à 8 %, une erreur type normalisée de 0,01 à 0,19 et une erreur fractionnelle de 0,02 à 0,08. Les simulations et la validation durant la phase transitoire n’ont pu être vérifiées en raison du nombre limité de points de mesure.
Mots-clés: bioaérosol, mécanique des fluides numérique (MFN), espace ventilé, patron d’écoulement d’air.
Technical field: Building Systems Engineering
Citation: La, A., and Q. Zhang. 2019. Experimental validation of CFD simulations of bioaerosol movement in a mechanically ventilated airspace. Canadian Biosystems Engineering 61: 5.01-5.14.
https://doi.org/10.7451/CBE.2019.61.5.01
Volume: 61
Issue: 1
Start page number: 5.01
End page number: 5.14
Publisher: Canadian Society for Bioengineering / Société Canadienne de Génie Agroalimentaire et de Bioingénierie
Contributor: R. Sri Ranjan
Date: June 27, 2019
Publication type:
  • Journal
Type: Text.Article
Format: PDF
Identifier: C19392
Language 1: en
Language 2: fr
Rights: Canadian Society for Bioengineering / Société Canadienne de Génie Agroalimentaire et de Bioingénierie
Located in: Volume 61 (2019)