Abstract In poorly ventilated confined spaces, assessing the accumulation of CO2 in the breathing zone (BZ) is important evaluating human safety. The current study presents an experimental and numerical investigation of the CO2 generation rate and spatial distribution in the crew quarters (CQ) of the International Space Station. In microgravity, density-difference based airflow is nonexistent, and CO2 accumulates around the astronaut's head if the BZ is poorly or not at all ventilated. The aim is to study the breath's influence on CO2 spatial distribution in order to circumscribe the region that needs to be ventilated in the CQ. An experimental setup was used to measure the CO2 generation rate of several test subjects on Earth in a non-ventilated full-scale model of the CQ. The experimental CO2 results were used to validate CFD simulations of the CQ with gravity, with a human model inside featuring a full respiratory cycle. The validated CFD model was then used without gravity for a CO2 accumulation study. The respiratory cycle was analyzed in order to propose a rigorous definition of the BZ based on a frequency analysis of the breath. Results show that CO2 concentrations in the identified BZ are greater in the absence of gravity compared to a similar situation with gravity. It is believed that the ventilation system presently in place in the CQ does not effectively ventilate this strategic area, therefore a personalized ventilation type solution should be studied in the future.

中文翻译：

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国际空间站宇航员舱内CO2的积累与空间分布

摘要 在通风不良的密闭空间中，评估呼吸区 (BZ) 中 CO2 的积累对于评估人员安全非常重要。目前的研究对国际空间站乘员舱 (CQ) 中的二氧化碳生成率和空间分布进行了实验和数值研究。在微重力环境中，不存在基于密度差的气流，如果 BZ 通风不良或根本不通风，二氧化碳就会在宇航员的头部周围积聚。目的是研究呼吸对 CO2 空间分布的影响，以限定需要在 CQ 中通风的区域。实验装置用于测量地球上几个测试对象在 CQ 的非通风全尺寸模型中的 CO2 生成率。实验 CO2 结果用于验证 CQ 的 CFD 模拟与重力，其中人体模型具有完整的呼吸循环。然后在没有重力的情况下使用经过验证的 CFD 模型进行 CO2 积累研究。对呼吸周期进行了分析，以便根据呼吸频率分析提出严格的 BZ 定义。结果表明，与类似的重力情况相比，在没有重力的情况下，已识别的 BZ 中的 CO2 浓度更高。据信，CQ 现有的通风系统并不能有效地为这一战略区域通风，因此未来应研究个性化通风类型的解决方案。然后在没有重力的情况下使用经过验证的 CFD 模型进行 CO2 积累研究。对呼吸周期进行了分析，以便根据呼吸频率分析提出严格的 BZ 定义。结果表明，与类似的重力情况相比，在没有重力的情况下，已识别的 BZ 中的 CO2 浓度更高。据信，CQ 现有的通风系统并不能有效地为这一战略区域通风，因此未来应研究个性化通风类型的解决方案。然后在没有重力的情况下使用经过验证的 CFD 模型进行 CO2 积累研究。对呼吸周期进行了分析，以便根据呼吸频率分析提出严格的 BZ 定义。结果表明，与类似的重力情况相比，在没有重力的情况下，已识别的 BZ 中的 CO2 浓度更高。据信，CQ 现有的通风系统并不能有效地为这一战略区域通风，因此未来应研究个性化通风类型的解决方案。结果表明，与类似的重力情况相比，在没有重力的情况下，已识别的 BZ 中的 CO2 浓度更高。据信，CQ 现有的通风系统并不能有效地为这一战略区域通风，因此未来应研究个性化通风类型的解决方案。结果表明，与类似的重力情况相比，在没有重力的情况下，已识别的 BZ 中的 CO2 浓度更高。据信，CQ 现有的通风系统并不能有效地为这一战略区域通风，因此未来应研究个性化通风类型的解决方案。