شبیه سازی سه بعدی جریان هوا در دستگاه تنفسی انسان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

چکیده

در پژوهش حاضر، سیستم تنفسی انسان از مجرای دهان مورد مطالعه عددی قرار گرفته است. معادلات حاکم بر جریان با استفاده از روش حجم محدود فشار مبنا حل شده و الگوریتم SIMPLE برای کوپلینگ سرعت-فشار مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین، مدل آشفتگی κ-ω SST جهت مدل کردن جریان هوای مغشوش مورد استفاده قرار می­گیرد. داده­های مورد استفاده بر اساس اطلاعات واقعی سیستم تنفسی انسان است. هدف اصلی این پژوهش، تعیین مقدار بهینه­ی هوای ورودی با استفاده از شرایط مرزی مختلف و نیز توصیف رفتار هر یک از بخش­های سیستم تنفسی در شرایط واقعی است. نتایج نشان دادند که افزایش دبی با افزایش سرعت کلی نسبت مستقیم دارد و با افزایش میزان نوسانات سرعت، مقدار آشفتگی جریان هوا افزایش می­یابد. در حالت تنفس عادی، مقدار سرعت تا 4/1 متر بر ثانیه نیز می­رسد. مقدار سرعت برای دبی 10 لیتر بر دقیقه تا سرعت 48/0 کاهش و برای دبی 120 لیتر بر دقیقه تا 4/5 افزایش می­یابد. دریافته شد که رفتار حلق دهانی به جز در حالت استاندارد که دبی 30 لیتر بر دقیقه است، بی­ثبات و متفاوت است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Ball C. G.  Uddin, M. Pollard A., High resolution turbulence modelling of airflow in an idealized human extra-thoracic airway, Computers & Fluids, Vol. 37, pp. 943–964, 2008.
[2]  Heenan A. F., Matida E., Pollard A., Finlay W. H., Experimental measurements and computational modeling of the flow field in an idealized extra-thoracic airway, Exp Fluids, Vol. 35, pp. 70–84, 2003.
[3]   Kleinstreuer C., Zhang Z., Laminar-to-turbulent fluid-particle flows in a human airway model, Int. J Multiphase Flow, Vol. 29, pp. 271–89, 2003.
[4]  Zhang Z., Kleinstreuer C., Donohue J.,  Kim C., Comparison of micro-and nano-size particle depositions in a human upper airway model, Aerosol Sci, Vol. 36, pp. 211–33, 2005.
[5]  Zhang Z., Kleinsteuer C., Species heat and mass transfer in a human upper airway model, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 45, pp. 55–68, 2003.
[6]  Matida E., Finlay W., Lange C., Grgic B., Improved numerical simulation of aerosol deposition in an idealized mouth–throat,  Aerosol Sci, Vol.35, pp. 1–19, 2004.
[7]  Stapleton K. W., Guentsch E., Hoskinson M. K. and Finlay W. H., The suitability of k–turbulence modeling for aerosol deposition in the mouth and throat: acomparison with experiment, J Aerosol Sci., Vol. 31, No. 6, pp. 739–49, 2000.
[8]  Taylan M., Can O., Cetincakmak M. G., Ozbay M., Effect of Airway Dynamics on the Development of Larynx Cancer, Laryngoscope, Vol. 126, 2016.
[9]  Kaushik V., Ghosh S., Das G., Das P. K., CFD simulation of core annular flow through sudden contraction and expansion, J Petrol Scı Eng.Vol.86, pp. 153–164, 2012.
[10]             Lin C. L., Tawhai M. H., McLennan G., Hoffman E. A., Characteristics of the turbulent laryngeal jet and its effect on airflow in the human intra-thoracic airways, Respir Physiol Neurobiol, Vol.157, pp. 295–309, 2007.
[11]             Kumar H., Spence C. J., Tawhai M. H., Modeling of pharyngeal pressure dur-ing adult nasal high flow therapy, Respir Physiol Neurobiol, 2015.
[12]             Carrigy N. B., Carey J. P., Martin A. R., Simulation of muscle and adipose tissue deformation in the passive human pharynx, Comput Methods Bio-mech Biomed Engin,pp. 1–9, 2015. 
