شبیه سازی عددی جریان هوا در مجاری نای- برونشی انسان

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد هوافضا، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

2 استادیار مهندسی پزشکی، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

چکیده

شناخت رفتار و الگوی جریان در مجاری تنفسی انسان به علت اینکه اساس شناخت حرکت و نشست ذرات در سیستم تنفسی است و کمک به پیش‌بینی اثر داروهای تنفسی، آلاینده‌ها و بیماری‌هایی از جمله سرطان می‌کند، در دهه‌های اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است. از این رو در این مطالعه اثر دو شرط مرزی: (1) دبی جریان خروجی یکسان در تمامی خروجی‌ها و (2) فشار ایستای برابر با صفر در تمامی خروجی‌ها، و تغییرات دبی ورودی جریان بر روی توزیع دبی جریان، الگوی جریان و نواحی جریان بازگشتی، به صورت پایا در نرخ‌های تنفسی 12 تا 48 لیتر بر دقیقه، برای مدلی سه بعدی، نامتقارن و شامل 4 نسل از مجاری نای-برونشی به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. تخمین توزیع دبی جریان در ریه در مقایسه با توزیع واقعی دبی در حالت استفاده از شرط مرزی 1 به مراتب بهتر از شرط مرزی 2 می‌باشد. با افزایش دبی ورودی، توزیع دبی در حالت استفاده از شرط مرزی 2 تغییر نمی‌کند ولی در استفاده از شرط مرزی 1 دست‌خوش تغییرات می‌شود. الگوی جریان در مقاطع پایینی به علت انحنای مجاری که باعث به‌وجود آمدن جریان دین می‌شود، به مراتب پیچیده‌تر از مقاطع بالایی است به‌خصوص هنگامی که این انحنا در صفحه‌ای غیر مسطح با مجرای قبلی باشد. نواحی جریان بازگشتی در حالت استفاده از شرط مرزی 2 بیشتر از دیگر حالت‌ها است و با افزایش دبی ورودی بر تعداد آن‌ها افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Calay RK, Kurujareon J, Holdø AE (2002) Numerical simulation of respiratory flow patterns within human lung. Respir Physiol Neurobiol 130(2): 201-221.

[2] Balásházy I, Moustafa M, Hofmann W, Szöke R, El-Hussein A, Ahmed AR (2005) Simulation of fiber deposition in bronchial airways. Inhal toxicol 17(13): 717-727.

[3] بیناباجی ی، وحیدی ب (1395) بررسی عوامل مؤثر در نشست ذرات در مجاری نای-برونشی. بیست و چهارمین همایش سالانه بین­المللی مهندسی مکانیک ایران 780-781.

 [4] Comer JK, Kleinstreuer C, Zhang Z (2001) Flow structures and particle deposition patterns in double-bifurcation airway models. Part 1. Air flow fields. J Fluid Mech 435: 25-54.

[5] Horsfield K, Dart G, Olson DE, Filley GF, Cumming G (1971) Models of the human bronchial tree. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol 31(2): 207-217.

[6] Nowak N, Kakade PP, Annapragada AV (2003) Computational fluid dynamics simulation of airflow and aerosol deposition in human lungs. Ann Biomed Eng 31(4): 374-390.

[7] Luo HY, Liu Y (2008) Modeling the bifurcating flow in a CT-scanned human lung airway. J Biomech 41(12): 2681-2688.

[8] de Rochefort L, Vial L, et al. (2007) In vitro validation of computational fluid dynamic simulation in human proximal airways with hyperpolarized 3He magnetic resonance phase-contrast velocimetry. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol 102(5): 2012-2023.

[9] Van Ertbruggen C, Hirsch C, Paiva M (2005) Anatomically based three-dimensional model of airways to simulate flow and particle transport using computational fluid dynamics. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol 98(3): 970-980.

[10] Longest PW, Vinchurkar S (2007) Effects of mesh style and grid convergence on particle deposition in bifurcating airway models with comparisons to experimental data. Med Eng Phys 29(3): 350-366.

[11] Zhang Z, Kleinstreuer C, Kim CS (2002) Aerosol deposition efficiencies and upstream release positions for different inhalation modes in an upper bronchial airway model. Aerosol Sci Technol 36(7): 828-844.

[12] Zhang Z, Kleinstreuer C, Kim CS (2002) Cyclic micron-size particle inhalation and deposition in a triple bifurcation lung airway model. J Aerosol Sci 33(2): 257-281.

[13] Site of Fluent 6.1 users guide, Available: http://jullio.pe.kr/fluent6.1/help/html/ug/node814.htm.

[14] Zhang Z, Kleinstreuer C, Kim CS (2002) Micro-particle transport and deposition in a human oral airway model. J Aerosol Sci 33(12): 1635-1652.

[15] Brouns M, Jayaraju ST, Lacor C, De Mey J, Noppen M, Vincken W, Verbanck S (2007) Tracheal stenosis: a flow dynamics study. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol 102(3): 1178-1184.

[16] Binabaji Y, Vahidi B (2016) Investigation of Boundary Condition Effects on Flow Rate Distribution in a Human Upper Respiratory Tract. The 23rd Iranian Conference on Biomedical Engineering (ICBME) 295-300.

[17] Formaggia L, Quarteroni A, Veneziani A (2010) Cardiovascular Mathematics: Modeling and simulation of the circulatory system. Springer Science & Business Media.