طراحی اتاقک مواجهه تنفسی حیوانات آزمایشگاهی با ذرات معلق به کمک شبیه سازی عددی

معمولا در مطالعات سم شناسی ذرات آلاینده هوابرد، از اتاقکهای مواجهه تنفسی استفاده می شود که مسئولیت تامین و توزیع یکنواخت و پایدار اتمسفر آزمایشی را در منطقه تنفسی حیوانات آزمایشگاهی برعهده دارند. مطالعه حاضر با هدف طراحی، ارزیابی و بهینه سازی یک اتاقک مواجهه تمام بدن، ویژه مواجهه حیوانات آزمایشگاهی کوچک با آلاینده های ذره ای انجام شد.
ابتدا مقالات و منابع علمی که جزئیات فنی و عملکرد اتاقک های مواجهه را بیان کرده بودند استخراج شد و مزایا، معایب و عوامل موثر بر عملکرد آنها تعیین گردید. سپس با لحاظ اصول دینامیک سیالات و شرایط استاندارد نگهداری حیوانات آزمایشگاهی، فرضیات طرح اولیه اتاقک تهیه شد. برای ایجاد توزیع یکنواخت ذرات در داخل اتاقک، از صفحات هدایت کننده جریان در مخروط فوقانی استفاده شد. به منظور بهینه سازی طرح اولیه از روش شبیه سازی عددی و نرم افزار ANSYS Fluent استفاده شد. ترسیم هندسه اتاقکها با استفاده از نرم افزار  Design modeler و شبکه بندی میدان محاسباتی با استفاده از نرم افزار ANSYS meshing انجام شد. ذرات استفاده شده دارای میانگین قطر آئرودینامیکی 10 میکرومتر، کروی، بدون بار و دارای چگالی 1400 کیلوگرم بر متر مکعب بوده و با سرعت گاز حامل وارد اتاقک شد. نمونه برداری غلظت ذرات در اتاقکها، در راستای شعاع استوانه و در فواصل 10 سانتی متری بر روی محور x انجام شد. سپس درصد ضریب تغییرات غلظت برای هر خط محاسبه شد. در تحلیل نهایی نتایج، طرح هندسه ای که دارای کمترین مقدار ضریب تغییرات غلظت ذرات در طول خط منتخب نمونه برداری بود، به عنوان بهترین طرح اتاقک انتخاب شد.  
اتاقک مواجهه تنفسی بهینه سازی شده در این مطالعه، دارای جریان دینامیک و شامل یک استوانه با دو مخروط فوقانی و تحتانی است. جریان دو فازی گاز و ذرات معلق از دهانه مخروط فوقانی وارد و ضمن گذر از صفحات هدایت کننده، در محیط داخلی اتاقک توزیع و از مخروط تحتانی خارج میگردد. مدلهای پیش فرض آشفتگی k- ε و Discrete Phase Model توانایی مدل کردن این مساله را داشته و در نهایت طرح شماره 7 با کمترین ضریب تغییرات غلظت معادل  08/4 درصد طرح بهینه بدست آمد.
روش شبیه سازی عددی که برای طراحی و بهینه سازی این اتاقک استفاده شد، توانست با صرف هزینه بسیار کمتری نسبت به روش های تجربی، اطلاعات جامعی از میدان حل را فراهم نماید. تحلیل این اطلاعات منجر به انتخاب بهترین طرح اتاقک مواجهه برای تامین غلظت یکنواخت و پایدار ذرات آزمایشی در منطقه تنفسی حیوان شد.