Loading...

Computational Simulation of the Effect of Breathing Particle Mass and Breathing Frequency on a Human Respiratory System

Goodarzi Ardakani, Vahid | 2015

841 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 47363 (45)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Aerospace Engineering
  6. Advisor(s): Tayyebi Rahni, Mohammad
  7. Abstract:
  8. Our surrounding environment is full of particles with different sizes. These suspended particles enter our body through respiration process, which of course has some negative effects. Therefore, it is very important to comprehend the mechanisms and the effective parameters on these particles motion and their deposition inside the human airway. This work numerically investigates the effects of particles mass and breathing frequency on the deposition of particles in human respiratory system. To this end, a realistic 3-D model of human respiratory system geometry, including nostrils, vestibule, nasal cavity, human sinuses, nasopharynx, oropharynx, larynx, trachea, and main bronchus has been produced by reconstructing a healthy adult woman CT scan images. As far as the numerics, the Navier-Stokes equations has been used with a finite element method. Next, the air stream, motion, and deposition of the particles inside this geometry has been simulated. The effects of particles mass on their deposition for different particle diameters have been considered at micro-scale dimensions by means of aerodynamic diameter concept. Furthermore, inhalation impact, measured by experiments, has been applied by utilization of a UDF in the ANSYS FLUENT commercial software for semi sinusoidal profile. Also, particle pathlines have been computed, using a Lagrangian approach. In addition, results for unsteady solution under appropriate conditions have been validated with valid experimental data. Our results show that the diffusion mechanism for the particles with diameter less than 1 micrometer is dominant. Also, by increasing aerodynamic diameter, corresponding to the mass particle increment, particle deposition increases due to inertial impaction mechanism. The deposition process continues up to the point when all 10 micrometer particles deposit at the upper respiratory track. The results show that the amount of remaining particles in the flow at steady state condition is more than that in the unsteady case
  9. Keywords:
  10. Numerical Simulation ; Respiratory System ; Particle Deposition ; Inspiration

 Digital Object List

 Bookmark

  • 1 ‌فصل اول: مقدمه
  • 1 ‌فصل اول: مقدمه
    • 1-1 مکانیزم‌های نشست ذرات در مجاری تنفسی
    • 1-2 چالش‌های کاربرد مدل‌های دینامیک سیالات محاسباتی
    • 1-3 انگیزه تحقیق
    • 1-4 پیشینه‌ی تحقیق
      • 1-4-1 مطالعات عددی انجام شده بر ساختار جریان در سیستم تنفسی
        • 1-4-1-1 مدل نیزال
      • 1-4-2 پیشینهی بررسی انتقال حرارت
      • 1-4-3 مطالعات انجام شده بر نشست ذرات در سیستم تنفسی
    • 1-5 اهداف تحقیق
    • 1-6 نوآوری‌های تحقیق
    • 1-7 تعریف مسئله
    • 1-8 مروری بر فصول بعدی
  • 2 فصل دوم: مروری بر سیستم تنفسی انسان
  • 2 فصل دوم: مروری بر سیستم تنفسی انسان
    • 2-1 ساختار سیستم تنفسی انسان
    • 2-2 بخش فوقانی سیستم تنفسی
      • 2-2-1 بینی و محفظه نیزال
      • 2-2-2 گلو و حنجره
    • 2-3 قسمت پایینی مجرای تنفسی
      • 2-3-1 نای
      • 2-3-2 نایژه
        • 2-3-2-1 برونش‌های لوبی
        • 2-3-2-2 برونشیولها
      • 2-3-3 ریه
    • 2-4 فیزیولوژی تنفس
      • 2-4-1 حجم‌ها و ظرفیت ریه
      • 2-4-2 مکانیزم تنفس
  • 3 فصل سوم: تولید هندسه مسئله
  • 3 فصل سوم: تولید هندسه مسئله
    • 3-1 عکس سی-تی اسکن
    • 3-2 روش عکس‌برداری MRI
    • 3-3 پردازش و بخش‌بندی کردن عکس
      • 3-3-1 الگوریتم آستانه سازی
    • 3-4 بازسازی صفحات و حجم‌ها
    • 3-5 پردازش و بخش‌بندی عکس مورداستفاده در این پژوهش
      • 3-5-1 تولید هندسه کلی
  • 4 فصل چهارم: معادلات حاکم
  • 4 فصل چهارم: معادلات حاکم
    • 4-1 معادلات فاز سیال
      • 4-1-1 بقا جرم
      • 4-1-2 بقا مومنتوم
      • 4-1-3 بقای انرژی
    • 4-2 بررسی رژیم جریان در سیستم تنفسی انسان
      • 4-2-1 کاربرد مدل‌های آشفتگی در شبیه‌سازی جریان سیال در سیستم تنفسی
    • 4-3 آشفتگی
      • 4-3-1 شدت آشفتگی
      • 4-3-2 معادلات RANS
        • 4-3-2-1 مفهوم لزجت گردابه‌ای
      • 4-3-3 مدل‌های آشفتگی
        • 4-3-3-1 مدل
        • 4-3-3-2 مدل ویلکاکس
        • 4-3-3-3 مدل
        • 4-3-3-4 مدل اس-اس-تی انتقالی
    • 4-4 مدل‌سازی فاز ذرات
      • 4-4-1 اندازه و شکل ذرات معلق در هوا
      • 4-4-2 توصیف حرکت ذره
        • 4-4-2-1 دیدگاه لاگرانژی
      • 4-4-3 نیرو های وارد بر ذره
        • 4-4-3-1 نیروی درگ و لیفت
        • 4-4-3-2 نیروی جرم مجازی
        • 4-4-3-3 نیروی مگنس
        • 4-4-3-4 نیروی ترموفورتیک
        • 4-4-3-5 نیروی برونین
      • 4-4-4 روابط دیدگاه لاگرانژی در نرم‌افزار فلوئنت
        • 4-4-4-1 اثر آشفتگی بر حرکت ذرات
  • 5 فصل پنجم: متدولوژی عددی
  • 5 فصل پنجم: متدولوژی عددی
    • 5-1-1 چالش پیش رو برای حل یکپارچه‌ی مسئله
    • 5-1-2 شرایط مرزی
    • 5-1-3 شبکه
    • 5-2 روند حل عددی فاز سیال
    • 5-3 روند حل عددی فاز ذرات
      • 5-3-1 گام زمانی
    • 5-4 بررسی استقلال حل از شبکه
    • 5-5 اعتبار سنجی
  • 6 فصل ششم: نتایج و بحث
  • 6 فصل ششم: نتایج و بحث
    • 6-1 بررسی الگوی جریان
      • 6-1-1 بررسی رژیم جریان بر اساس کانتور اینترمیتنسی
      • 6-1-2 افت فشار و تغییرات هندسه در محفظه نیزال، وستیبل و سینوس‌ها
      • 6-1-3 انتقال حرارت
    • 6-2 نتایج حاصل از شبیه سازی فاز ذرات
      • 6-2-1 عدد استوکس
    • 6-3 مقایسه نتایج حاصل از حل پایا و ناپایا
  • 7 جمع‌بندی و نتيجه‌گيری
    • 1- جمع بندی
    • 1- پیشنهادهای ادامه کار
  • 8 مراجع
...see more