[13]             Hiramatsu H., Tokashiki R., Suzuki M., Usefulness of three-dimensional computed tomography of the larynx for evaluation of unilateral vocal fold paralysis before and after treatment: technique and clinical applications, Eur Arch Otorhinolaryngol, Vol. 265, pp. 725–730, 2008.
[14]             Vampola  T., Horáček J.,  Klepáček I., Computer  simulation  of  mucosal  waves  on vibrating  human  vocal  folds, Biocybernetics and Biomedical Engineering. Vol. 36, pp. 451-465, 2016.
[15]             Chen T., Chodara A. M., Sprecher A. J.,  Fang F., Song W., Tao C. H., A new method of reconstructing the human laryngeal architecture using micro-MRI, J.  Voice, Vol. 26, pp. 55–62, 2012.
[16]             Zheng X., Mittal R., Xue Q., Bielamowicz S., Direct-numerical simulation  of  the  glottal  jet  and  vocal-fold  dynamics  in  athree-dimensional  laryngeal  model,  J.  Acoust.  Soc.  Am, Vol.130, pp. 404–415, 2011.
[17]             Švec J. G., Schutte H. K., Kymographic imaging of laryngeal vibrations, Curr. Opin. Otolaryngol Head Neck Surg; Vol.20, pp. 458–465, 2012.
[18]             Zhang, Z. Neubauer, J. Berry, D. A., Aerodynamically  and acoustically  driven  modes  of  vibration  in  a  physical  model of  the  vocal  folds, J  Acoust Soc Am , Vol.120, pp. 2841–2849, 2006.
[19]             Murray P. R., Thomson S. L., Vibratory  responses  of  synthetic, self-oscillating  vocal  fold  models, J  Acoust  Soc  Am, Vol.132, pp. 3428–3438, 2012.
[20]             Yang, J. Wang, X. Krane, M. Lucy. Zhang T., Fully-Coupled Aeroelastic Simulation with Fluid Compressibility - for Application to Vocal Fold Vibration, Comput. Methods. Appl. Mech. Engineering. Vol. 315, pp. 584-606, 2016.
[21]             Gemci T., Ponyavin V.,  Chen Y., Chen H., Collins Computational model of airflow in upper 17 generations of human respiratory tract, Journal of Biomechanics, Vol.41, pp. 2047–2054, 2008.
[22]             Pollard, A. Secretain F. and Milne B., Air and blood fluid dynamics: at the interface between engineering and medicine, Journal of Physics: Conference Series, vol. 530.
[23]             Lin C. L., Tawhai M. H., McLennan G. and Hoffman E. A., Characteristics of the turbulent laryngeal jet and its effect on airflow in the human intra-thoracic airways, Respir Physiol Neurobiol. Vol. 157, pp. 295–309, 2007.
[24]             Tena A. F., Francos J. F., Alvarez E., Casan P., A three dimensional in SILICO model for the simulation of inspiratory and expiratory airflow in humans, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, Vol. 9, pp. 187-198, 2015.
[25]             Ruiz A. E., Aristizabel J. K., Three dimensional reconstruction and airflow simulation in a realistic model of the human respiratory airways, VII Latin American Congress on Biomedical Engineering CLAIB 2016, Bucaramanga, Santander, Colombia, October 26th -28th, pp 533-536, 2016.
[26]             Sul B. S., Wallqvist A., Morris M. J., Reifman J., Pakesh V., A computational study of the respiratory airflow characteristics in normal and obstructed human airways, Computers in Biology and Medicine, Vol. 52, pp. 130-143, 2014.
[27]             Martonen B., Zhang Z., Yu G., Musante C., Three-dimensional computer modeling of the human upper respiratory tract, Cell Biochemistry and Biophysics, Vol. 35(3), pp. 255-261, 2001.
Tsega D., Katiyar V. K., A numerical simulation of inspiratory airflow in human during exercise at sea level and high attitude, Journal of Applied and Computational Mechanics, Vol. 5(1), pp. 70-76, 2019.