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Large-scale flow field and aerosol particle transport investigations in a classroom using 2D-Shake-The-Box Lagrangian Particle Tracking

Großräumige Strömungsfeld- und Aerosolpartikeltransportuntersuchungen in einem Klassenzimmer mit 2D-Shake-The-Box Lagrangian Particle Tracking

  • Infections with COVID-19 in enclosed public spaces, where virus-laden aerosol particles can accumulate over time, have significantly contributed to the rapid spread of the virus. It is therefore of great importance to understand the transport and dispersion process of aerosol particles in such spaces, especially against the background of future pandemics. In this work, we present a Lagrangian-Particle-Tracking experiment to assess the mixed convective flow in a classroom with different ventilation strategies. For this purpose, thermal plumes were created by heated dummies, and a collimated LED light-sheet with ~0.4 m thickness was used for illumination of helium filled soap bubbles (HFSB) acting as passive tracer particles. In this way, the Lagrangian trajectories of the particles were recorded at two approximately 4.2 m × 2.8 m large fields using the novel 2D-Shake-The-Box-Method. As a result, time-resolved trajectories of over 300,000 simultaneously tracked HFSB have been reconstructed, so that both small-scale and large-scaleInfections with COVID-19 in enclosed public spaces, where virus-laden aerosol particles can accumulate over time, have significantly contributed to the rapid spread of the virus. It is therefore of great importance to understand the transport and dispersion process of aerosol particles in such spaces, especially against the background of future pandemics. In this work, we present a Lagrangian-Particle-Tracking experiment to assess the mixed convective flow in a classroom with different ventilation strategies. For this purpose, thermal plumes were created by heated dummies, and a collimated LED light-sheet with ~0.4 m thickness was used for illumination of helium filled soap bubbles (HFSB) acting as passive tracer particles. In this way, the Lagrangian trajectories of the particles were recorded at two approximately 4.2 m × 2.8 m large fields using the novel 2D-Shake-The-Box-Method. As a result, time-resolved trajectories of over 300,000 simultaneously tracked HFSB have been reconstructed, so that both small-scale and large-scale properties of the flow are visualized quantitatively across the entire cross-section of the room. The trajectories show that the thermal plumes create lengthwise circulating vortices, which cannot be destroyed across the entire cross-section of the room by opening or tilting a window. Furthermore, the mixing in the room through the operation of an air purifier is higher compared to opening a window, which suggests that this strategy in combination with its air filtering capability is the most effective strategy to prevent infections.show moreshow less
  • Infektionen mit COVID-19 in geschlossenen öffentlichen Räumen, in denen sich virushaltige Aerosolpartikel mit der Zeit ansammeln können, haben erheblich zur raschen Ausbreitung des Virus beigetragen. Es ist daher von großer Bedeutung, den Transport- und Ausbreitungsprozess von Aerosolpartikeln in solchen Räumen zu verstehen, insbesondere vor dem Hintergrund künftiger Pandemien. In dieser Arbeit stellen wir ein Lagrangian-Particle-Tracking-Experiment vor, um die gemischt-konvektive Strömung in einem Klassenzimmer mit verschiedenen Lüftungsstrategien zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden Wärmefahnen durch beheizte Dummys erzeugt und eine kollimierte LED-Lichtplatte mit einer Dicke von ~0,4 m beleuchtete mit Helium gefüllte Seifenblasen (HFSB), die als passive Tracerpartikel fungierten. Auf diese Weise konnten die Lagrange'schen Trajektorien der Partikel in zwei etwa 4,2 m × 2,8 m großen Feldern mit der neuartigen 2D-Shake-The-Box-Methode aufgezeichnet werden. Als Ergebnis wurden zeitaufgelöste Trajektorien von über 300.000 gleichzeitigInfektionen mit COVID-19 in geschlossenen öffentlichen Räumen, in denen sich virushaltige Aerosolpartikel mit der Zeit ansammeln können, haben erheblich zur raschen Ausbreitung des Virus beigetragen. Es ist daher von großer Bedeutung, den Transport- und Ausbreitungsprozess von Aerosolpartikeln in solchen Räumen zu verstehen, insbesondere vor dem Hintergrund künftiger Pandemien. In dieser Arbeit stellen wir ein Lagrangian-Particle-Tracking-Experiment vor, um die gemischt-konvektive Strömung in einem Klassenzimmer mit verschiedenen Lüftungsstrategien zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden Wärmefahnen durch beheizte Dummys erzeugt und eine kollimierte LED-Lichtplatte mit einer Dicke von ~0,4 m beleuchtete mit Helium gefüllte Seifenblasen (HFSB), die als passive Tracerpartikel fungierten. Auf diese Weise konnten die Lagrange'schen Trajektorien der Partikel in zwei etwa 4,2 m × 2,8 m großen Feldern mit der neuartigen 2D-Shake-The-Box-Methode aufgezeichnet werden. Als Ergebnis wurden zeitaufgelöste Trajektorien von über 300.000 gleichzeitig verfolgten HFSB rekonstruiert, so dass sowohl kleinräumige als auch großskalige Eigenschaften der Strömung über den gesamten Querschnitt des Raumes quantitativ visualisiert werden. Die Trajektorien zeigen, dass die Wärmefahnen in Längsrichtung zirkulierende Wirbel erzeugen, die auch durch Öffnen oder Kippen eines Fensters nicht über den gesamten Raumquerschnitt zerstört werden können. Außerdem ist die Durchmischung im Raum durch den Betrieb eines Luftreinigers höher im Vergleich zum Öffnen eines Fensters, was darauf hindeutet, dass diese Strategie in Kombination mit ihrer Luftfilterung die wirksamste Strategie zur Vermeidung von Infektionen ist.show moreshow less

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Metadaten
Author: Tom BuchwaldORCiD, Gazi HasanuzzmanORCiD, Sebastian MerboldORCiD, Daniel SchanzORCiD, Christoph EgbersORCiD, Andreas SchröderORCiD
DOI:https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e22826
ISSN:2405-8440
Parent Title (English):Heliyon
Publisher:Elsevier
Place of publication:Amsterdam
Document Type:Scientific article
Language:English
Year of Completion:2023
Release Date:2024/07/08
Tag:Ausbreitung von Aerosolpartikeln; Lagrangesche Partikelverfolgung; Raumbelüftung
Aerosol particle spreading; Covid-19; Lagrangian-particle-tracking; Room ventilation; Shake-the-box
GND Keyword:Aerosol; Lagrange-Darstellung <Strömungsmechanik>; Belüftung; Klassenzimmer
Volume:9
Issue:12
Article Number:e22826
Fundername (not EU):Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / Open-Access-Publikationskosten (2023 -2025) / 512881332
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Bildgebende Messverfahren
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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